劉 杰

(潞安化工集團(tuán) 山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400)

煤體強(qiáng)度低，在煤巷更易實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)作業(yè)的綜合機(jī)械化，掘進(jìn)速度快。但是，當(dāng)煤巷掘進(jìn)完畢后，容易受到圍壓影響而發(fā)生大范圍的失穩(wěn)變形[1]，因此，對(duì)于煤巷的支護(hù)要求高，支護(hù)工程量大，難度亦會(huì)提升。

巷道的開挖會(huì)破壞煤(巖)體的原巖應(yīng)力狀態(tài)，使原巖應(yīng)力發(fā)生變化，在掘進(jìn)工作面前方形成應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，受集中應(yīng)力影響煤體發(fā)生擠壓變形使得巷道斷面難以維持原有形狀，故需采取相應(yīng)的措施對(duì)巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)，從而達(dá)到控制圍巖變形量的目的。確定控制巷道圍巖變形的支護(hù)方案，除需要考慮支護(hù)方式外，還需綜合考慮巷道所處環(huán)境的地應(yīng)力特征以及巷道圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)結(jié)合巷道的使用及煤礦開采的實(shí)際，最終確定理論上合理、工程上經(jīng)濟(jì)可行的支護(hù)方案。

新元煤礦9105工作面進(jìn)風(fēng)巷頂板巖性以炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，頂板淺部巖層膠結(jié)疏松，裂隙較為發(fā)育。為了掌握新開掘巷道所處的地應(yīng)力環(huán)境，有效控制巷道變形，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)，本文以新元煤礦9105工作面進(jìn)風(fēng)巷的地質(zhì)資料為背景對(duì)高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的聯(lián)合支護(hù)的加強(qiáng)支護(hù)效果進(jìn)行研究。

1 工程背景

新元煤礦9 號(hào)煤埋深為590～640 m，煤層厚度3.06～4.07 m，煤層傾角1～5°，煤層普氏系數(shù)小于1.5，屬于松軟煤層。直接頂為厚1.7 m的泥巖，其上分別為8號(hào)煤、細(xì)粒砂巖等。9105工作面進(jìn)風(fēng)巷沿煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)斷面尺寸為寬5.2 m、高3.5 m。受鄰近9104工作面采動(dòng)影響，本工作面的巷道開掘后變形嚴(yán)重，難以滿足生產(chǎn)及通風(fēng)需求。工作面布置情況如圖1所示。

圖1 9105工作面布置圖

2 地應(yīng)力及圍巖強(qiáng)度測(cè)試

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

本次測(cè)試采用小孔徑水壓致裂法，共布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，第1和第2測(cè)點(diǎn)分別位于9105工作面進(jìn)風(fēng)巷200 m處、310 m處，第3測(cè)點(diǎn)位于集中輔助運(yùn)輸大巷2 300 m處。

2.2 測(cè)點(diǎn)鉆孔結(jié)構(gòu)窺視

通過對(duì)第1測(cè)點(diǎn)鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行窺視可知，頂板以上0～2.5 m為炭質(zhì)泥巖，呈深灰色，較軟，0～0.8 m為炭質(zhì)泥巖，0.8～1.8 m為夾煤層，裂隙均較為發(fā)育；2.5～10.3 m為砂質(zhì)泥巖，呈灰色，10.3～13.3 m為泥巖，黑色，結(jié)構(gòu)完整，連續(xù)性較好；13.3～19.8 m為砂質(zhì)泥巖，夾粉砂巖。巷幫孔0～7.9 m范圍內(nèi)為夾矸，夾矸區(qū)域內(nèi)圍巖的連續(xù)性相對(duì)較好；7.9～9.8 m范圍內(nèi)為煤體，煤體膠結(jié)疏松，但完整性較好。

對(duì)第2測(cè)點(diǎn)鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)可知，頂板以上0～2.5 m為炭質(zhì)泥巖，深灰色，巖層較軟，2.5～10.4 m為砂質(zhì)泥巖，呈灰色，10.4～13.2 m為泥巖，呈灰黑色，巖層內(nèi)無明顯裂隙，完整性較好，13.2～21.3 m為砂質(zhì)泥巖，呈深灰色；煤幫淺部0～2.5 m范圍內(nèi)為矸石，2.5～3 m、4.5～5 m、8.6～9.6 m內(nèi)為煤體，夾矸層較多，巷幫孔淺部圍巖存在明顯裂隙。

對(duì)第3測(cè)點(diǎn)鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)可知，煤層頂板以上0～2.6 m為炭質(zhì)泥巖，呈深灰色，2.6～10.1 m為砂質(zhì)泥巖，呈灰色-灰黑色，水平紋理，該段巖層完整性較好。10.1～11.4 m為泥巖，呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，水平紋理，內(nèi)含少量裂隙，完整性較好。11.4～21.4 m為砂質(zhì)泥巖，呈深灰黑色；幫淺部0～1.7 m范圍內(nèi)煤層裂隙較為發(fā)育，1.7～5.3 m內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)較為完整，5.3～9.8 m煤層破碎，裂隙發(fā)育，幫部煤體完整性較差。各測(cè)點(diǎn)鉆孔窺視圖(部分)如圖2所示。

圖2 各測(cè)點(diǎn)鉆孔窺視圖

2.3 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

各測(cè)點(diǎn)的水力壓裂曲線如圖3所示。結(jié)合相關(guān)公式計(jì)算可得最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力值，如表1所示。

彈塑性理論應(yīng)力表達(dá)式：

(1)

式中：σt為切向應(yīng)力，MPa；σr為徑向應(yīng)力，MPa；a為巷道半徑，m；r為塑形區(qū)半徑，m。

原巖應(yīng)力推導(dǎo)所得應(yīng)力表達(dá)式：

σ1=K1γH

(2)

σ2=K2λγH

(3)

式中：K1、K2為應(yīng)力集中系數(shù)；H為巷道埋深，m。

圖3 各測(cè)點(diǎn)水力壓裂曲線圖

表1 三向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，3個(gè)測(cè)點(diǎn)處最大水平主應(yīng)力的方向分別為N68.1°E、N55.6°E、N77.4°E，均處于N60°E～N80°E之間，一致性較好。最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹EE向，近東西向，近似垂直9105進(jìn)風(fēng)巷兩幫。由表1可知，3個(gè)測(cè)點(diǎn)中，第1和第3測(cè)點(diǎn)的垂直主應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力，僅第2測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力。故可據(jù)此判斷，布置測(cè)點(diǎn)的區(qū)域中，地層中的應(yīng)力場(chǎng)以垂直應(yīng)力為主。由相關(guān)研究可知[2]，垂直應(yīng)力對(duì)巷道兩幫的影響較大，水平應(yīng)力對(duì)巷道頂?shù)装宓挠绊戄^大，故本次測(cè)試區(qū)域的地應(yīng)力對(duì)巷道影響較大，是兩幫產(chǎn)生變形和破壞的主要力源。同時(shí)，最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方向近似垂直巷道兩幫，故對(duì)頂?shù)装宓挠绊懸噍^大，需對(duì)該區(qū)域內(nèi)的巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

2.4 圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

在地應(yīng)力測(cè)孔中對(duì)巷道頂板以上10 m內(nèi)的煤巖石強(qiáng)度進(jìn)行原位測(cè)試。對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得區(qū)域內(nèi)頂板及煤體強(qiáng)度分布情況，各測(cè)點(diǎn)所測(cè)數(shù)據(jù)的離散性較弱，故本節(jié)選取第2測(cè)點(diǎn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

通過對(duì)第2測(cè)點(diǎn)頂板和巷幫測(cè)孔進(jìn)行原位強(qiáng)度測(cè)定，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理和計(jì)算分析可知，如圖4所示，第2測(cè)點(diǎn)處9號(hào)煤頂板以上0～2.5 m范圍內(nèi)為炭質(zhì)泥巖，巖層平均強(qiáng)度為21.14 MPa，2.5～10.0 m為砂質(zhì)泥巖，巖層平均強(qiáng)度為53.06 MPa。

圖4 第2測(cè)點(diǎn)頂板巖層強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

巷幫煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖5所示，9號(hào)煤煤體強(qiáng)度測(cè)孔中普遍存在夾矸，探針觸點(diǎn)強(qiáng)度值絕大多數(shù)集中在10～15 MPa。經(jīng)計(jì)算，9號(hào)煤強(qiáng)度平均值為13.87 MPa，第1和第2測(cè)點(diǎn)巷幫夾矸層強(qiáng)度平均為24.41 MPa。

圖5 第2測(cè)點(diǎn)巷幫煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

綜合圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果總體來看，9號(hào)煤頂板強(qiáng)度較低，裂隙發(fā)育，煤層強(qiáng)度相對(duì)偏低。

3 巷道掘進(jìn)后應(yīng)力演化情況

巷道掘進(jìn)時(shí)，圍巖因卸荷作用失去側(cè)向支撐壓力而發(fā)生變形破壞，應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，切向應(yīng)力出現(xiàn)集中。當(dāng)切向應(yīng)力超過巖體極限抗剪強(qiáng)度后會(huì)使巖體發(fā)生剪切破壞，發(fā)育裂隙并擴(kuò)展溝通。同時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力以彈性勢(shì)能的形式蓄積在巖體內(nèi)，當(dāng)蓄積的彈性勢(shì)能達(dá)到峰值后會(huì)在巖體內(nèi)瞬時(shí)釋放，使巖體發(fā)生變形破壞，發(fā)育裂隙。超前支承應(yīng)力及其隨掘進(jìn)端頭推進(jìn)過程中的變化如圖6所示。

圖6 巷道超前支承應(yīng)力變化規(guī)律圖

4 高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理

巷道開掘后，圍巖中巖層間的抗剪切能力降低，易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，會(huì)增加發(fā)生剪切破壞的可能性，故對(duì)錨桿、錨索施加高預(yù)應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)在于可提高端部的壓應(yīng)力，擴(kuò)大壓應(yīng)力區(qū)的范圍，對(duì)錨桿(索)之間的圍巖起到更為明顯的主動(dòng)支護(hù)作用[3-4]。錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)的顯著優(yōu)勢(shì)即為提高層間的抗剪切強(qiáng)度，加大錨固范圍，將更多的巖體錨固在一起，形成一個(gè)組合梁，層間結(jié)構(gòu)面處的的連續(xù)性提高，傳遞力的能力和抗剪切強(qiáng)度得到提升，巷道變形得到有效控制，斷面處圍巖的強(qiáng)度得到提升，應(yīng)力集中程度降低，且在斷面巖體發(fā)生塑性破壞前向圍巖的深部轉(zhuǎn)移[5]。

5 高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方案設(shè)計(jì)及效果分析

5.1 高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基于對(duì)大斷面軟弱煤巷支護(hù)需求的分析，結(jié)合高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮將高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，可以同時(shí)滿足大斷面巷道圍巖變形和破壞范圍大、軟弱煤巷強(qiáng)度低抗剪切能力差的巷道對(duì)支護(hù)作業(yè)的要求。

設(shè)計(jì)優(yōu)化后，頂部采用SKP21.6-1/1860-8300錨索，幫部采用SKP17.8-1/1860-4200錨索，配合BHRB500鋼材制成的D22 mm×2 400 mm錨桿，如圖7所示。要求錨桿安裝期間扭力矩為500 N·m，頂錨索張拉預(yù)緊力為300 kN、幫錨索張拉預(yù)緊力為200 kN。

圖7 9105工作面進(jìn)風(fēng)巷巷道支護(hù)圖(mm)

5.2 高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方案效果分析

根據(jù)地應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果分析以及5.1中對(duì)大斷面軟弱煤巷支護(hù)需求和高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)優(yōu)勢(shì)的分析，在9105工作面進(jìn)風(fēng)巷開展高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)的工程應(yīng)用。而后監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括支護(hù)體的受力變形特性。

1) 頂板錨桿(索)受力分析。通過頂板錨桿受力分析可知，錨桿在巷道掘進(jìn)期間的受力整體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，故可佐證錨桿對(duì)維護(hù)巷道頂板的完整性和穩(wěn)定性起到了重要的作用。錨桿早期受力較大，能有效控制圍巖變形，提高圍巖的連續(xù)性和層間的粘聚力，起到及時(shí)主動(dòng)支護(hù)的目的。

巷道掘進(jìn)期間，錨索受力呈現(xiàn)波動(dòng)變化，整體趨勢(shì)較為平穩(wěn)，說明錨索受掘進(jìn)動(dòng)壓影響時(shí)的變化較為穩(wěn)定，由圖8可知，滯后掘進(jìn)迎頭小于30 m時(shí)，錨索受力增長(zhǎng)的波動(dòng)性較小，滯后掘進(jìn)迎頭30 m之后，錨索受力起伏相對(duì)較大，但總體受力較為穩(wěn)定。故可知，錨索除受施工時(shí)施加的高預(yù)緊力外，幾乎沒有外力對(duì)其受力產(chǎn)生影響。

圖8 頂板錨桿(索)受力圖

2) 巷幫錨桿(索)受力分析。巷道掘進(jìn)期間，掘進(jìn)動(dòng)壓對(duì)巷幫煤體的擾動(dòng)較大，巷幫錨桿的受力變化趨勢(shì)為先減小后增大，再減小。在錨桿的合理受力范圍內(nèi)，巷幫錨桿的受力總體呈漸增的趨勢(shì)，滯后掘進(jìn)迎頭約50 m，錨桿受力增長(zhǎng)速率較大，之后增速放緩，最終趨于穩(wěn)定。說明巷幫采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后有效抑制了圍巖的變形，使圍巖保持了更高的穩(wěn)定性，如圖9所示。

圖9 巷幫錨桿(索)受力圖

巷幫錨索受力增速突變點(diǎn)在距離掘進(jìn)迎頭約30 m處?？纱_定巷幫在掘進(jìn)動(dòng)壓的擾動(dòng)作用下產(chǎn)生了變形，錨索受力增大，表明高預(yù)應(yīng)力使錨索端頭產(chǎn)生了壓應(yīng)力區(qū)，其對(duì)圍巖變形起到了相當(dāng)程度的控制作用。

6 結(jié) 語

1) 根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，判定測(cè)試區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)屬于中高等應(yīng)力值區(qū)域；

2) 9號(hào)煤層測(cè)點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)以自重應(yīng)力場(chǎng)為主，垂直應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)；

3) 直接頂巖體平均強(qiáng)度為23.37 MPa，基本頂巖體平均強(qiáng)度為53.51 MPa，兩幫巖體平均強(qiáng)度為24.41 MPa；

4) 高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)可提高端部的壓應(yīng)力，擴(kuò)大壓應(yīng)力區(qū)的范圍，提高被緊固巖層間的抗剪切能力，加大錨固范圍，對(duì)錨桿(索)之間的圍巖起到更為明顯的主動(dòng)支護(hù)作用；

5) 依據(jù)高預(yù)應(yīng)力聯(lián)合支護(hù)機(jī)理，制定了頂?shù)装搴蛢蓭偷穆?lián)合加強(qiáng)支護(hù)方案，并開展工業(yè)應(yīng)用，取得了預(yù)期的支護(hù)效果。