李憲振

（鄭煤集團(tuán)超化煤礦，河南 新密 452385）

鄭煤集團(tuán)新鄭煤電主采煤層為二1煤層，屬“三軟”煤層，二1煤層厚度整體變化較大，局部區(qū)域變化極大，煤層呈粉狀構(gòu)造，且煤層內(nèi)滑面、摩擦鏡面比較發(fā)育。鄭煤集團(tuán)新鄭煤電針對(duì)綜放沿空掘巷圍巖的特點(diǎn)，根據(jù)綜放沿空掘巷圍巖大、小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原理，通過(guò)對(duì)綜放沿空掘巷巷道圍巖應(yīng)力分布特點(diǎn)、巷道圍巖變形特征，錨桿、錨索實(shí)際承載狀況的變化規(guī)律研究，優(yōu)化錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)，保證了“三軟”煤層綜放沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定性[1-6]。

1 概況

12206工作面下付巷主要用于該工作面進(jìn)風(fēng)與煤炭運(yùn)輸，該巷北東鄰12208工作面，南西鄰12204工作面，南東鄰采區(qū)回風(fēng)上山保護(hù)煤柱。12206工作面下付巷所處位置如圖1。

圖1 12206工作面下付巷

12206工作面主采山西組底部二1煤層，煤質(zhì)松軟，強(qiáng)度較低。根據(jù)12204工作面實(shí)揭煤厚資料及鉆孔資料，該巷煤厚變化3.4～14.9 m，平均厚度為8 m。二1煤層直接頂為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為厚層狀砂質(zhì)泥巖，屬于典型的“三軟”煤層。12206工作面位于滹沱背斜軸部附近，工作面煤層底板整體呈單斜構(gòu)造，煤層傾角為3°～8°。12206工作面下付巷井下標(biāo)高為-166～ -131 m，當(dāng)煤厚≤5 m時(shí)，沿二1煤層頂板掘進(jìn)，當(dāng)煤厚＞5 m時(shí)，沿二1煤層底板掘進(jìn)，總工程量1074 m。

2 巷道圍巖應(yīng)力分布特征

2.1 數(shù)值模型

采用有限差分計(jì)算軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模型尺寸為：120 m×50 m×37 m，采用四邊形等參單元，其邊界條件為：左右兩個(gè)面固定x方向位移，前后兩個(gè)面固定y方向位移，底面固定x、y、z三個(gè)方向的位移。

煤層及頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)表

12206工作面下付巷埋深為300 m，γ取值為2.4 kN/m3，因此垂直方向施加應(yīng)力7.2 MPa，側(cè)壓力系數(shù)取1.1。模型采用莫爾-庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則。

新掘巷道由于煤體松軟，煤層掘出后手指滑過(guò)煤體便會(huì)掉下。巷道成型較差時(shí)，錨網(wǎng)支護(hù)遵循“掉到哪，錨到哪”的支護(hù)原則，不能為了保持巷道的美觀而在網(wǎng)后背墊板、荊笆。12206工作面下付巷留設(shè)窄煤柱寬度為2 m，但在實(shí)際掘巷過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生超挖、欠挖現(xiàn)象。因此模擬窄煤柱寬度分別為1.5 m、2 m、2.5 m三種情況下，巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)。

2.2 巷道圍巖應(yīng)力分析

窄煤柱寬度分別為1.5 m、2 m、2.5 m三種情況下，巷道圍巖應(yīng)力分布如圖2。

圖2 不同窄煤柱寬度下巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)

由圖2可知，沿空掘巷窄煤柱寬度在±0.5 m范圍內(nèi)變化時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)存在明顯差異，具體情況如下：

（1）窄煤柱寬度為1.5 m，巷道圍巖變形比較強(qiáng)烈，窄煤柱一側(cè)基本呈壓酥狀態(tài)，圍巖承載性能很差。當(dāng)支承壓力向巷道頂板、底板轉(zhuǎn)移時(shí)，導(dǎo)致巷道頂?shù)装鍛?yīng)力環(huán)境變差，圍巖更容易發(fā)生塑性流變，造成明顯的頂板下沉、底鼓現(xiàn)象；當(dāng)支承壓力向?qū)嶓w煤側(cè)巷幫轉(zhuǎn)移時(shí)，會(huì)使實(shí)體煤側(cè)巷幫更廣的范圍內(nèi)承受更大的支承壓力。所以，要避免煤柱側(cè)巷幫出現(xiàn)較大的超挖現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)，要及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。

（2）沿空掘巷各個(gè)部位應(yīng)力分布狀態(tài)存在明顯差異，當(dāng)窄煤柱寬度為2 m時(shí)，窄煤柱側(cè)巷幫有一定承載能力。由于“三軟”煤層巖性很差，頂板破碎區(qū)范圍較大，且破碎圍巖呈干散狀態(tài)，在重力作用下容易導(dǎo)致頂板下沉，在錨索支護(hù)時(shí)必須根據(jù)頂煤厚度選取錨索長(zhǎng)度。如果頂煤厚度較大，可以采用短錨索使巷道圍巖形成承壓拱結(jié)構(gòu)；如果頂煤厚度較小，所使用的錨索要保證錨固端能深入巖層內(nèi)，對(duì)破碎圍巖體起懸吊作用。上覆巖層載荷通過(guò)巷道兩幫傳遞給巷道底板，引起底鼓。這也是沿空掘巷的基本特點(diǎn)之一，通過(guò)打底角錨桿可抑制回采巷道的底鼓。整體來(lái)說(shuō)，巷道圍巖承受應(yīng)力水平，實(shí)體煤側(cè)巷幫＞窄煤柱側(cè)巷幫＞頂?shù)装?。進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要采取有效措施防止頂板下沉、底鼓及窄煤柱側(cè)巷幫內(nèi)移。

3 沿空掘巷圍巖變形及支護(hù)體承載性能測(cè)試

3.1 測(cè)站布置

12206工作面下付巷斷面為梯形，巷道凈寬5600 mm，凈高3400 mm，頂部采用鋼筋網(wǎng)+硬質(zhì)塑料網(wǎng)+H型鋼帶（橫向）+錨索支護(hù)，幫部采用鋼筋網(wǎng)+硬質(zhì)塑料網(wǎng)+H型鋼帶+錨桿支護(hù)。頂部采用規(guī)格為Φ20 mm×2400 mm全螺紋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm；幫部采用規(guī)格為Φ20 mm×2000 mm全螺紋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm。

測(cè)站中各監(jiān)測(cè)儀器布置情況如圖3。采用十字布點(diǎn)法觀測(cè)巷道表面位移，采用頂板離層儀監(jiān)測(cè)巷道頂板離層情況，采用錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)錨索實(shí)際承受載荷，用測(cè)力錨桿替代普通錨桿監(jiān)測(cè)錨桿桿體受力變化情況，通過(guò)在測(cè)力錨桿托板與螺母之間安裝錨桿液壓枕監(jiān)測(cè)錨桿托錨力變化情況。

圖3 測(cè)站各監(jiān)測(cè)儀器布置圖

3.2 沿空掘巷圍巖變形規(guī)律

12206工作面下付巷表面位移變化情況如圖4。由圖可知，沿空掘巷巷道圍巖表面位移以兩幫內(nèi)移為主，兩幫位移量明顯高于頂?shù)装逡平?。在滯后掘進(jìn)迎頭120 m左右時(shí)巷道圍巖表面位移趨于穩(wěn)定，兩幫移近量在150 mm左右，頂?shù)装逡七M(jìn)量在93 mm左右。巷道圍巖表面位移是反映巷道圍巖穩(wěn)定狀況的綜合指標(biāo)，由于二1煤層受滑動(dòng)構(gòu)造影響，圍巖自身強(qiáng)度很低，這也導(dǎo)致“三軟”煤層沿空掘巷在圍巖活動(dòng)漸趨穩(wěn)定時(shí)巷道圍巖表面位移量偏大，圍巖表現(xiàn)出一定的流變特性。

圖4 巷道表面位移變化圖

12206工作面下付巷頂板深部圍巖位移變化情況如圖5。由圖5分析可知，頂板深部圍巖在滯后掘進(jìn)迎頭150 m左右時(shí)趨于穩(wěn)定，7 m深基點(diǎn)位移量在23 mm左右，3 m深基點(diǎn)位移量在15 mm左右。與巷道圍巖表面位移相比，圍巖在剪脹變形的同時(shí)，向巷道空間內(nèi)產(chǎn)生了一定的整體位移。在“三軟”煤層地質(zhì)條件下，頂板破碎區(qū)圍巖膠結(jié)性很差、強(qiáng)度很低，巷道圍巖流變特性特別明顯，粉狀煤體可錨性差，水力沖孔易導(dǎo)致鉆孔直徑擴(kuò)大，引起錨桿錨空失效。

圖5 巷道頂板深部圍巖位移變化圖

3.3 沿空掘巷支護(hù)體承載變化規(guī)律

12206工作面下付巷測(cè)力錨桿桿體平均軸力變化情況如圖6。由圖6可知，6根測(cè)力錨桿平均軸力值在滯后掘進(jìn)迎頭120 m左右時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)測(cè)力錨桿間平均軸力值存在明顯差異。整體看來(lái)，位于實(shí)體煤側(cè)巷幫5#、6#測(cè)力錨桿平均軸力最高，位于窄煤柱側(cè)巷幫1#、2#測(cè)力錨桿平均軸力次之，位于頂板3#、4#測(cè)力錨桿平均軸力最低。這與圖2的研究結(jié)論相照應(yīng)，圍巖承載性能越好，錨桿錨固力可以達(dá)到較高水平且不容易耗散，反之圍巖巖性越差，錨桿無(wú)法達(dá)到較高錨固力且容易發(fā)生錨固失效現(xiàn)象。

圖6 測(cè)力錨桿平均軸力變化圖

12206工作面下付巷頂板錨索測(cè)力計(jì)受力變化情況如圖7。由圖7可知，三個(gè)頂板錨索測(cè)力計(jì)受力在滯后掘進(jìn)迎頭90 m左右時(shí)趨于穩(wěn)定，三個(gè)錨索測(cè)力計(jì)壓力值相差不大，頂板中央錨索受力略高于兩側(cè)錨索。這是由于此時(shí)錨索主要起懸吊作用，承受頂板破碎煤體重力作用，頂板中央撓度要高于兩側(cè)，導(dǎo)致中央錨索實(shí)際承受載荷要高于兩側(cè)錨索。

圖7 錨索測(cè)力計(jì)受力變化圖

4 結(jié)論

（1）當(dāng)窄煤柱側(cè)巷幫出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，窄煤柱寬度小于設(shè)計(jì)值時(shí)，由于支承壓力向巷道頂?shù)装寮皩?shí)體煤側(cè)巷幫轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致頂?shù)装鍛?yīng)力環(huán)境變差，圍巖更容易發(fā)生塑性流變，要加強(qiáng)該側(cè)幫支護(hù)。

（2）巷道圍巖應(yīng)力水平，實(shí)體煤側(cè)巷幫＞窄煤柱側(cè)巷幫＞頂?shù)装?，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要采取有效措施防止頂板下沉、底鼓及窄煤柱側(cè)巷幫內(nèi)移。

（3）“三軟”煤層沿空掘巷巷道圍巖表面位移量及深部巖體位移量偏高。這是由圍巖體自身特性決定的，采用錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)要注意解決粉狀煤體可錨性差，水力沖孔易導(dǎo)致鉆孔直徑擴(kuò)大，引起錨桿錨空失效等問(wèn)題。

（4）“三軟”煤層沿空掘巷各部位錨桿實(shí)際承載存在明顯差異，呈現(xiàn)實(shí)體煤側(cè)巷幫＞窄煤柱側(cè)巷幫＞頂板的規(guī)律，而頂板錨索實(shí)際承受載荷差異相對(duì)較小，由于頂板中央撓度要高于兩側(cè)，導(dǎo)致中央錨索實(shí)際承受載荷要高于兩側(cè)錨索。