武傳偉

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著我國(guó)煤炭開采逐步向地下深部發(fā)展，開采環(huán)境日益復(fù)雜，巷道受開采擾動(dòng)影響圍巖應(yīng)力劇增，導(dǎo)致圍巖破碎或產(chǎn)生大變形，影響巷道的掘進(jìn)效率和正常使用[1-2]。傳統(tǒng)的支護(hù)技術(shù)多采用一次支護(hù)設(shè)計(jì)，支護(hù)密度大、成本高，不能有效地控制高動(dòng)壓巷道的圍巖變形，且支護(hù)工序占時(shí)較長(zhǎng)，不利于巷道的快速掘進(jìn)[3-4]。因此，開展高動(dòng)壓巷道分次聯(lián)合支護(hù)及快速掘進(jìn)技術(shù)研究，具有重要的工程意義[5]。

1 概況

濟(jì)寧三號(hào)煤礦十八采區(qū)位于礦井北部，采區(qū)面積為5.2 km2，設(shè)計(jì)開采上組煤3上、3下煤層。3上煤煤層厚度0.75～3.95 m，平均厚度2.17 m，3上煤輔助運(yùn)輸順槽處于斷層破碎帶，圍巖破碎嚴(yán)重，在掘進(jìn)過程處于高動(dòng)壓狀態(tài)，易出現(xiàn)冒頂?shù)任：?，?yán)重威脅掘進(jìn)作業(yè)人員和設(shè)備的安全。

2 高動(dòng)壓巷道圍巖控制理論

2.1 高動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素分析

高動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素包含：巖性及圍巖強(qiáng)度、開采深度及巷道斷面尺寸和采動(dòng)產(chǎn)生的影響等。

（1）巖性及圍巖強(qiáng)度。巖性主要是指圍巖的裂隙和節(jié)理發(fā)育情況，煤巖體中常含有裂隙、節(jié)理和軟弱結(jié)構(gòu)面。一般來說，巖性較好的圍巖裂隙和節(jié)理不發(fā)育，巖體較為完整，抵抗高動(dòng)壓的能力也較強(qiáng)。裂隙和節(jié)理較多的圍巖，抵抗高動(dòng)壓的能力較差，在同等條件下，相較巖性較好的圍巖更容易發(fā)生變形破壞。同時(shí)，圍巖強(qiáng)度也是影響巷道變形的重要因素之一，圍巖強(qiáng)度可反映圍巖的承載能力，圍巖強(qiáng)度越小，巷道就越容易變形失穩(wěn)。

（2）開采深度及巷道斷面尺寸。開采深度越大，巷道上覆圍巖自重應(yīng)力相應(yīng)增大，巷道開挖后圍巖變形速度加劇，塑性區(qū)擴(kuò)展范圍較大。巷道斷面尺寸與巷道變形之間具有近似線性的關(guān)系，即巷道斷面越大，圍巖變形量也越大。因此，應(yīng)按圍巖和開采條件，確定合理的巷道斷面尺寸，減小圍巖變形量。

（3）采動(dòng)產(chǎn)生的影響?；夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)過程中可產(chǎn)生超前支承壓力，對(duì)臨近工作面及巷道產(chǎn)生擾動(dòng)作用。此時(shí)，巷道在超前支承壓力的作用下，圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，且頂板承載作用減弱，引起巷道圍巖的破碎及變形。

2.2 高動(dòng)壓巷道圍巖控制理論

（1）能量支護(hù)理論。能量支護(hù)理論是基于物理學(xué)的能量守恒原理提出的。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換與守恒的基本自然規(guī)律，該理論將圍巖的開挖和支護(hù)視為能量釋放和吸收的過程，即巷道開挖釋放彈性能，支護(hù)結(jié)構(gòu)則可將該部分能量吸收，并在能量作用下發(fā)生形變，但總的能量是不變且守恒的?？赏ㄟ^支護(hù)結(jié)構(gòu)特性，調(diào)整兩者之間的能量關(guān)系，使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同穩(wěn)定。

（2）應(yīng)力控制理論。應(yīng)力控制理論起源于前蘇聯(lián)，該理論將圍巖的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布視為引起巷道失穩(wěn)破壞的根本原因?；谠摾碚?，可采用優(yōu)化巷道斷面形狀和尺寸、優(yōu)化開采參數(shù)及圍巖加固等手段，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，減小圍巖應(yīng)力集中區(qū)，從而提升圍巖的抗變形能力。

（3）分次聯(lián)合支護(hù)理論。該理論的基本支護(hù)理念是選擇合理的支護(hù)時(shí)機(jī)，采用多種支護(hù)技術(shù)進(jìn)行圍巖支護(hù)。分次聯(lián)合支護(hù)技術(shù)以“先柔后剛，柔讓適度”為指導(dǎo)思想，在巷道開挖初期，采用柔性支護(hù)，允許巷道產(chǎn)生一定的變形，并釋放部分能量，之后，再選取合適的支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行剛性支護(hù)。

3 高動(dòng)壓巷道分次支護(hù)及快速掘進(jìn)技術(shù)

針對(duì)3上煤輔助運(yùn)輸順槽處于高動(dòng)壓狀態(tài)、圍巖應(yīng)力較大的問題，為有效控制巷道圍巖變形，保證回采巷道的掘進(jìn)安全，提高復(fù)雜條件下巷道的掘進(jìn)效率，基于分次聯(lián)合支護(hù)理論提出在3上煤輔助運(yùn)輸順槽采用“讓壓錨桿+螺紋鋼錨桿+錨網(wǎng)+鋼筋梯子梁+錨索”的分次聯(lián)合支護(hù)方法，其支護(hù)方案如圖1。主要支護(hù)參數(shù)如下：

圖1 3上煤輔助運(yùn)輸順槽支護(hù)方案（mm）

頂板支護(hù)：采用Φ20 mm×2200 mm的讓壓錨桿，間排距均為1000 mm×900 mm，每根錨桿采用2根快速樹脂藥卷錨固，設(shè)計(jì)錨固力大于140 kN。錨索采用Φ17.8 mm×7200 mm的鋼絞線，雙排布置，間排距1400 mm×1800 mm，設(shè)計(jì)錨固力大于260 kN。錨桿、錨索托盤均采用高強(qiáng)托盤，錨網(wǎng)采用10#鍍鋅鐵絲編制。

兩幫支護(hù)：采用Φ20 mm×2200 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900 mm，每根錨桿采用2根快速樹脂藥卷錨固，設(shè)計(jì)錨固力大于140 kN，錨索托盤采用高強(qiáng)托盤，錨網(wǎng)采用10#鍍鋅鐵絲編制。

3上煤輔助運(yùn)輸順槽采用12CM15-10D型連采機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，掘進(jìn)工序?yàn)椋航馗?、裝載、運(yùn)輸和支護(hù)。

3上煤輔助運(yùn)輸順槽的分次支護(hù)工藝為：第一次支護(hù)緊跟掘進(jìn)工作面，安裝頂板讓壓錨桿，保證巷道作業(yè)空間的安全性。當(dāng)圍巖發(fā)生一定的變形量后，進(jìn)行二次支護(hù)。二次支護(hù)時(shí)機(jī)為滯后于工作面10～15 m，二次支護(hù)主要采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿和鋼絞線錨索對(duì)巷道兩幫及頂板進(jìn)行支護(hù)。采用分次聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，一方面實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)和支護(hù)的平行作業(yè)，另一方面可有效控制圍巖位移。

4 分次聯(lián)合支護(hù)及快速掘進(jìn)效果分析

結(jié)合3上煤輔助運(yùn)輸順槽的實(shí)際地質(zhì)情況，在FLAC3D中建立數(shù)值模擬模型，對(duì)所采用的分次聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的工程效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖2為巷道開挖及完成二次支護(hù)后的位移云圖。

圖2 二次支護(hù)后圍巖位移云圖

由圖2（a）分析可知，巷道開挖支護(hù)后，頂板下沉量最大值為25.59 mm，底板底鼓量最大值為12.49 mm，頂?shù)装遄畲笠平?8.58 mm。由圖2（b）可知，巷道兩幫中部水平變形量最大，左幫最大變形量為4.88 mm，右?guī)妥畲笞冃瘟繛?.26 mm，兩幫相對(duì)移近量最大值為14.24 mm。

綜上可知，巷道頂?shù)装逍巫兞烤^小，可見，3上煤輔助運(yùn)輸順槽所采用的分次聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可有效改善圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，控制圍巖變形，保證巷道的穩(wěn)定性。經(jīng)實(shí)測(cè)表明，采用分次聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，3上煤輔助運(yùn)輸順槽掘進(jìn)速度可提高35 m/月，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

（1）分析了高動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素包含巖性及圍巖強(qiáng)度、開采深度及巷道斷面尺寸和采動(dòng)產(chǎn)生的影響等，闡明了能量支護(hù)理論、應(yīng)力控制理論、分次聯(lián)合支護(hù)理論等高動(dòng)壓巷道的圍巖控制技術(shù)。

（2）結(jié)合3上煤輔助運(yùn)輸順槽處于高動(dòng)壓狀態(tài)的工程背景，提出在3上煤輔助運(yùn)輸順槽采用“讓壓錨桿+螺紋鋼錨桿+錨網(wǎng)+鋼筋梯子梁+錨索”的分次聯(lián)合支護(hù)及快速掘進(jìn)技術(shù)，并對(duì)主要支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（3）基于數(shù)值模擬技術(shù)，分析了3上煤輔助運(yùn)輸順槽的圍巖位移。結(jié)果表明，采用分次聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，巷道頂?shù)装逍巫兞烤^小，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，且掘進(jìn)速度提高了35 m/月。