于 敏

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

8103工作面回風(fēng)巷采用小煤柱沿空掘巷，煤柱寬度為6 m，在原支護(hù)設(shè)計時，巷道壓力顯現(xiàn)明顯，巷道變形嚴(yán)重。通過支護(hù)優(yōu)化設(shè)計，并在掘進(jìn)期間通過礦壓綜合監(jiān)測，巷道變形得到有效控制[1]。

1 概況

同發(fā)東周窯礦山4#層8103綜放工作面地面標(biāo)高1409～1453 m，井下標(biāo)高907～939 m，蓋山厚度為502～514 m。8103工作面開采二疊系下統(tǒng)山西組4#煤層，北部為山4#層一盤區(qū)三條采區(qū)巷道，西部為山4#層一盤區(qū)8102工作面采空區(qū)，5103巷與8102工作面2102巷間隔6 m保護(hù)煤柱，南部及東部均為實煤區(qū)，如圖1。4#煤層總厚度4.12～10.3 m，平均7.21 m，純煤厚度為6.63 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層傾角0°～10°，平均5°。根據(jù)工作面周邊地質(zhì)鉆孔柱狀圖和5103回風(fēng)巷揭露綜合分析，山4#煤層含夾矸2～4層，最大為2.4 m，最小為0.4 m，巖性多為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖、煌斑巖。煤層基本頂為細(xì)粒砂巖，厚度為21.6～36.1 m，平均28.81 m，中夾薄層細(xì)砂巖；直接頂為炭質(zhì)泥巖，厚度為0.3～3.9 m，平均2.61 m，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部火成巖侵入；直接底為粉砂巖，厚度為4.1～8.9 m，平均6.5 m，深灰色-灰黑色，巨厚層狀，水平層理發(fā)育；基本底為中砂巖含礫粗砂巖，厚度45.1～53.1 m，平均49.1 m，巨厚層狀。

圖1 8103工作面布置圖

根據(jù)鄰面8102面回采期間揭露以及鉆孔煤層結(jié)構(gòu)看，該工作面局部地區(qū)有煌斑巖侵入。斷層附近圍巖破碎，對掘進(jìn)造成一定的影響，在掘進(jìn)過程中應(yīng)加強(qiáng)巷道頂板支護(hù)。該區(qū)域煌斑巖侵入煤層，煌斑巖厚度不穩(wěn)定，需加強(qiáng)對煤層厚度探測，確保巷道沿煤層底板掘進(jìn)。

2 8103工作面回風(fēng)巷原支護(hù)方案

2.1 原支護(hù)設(shè)計方案

8103回風(fēng)巷巷道支護(hù)如圖2。頂板支護(hù)以錨索為主要支護(hù)形式，加以金屬網(wǎng)輔助維護(hù)頂板，具體支護(hù)參數(shù)見表1。

圖2 8103工作面回風(fēng)巷原支護(hù)設(shè)計示意圖（mm）

表1 回風(fēng)巷原支護(hù)參數(shù)

其中兩根靠近煤幫的錨索與頂板的夾角為70°～80°，錨索與煤幫間的距離為0.2 m，其余四根錨索均與頂板保持垂直，兩幫的錨索托盤長邊與巷道走向保持一致，其余錨索托盤布置方式則為縱橫交替。

幫部支護(hù)以錨桿、錨索為主要支護(hù)形式，加以金屬網(wǎng)輔助維護(hù)兩幫煤墻，幫部支護(hù)排距為0.9 m，錨索直徑為17.8 mm，長度為4300 mm；錨桿直徑為18 mm，長度為2400 mm，三根錨索、錨桿的間距依次為0.6 m、0.8 m、0.9 m，托板均縱向布置。

2.2 原支護(hù)方案礦壓顯現(xiàn)情況

8103回風(fēng)巷巷道已掘進(jìn)300 m，受臨近8102工作面回采后的動壓影響，統(tǒng)計8103回風(fēng)巷變形段的情況，發(fā)現(xiàn)8103回風(fēng)巷整體變形較為顯著，巷道掘進(jìn)期間，由于圍巖松軟嚴(yán)重，片幫冒頂頻繁，井下煤炮頻繁。為改善相關(guān)狀況，在掘進(jìn)前超前布孔注漿，對壓力大的地段采取了用9.3 m的錨索進(jìn)行補強(qiáng)。巷道支護(hù)成本較高，但效果一般。

3 回風(fēng)巷支護(hù)優(yōu)化后設(shè)計方案

3.1 耦合均讓壓支護(hù)設(shè)計

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論和現(xiàn)場經(jīng)驗，巷道開挖后在巷道圍巖將產(chǎn)生松散區(qū)、塑性變形區(qū)和彈性區(qū)。支護(hù)系統(tǒng)將經(jīng)受圍巖的變形過程并在該過程中承載，支護(hù)體的受力大小和允許圍巖變形關(guān)系密切，容許變形過大或過小，均會影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)彈塑性理論，圍巖變形和應(yīng)力關(guān)系如下：

式中：pa為圍巖應(yīng)力（支護(hù)阻力），MPa；ur0為圍巖表面位移，mm；r0為巷道等效區(qū)半徑，m；c為巖石內(nèi)聚力，MPa；σz為和采深成正比的垂直應(yīng)力，MPa；μ為泊松比，取0.5；E為塑性區(qū)平均變形模量，取1.96×104MPa；φ為巖石內(nèi)摩擦角，（°）。

根據(jù)礦井煤層物理力學(xué)特征和采礦條件，在上述公式的基礎(chǔ)上做出圍巖表面位移和支護(hù)阻力特性曲線，如圖3。

圖3 圍巖表面位移和支護(hù)阻力特性曲線

在采深較大的情況下，必須讓圍巖在一定程度內(nèi)發(fā)生變形，在巷道支護(hù)系統(tǒng)內(nèi)支護(hù)變形和支護(hù)阻力必須和圍巖的變形形成耦合。固在大采深條件下必須采用適當(dāng)?shù)鸟詈献尵鶋菏侄巍?/p>

3.2 正常地段8103回風(fēng)巷錨桿支護(hù)初始設(shè)計

（1）頂板支護(hù)

錨索具體參數(shù)：錨索的安裝應(yīng)力大于16 t；錨索直徑21.8 mm；采用19股預(yù)應(yīng)力鋼絞線；配件為錨具、球墊圈、26-30TB讓壓管；托盤280 mm×270 mm×14 mm高強(qiáng)可調(diào)心拱形錨索托板，與JM錨索梁配套使用；錨索布置為每排6根，錨索排距為1000 mm，間距1000 mm；每套錨索采用2支錨固劑，一支MSCK2360，一支MSZ2360，錨固長度1486 mm；錨索方向全部垂直于頂板。

JM6高強(qiáng)型錨索梁厚度為6 mm，每米質(zhì)量為18.7 kg，每米護(hù)頂面積2.5×105mm2，抗彎截面模量8781 mm3，最大承載能力（2000 mm間排距）1575 kg[2-3]。

（2） 巷幫支護(hù)

錨索具體參數(shù)：錨索的安裝應(yīng)力大于10～12 t；錨索直徑17.8 mm；錨索為7股預(yù)應(yīng)力鋼絞線；配件為索具、球墊圈、21-5T讓壓管；托盤300 mm×300 mm×12 mm 高強(qiáng)JM托盤；錨索布置兩幫各3根，錨索排距為1100 mm，間距900 mm，上部錨索距頂板距離為400 mm。

錨 固 劑：每 套 錨 索 采 用1支，一 支MSZ23120。

鉆頭直徑：28 mm。

8103回風(fēng)巷錨桿錨索支護(hù)布置如圖4[4]。

圖4 8103工作面回風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)設(shè)計示意圖（mm）

3.3 巷道礦壓監(jiān)測結(jié)果

在8103回風(fēng)巷中設(shè)置了2個綜合監(jiān)測測站，1#和2#測站巷道礦壓綜合監(jiān)測測站分別位于8103回風(fēng)巷道頂板新支護(hù)第75排鋼帶和第127排鋼帶處，每個測站包括巷道表面位移量測點、頂板離層儀和錨桿錨索受力監(jiān)測[5]（錨索測力計編號說明：頂錨索從左到右依次標(biāo)號，幫錨索從上到下依次標(biāo)號）。如圖5～圖7。

圖5 1#測站巷道表面位移監(jiān)測曲線

圖6 1#測站頂錨索受力監(jiān)測曲線

圖7 1#測站幫錨索受力監(jiān)測曲線

對1#測站巷道表面位移的監(jiān)測得出：1#測站巷道頂板的最大下沉量為14 mm，頂板變形量占據(jù)巷道高度的比例很??；左幫最大變形量為32 mm，兩幫最大移近量為64 mm，兩幫變形整體也很小。從頂錨索受力圖可以看出，1#測站頂錨索受力較穩(wěn)定，從現(xiàn)場看頂板整體平整，說明頂板受力較穩(wěn)定，支護(hù)效果較好。從幫錨索受力圖可以看出，幫錨索整體受力較穩(wěn)定，從現(xiàn)場看兩幫煤壁沒有較大擠出和出現(xiàn)網(wǎng)兜等情況，支護(hù)效果較好。通過錨索受力情況發(fā)現(xiàn)，8103回風(fēng)巷兩幫受力主要集中在中部錨索上。

4 結(jié)論

（1）8103工作面回風(fēng)巷設(shè)計采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，可有效解決6 m小煤柱在沿空掘巷時礦壓顯現(xiàn)所帶來的巷道變形問題。

（2）在工作面掘進(jìn)期間，采用原支護(hù)方案的巷道變形顯著，變形主要體現(xiàn)在：頂板下沉、兩幫外移，而且位移量較大，最大位移達(dá)0.4 m，頂下沉達(dá)0.5 m。采用優(yōu)化后的設(shè)計方案，頂板下沉量和煤幫位移量較小，巷道頂板完整，兩幫整齊，說明巷道掘進(jìn)期間圍巖變形得到有效的控制。