劉 洋，王志浩

（河南能源焦煤公司寶雨山煤礦，河南 洛陽 471300）

引言

在礦下進(jìn)行挖掘工作時，因為受礦井下施工環(huán)境的影響，施工巷道內(nèi)和對煤炭開采的地方會產(chǎn)生開采工作面土質(zhì)或煤質(zhì)過硬，不易開采；要么就是開采工作面和巷道周圍土質(zhì)或煤質(zhì)松軟，雖易開采但更容易造成安全事故；要么就是有的地方松軟，有的材質(zhì)比較硬，導(dǎo)致在煤炭開采過程中難度較大，極大的影響了工作效率。尤其是礦井下特殊的三軟煤層圍巖環(huán)境，在該礦下施工環(huán)境中，巷道周圍由于巖土的很多不確定性因素以及現(xiàn)場情況各方面原因，導(dǎo)致巷道內(nèi)問題頻發(fā)，比如周圍巖石因為其自身流變性等性質(zhì)產(chǎn)生松動脫落，巷道由于受力不均勻?qū)е伦冃螄?yán)重等。所以本文中將針對該巷道圍巖情況進(jìn)行分析并提出支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

有以上提出的針對三軟巷道圍巖的問題，這里我們具體針對巷道頂板、底板及巷道兩側(cè)的嚴(yán)重變形問題進(jìn)行仔細(xì)分析、認(rèn)真研究。首先對礦井下巷道內(nèi)周圍的受力情況進(jìn)行分析，計算出哪個地方應(yīng)力比較集中，容易導(dǎo)致巷道周圍圍巖發(fā)生變形，其次對該處圍巖變形機(jī)理進(jìn)行深入研究，并同時改進(jìn)優(yōu)化巷道周邊圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證開采工作的正常進(jìn)行。

1 工程概況

1.1 “三軟”煤層工作面概況

經(jīng)過對該礦井下巷道圍巖現(xiàn)場情況的詳細(xì)調(diào)查，本文中研究煤炭開采面煤層厚度大概為3 m，該開采面距離地面的深度大約是350 m，該開采通道的總長度大約是1 200 m，整個開采工作面頃斜的長度大約是150 m，其傾斜角經(jīng)測量后大約為0°～11°。該礦井下煤炭開采面煤層結(jié)構(gòu)沒有那么復(fù)雜，開采工作面的煤層在具體施工過程中整體比較穩(wěn)定。

該礦井下煤炭開采面通道中巷道周圍結(jié)構(gòu)的具體數(shù)據(jù)見表1，詳細(xì)描述了該煤炭開采工作面的直接底、開采煤層結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)。由對該巷道內(nèi)煤炭開采工作面測得的數(shù)據(jù)得知，該開采工作面為三軟煤層結(jié)構(gòu)。

表1 煤層情況表

1.2 巷道圍巖支護(hù)及變形情況

經(jīng)過對該礦井下巷道內(nèi)煤炭開采工作面的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，對以上數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，未優(yōu)化改進(jìn)之前的工作面防護(hù)措施為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。用可承受應(yīng)力載荷比較大的錨桿對煤炭開采工作面頂部進(jìn)行支護(hù)，同時輔助以韌性強的金屬網(wǎng)進(jìn)行輔助支護(hù)，該開采工作面的兩側(cè)也均使用同頂部支護(hù)一樣材質(zhì)的高強預(yù)應(yīng)力錨桿。為使該工作面頂部支護(hù)萬無一失，在原有的支護(hù)基礎(chǔ)上，再加上2根高強預(yù)應(yīng)力的錨索。

通過相關(guān)技術(shù)和檢測操作對該礦下煤炭開采工作面變形數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，由監(jiān)測數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)煤炭開采工作面變形比較厲害，尤其是巷道底部，工作面頂板及兩側(cè)也發(fā)生了非常嚴(yán)重的變形，在巷道內(nèi)正常運行過程中，經(jīng)常對其檢修維護(hù)。

2 三軟煤層巷道圍巖應(yīng)力分布及特征變形分析

2.1 側(cè)向應(yīng)力分布形態(tài)

該三軟巷道圍巖結(jié)構(gòu)由于礦下施工環(huán)境的特殊復(fù)雜性，其不同部位所受應(yīng)力有很大區(qū)別。該巷道圍巖的應(yīng)力分析圖如圖1所示。

圖1 三軟煤層巷道圍巖應(yīng)力分布曲線

由以上所述，本文所研究的礦下巷道圍巖結(jié)構(gòu)為軟頂板、軟底板、軟煤層的三軟煤層巷道圍巖，由以上應(yīng)力分析圖我們可以得出，由于礦下復(fù)雜的施工環(huán)境等不確定因素，導(dǎo)致巷道內(nèi)兩側(cè)應(yīng)力比較集中，同時造成巷道內(nèi)頂板和地板也會受到不同程度的應(yīng)力。因為巷道內(nèi)工作面的頂板和底板的材質(zhì)為泥巖，所以當(dāng)兩者在受到不同程度的應(yīng)力時，由于其泥巖材質(zhì)的原因可減少一部分應(yīng)力。

由以上應(yīng)力分布圖中，我們通過比較曲線1和曲線2得出，軟直接頂在礦井下巷道內(nèi)對受到的應(yīng)力進(jìn)行分散時，軟直接頂?shù)氖艿降膽?yīng)力最大值在向煤層中心偏移，偏移量為；同時應(yīng)力峰值也會受到影響，造成其承受負(fù)載能力減弱；側(cè)向支承應(yīng)力也造成很大影響，該影響增大量為。

2.2 巷道圍巖變形原因分析

通過對巷道內(nèi)煤炭開采工作面現(xiàn)場數(shù)據(jù)的檢測，我們得出以上該礦下三軟巷道圍巖應(yīng)力分析圖，這里筆者對巷道內(nèi)變形機(jī)理進(jìn)行研究分析，如圖2所示。

圖2 三軟巷道圍巖變形特征

在該三軟巷道圍巖施工環(huán)境中，巷道頂部承受不同程度的載荷應(yīng)力，三軟巷道圍巖受應(yīng)力影響不同分區(qū)為：原巖區(qū)、影響區(qū)、破碎區(qū)。經(jīng)過多年在礦下工作的實踐經(jīng)驗并結(jié)合上圖該巷道變形特征進(jìn)行分析，筆者發(fā)現(xiàn)在該礦下巷道煤層靠上的地方出現(xiàn)了應(yīng)力集中，該煤層上方的集中應(yīng)力與巷道內(nèi)原巖區(qū)的側(cè)應(yīng)力相互配合一起作用，導(dǎo)致該礦下巷道內(nèi)如圖中所示破碎區(qū)的煤層在應(yīng)力作用下發(fā)生一定程度的滑移現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了該工作面的施工效率，對現(xiàn)場工作人員的人身安全造成了一定的威脅。接著應(yīng)力向巷道底部傳遞，如果巷道底部支護(hù)結(jié)構(gòu)沒有很好的發(fā)揮作用時，巷道內(nèi)將發(fā)生變形。

3 三軟巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計

3.1 巷道圍巖支護(hù)控制原則

1）對該礦下巷道內(nèi)煤炭開采工作面的頂部進(jìn)行強化支護(hù)，如在巷道頂部配置高強預(yù)應(yīng)力錨索在原有的支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強頂部的承受載荷能力。

2）對該礦下巷道圍巖兩側(cè)加強預(yù)防支護(hù)，該礦下巷道兩側(cè)在受到來自頂部的載荷應(yīng)力時，會發(fā)生不同程度的塑性變形，因此，我們要加強巷道兩側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3）通過對該礦下巷道變形特征的具體分析，我們知道巷道底部發(fā)生底部鼓起是巷道變形最主要的特征，因此我們要增強巷道底部圍巖的抗彎性能。增強其抵抗變形的能力。

4）通過以上對該礦下三軟巷道圍巖變形特征進(jìn)行分析，我們知道煤體內(nèi)部在受到來自頂部載荷應(yīng)力時，煤層會產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，因此為了巷道內(nèi)施工安全和保證施工效率，必須增強煤層區(qū)域與巷道頂部、底部間的滑移阻力。

3.2 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計

通過對上述巷道內(nèi)應(yīng)力分析圖和三軟巷道圍巖變形特征進(jìn)行認(rèn)真研究分析，我們?yōu)榱吮ＷC在該礦下巷道內(nèi)安全作業(yè)和保證施工效率，對該巷道內(nèi)工作面在原有的支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強支護(hù)防護(hù)，改進(jìn)優(yōu)化之前的支護(hù)結(jié)構(gòu)，具體見圖3。優(yōu)化支護(hù)措施如下：

1）對之前的巷道內(nèi)頂部支護(hù)結(jié)構(gòu)替換為Φ25 mm×2 500 mm的高強預(yù)應(yīng)力錨桿，多配置適量錨桿在非破碎區(qū)，提升巷道頂部的抵抗變形能力，同時在該煤炭開采工作面頂部輔助配置以高強預(yù)應(yīng)力錨索，每根錨索之間的排距經(jīng)精密計算為1.6 m×0.8 m，巷道頂部每一排設(shè)置2根錨索，將錨索延伸到基本頂區(qū)域，將進(jìn)一步提高巷道頂板的抵抗變形能力，最后在巷道頂部鋪設(shè)鋼帶以最大程度加強支護(hù)。

2）對巷道兩側(cè)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，這里我們選擇Φ25 mm×2 500 mm承受載荷應(yīng)力強的錨桿，每根錨桿之間的排距經(jīng)過仔細(xì)計算后是0.75 m×0.8 m，在巷道內(nèi)兩側(cè)鋪設(shè)錨桿時，每一排設(shè)置4根錨桿，同時為了防止巷道內(nèi)頂板發(fā)生滑移現(xiàn)象，還需要在巷道兩側(cè)鋪設(shè)斜向錨桿，最后在對支護(hù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步鋪設(shè)鋼帶最大程度提高巷道兩側(cè)強度。

3）通過對巷道底部進(jìn)行注漿來實現(xiàn)對巷道底部強度的增強，首先在巷道兩側(cè)以合適角度鉆注漿孔，通過注漿孔將注漿灌入巷道底部，鉆孔具體參數(shù)見圖3。

圖3 巷道支護(hù)優(yōu)化方案（未標(biāo)單位：mm）

4 結(jié)論

主要針對礦下三軟煤層巷道圍巖詳細(xì)介紹了三軟巷道的應(yīng)力受力分析圖、巷道圍巖的巖土層材質(zhì)、通過建立三軟巷道圍巖力學(xué)模型對巷道圍巖的變形特征進(jìn)行了分析，并同時考慮到原有的支護(hù)結(jié)構(gòu)不能有效的保護(hù)巷道不發(fā)生變形、滑移等現(xiàn)象，對原有的支護(hù)結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)優(yōu)化方案，進(jìn)一步增強了巷道圍巖強度。