劉振華

（晉能控股煤業(yè)集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

1 工程概況

東周窯煤礦8106 工作面位于石炭系太原組5 號層一盤區(qū)，工作面西北側(cè)為8102 工作面采空區(qū)，回風(fēng)巷與采空區(qū)間的煤柱寬度為6 m，工作面平面位置如圖1 所示。8106 工作面開采C5 號煤層，煤層厚度5.86～7.93 m，平均厚度6.90 m，平均傾角5°，煤層頂板為砂巖，底板巖層為細砂巖。5106 回風(fēng)巷主要為8106 工作面提供行人和回風(fēng)服務(wù)，由于巷道掘進時會通過斷層和淋水等特殊地段，現(xiàn)為保障5106 回風(fēng)巷圍巖的穩(wěn)定，特進行圍巖強度測試及支護方案的設(shè)計研究。

圖1 8106 工作面巷道布置圖

2 圍巖強度分析與支護原則

2.1 圍巖強度分析

為掌握工作面區(qū)域圍巖強度，采用WQCZ-56型圍巖強度測定裝置進行圍巖強度測試，圍巖測試在5106 回風(fēng)順槽頂板和兩幫上進行布置[1-3]，圍巖強度測試原理如圖2 所示。

圖2 圍巖強度測定原理示意圖

根據(jù)圍巖強度的測定結(jié)果，得出5106 回風(fēng)順槽頂板和兩幫圍巖強度測定曲線如圖3 所示。

通過分析圖3 和煤巖體窺視結(jié)果可知，巷道圍巖頂板巖性強度變化較大，淺部1.2 m 處最高達到80 MPa，而最低處5.6 m 強度經(jīng)緯12.57 MPa，從圍巖窺視圖可見該處存在煤線，總體來看，頂板強度變化起伏較大，巖層厚度和巖性變化較大，對巷道支護提出較高要求；從兩幫圍巖強度曲線可以看出淺部0～1.6 m 范圍內(nèi)巷幫煤體強度較小，平均13.6 MPa，隨著深度的增加，幫部煤體強度隨之增大，1.6～4.0 m范圍內(nèi)煤體強度達到20 MPa，說明巷幫強度和穩(wěn)定性有所提高，但是巷道煤幫在6 m 深度強度大幅降低，從窺視圖可以看出，該處巷幫存在空洞和內(nèi)息，對于后期小煤柱巷幫的維護存在一定影響。

圖3 5106 回風(fēng)順槽兩幫煤體強度測試曲線

2.2 支護原則

根據(jù)8106 工作面的地質(zhì)生產(chǎn)條件，結(jié)合5106回風(fēng)順槽圍巖強度測試分析結(jié)果，設(shè)計巷道采用錨網(wǎng)索支護，支護原則如下：

1）一次支護：采用錨網(wǎng)索支護時，應(yīng)盡可能的在一次支護時達到保障圍巖穩(wěn)定的目的，避免巷道由于動壓影響變形導(dǎo)致其無法滿足使用要求而進行二次或多次支護[4-5]；巷道在揭露時采用錨桿支護的效果最佳，當(dāng)巷道圍巖已經(jīng)出現(xiàn)破壞或離層后此時進行而二次或多次支護時，支護效果會大幅降低。

2）高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴散原則。錨桿主動支護的效果是通過預(yù)應(yīng)力在圍巖體內(nèi)的擴散實現(xiàn)，通過對錨桿索施加高預(yù)應(yīng)力，可提升錨桿支護的整體剛度和完整性[6-7]。

3）“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。

4）臨界支護強度與剛度原則：巷道采用錨桿索支護時，若圍巖的臨時支護強度低于臨界值時，此時巷道圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，支護結(jié)構(gòu)無法保障圍巖的穩(wěn)定，需保障支護強度和剛度大于臨時值，方能保障圍巖穩(wěn)定[8]。

3 支護方案及效果

3.1 支護方案

根據(jù)8106 工作面的5106 回風(fēng)巷主要為工作面提供回風(fēng)、行人等服務(wù)，巷道沿煤層底板掘進，掘進斷面為矩形，掘進寬度×高度= 5 000 mm×3 800 mm，根據(jù)上述支護原則，結(jié)合圍巖強度分析結(jié)果，設(shè)計巷道頂板采用全錨索支護，為在頂板巖層不同深度形成主動支護，設(shè)計頂板采用長短錨索相結(jié)合的支護方式，兩幫采用錨桿+短錨索的支護方式，具體支護方案如下：

1）頂板支護：頂板錨索采用1×7 股高強度低松弛鋼絞線，長短錨索規(guī)格分別為21.8 mm×7 200 mm 和21.8 mm×5 200 mm 的錨索，頂板短錨索每排布置5 根，間排距1 100 mm×800 mm。長錨索布置在2 排短錨索之間，間排距2 200 mm×800 mm，錨索均垂直頂板布置，短錨索和長錨索間均通過W型鋼帶進行連接，W 型鋼帶為長度×寬度×厚度=4 700 mm×280 mm×4 mm，錨索采用樹脂加長錨固，預(yù)緊力300 kN，巷道表面采用金屬網(wǎng)進行護表。

2）巷幫支護：錨桿采用螺紋鋼錨桿，規(guī)格為20 mm×2 400 mm，間排距1 000 mm×800 mm，采用樹脂加長錨固，錨桿間采用規(guī)格為長度×寬度×厚度= 450 mm×280 mm×4 mm 的W 鋼護板護幫，錨桿均垂直巷幫布置，錨桿預(yù)緊扭矩為450 N·m，幫錨索采用規(guī)格為17.8 mm×4 200 mm 的1 7 股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度4 200 mm，錨索采用“二一二一”布置幫錨索，排距900 mm，間距2 000 mm。錨索均垂直煤壁打設(shè)，幫錨索預(yù)緊力為200 kN。巷幫表面同樣采用金屬網(wǎng)進行護表。

具體5106 回風(fēng)巷錨網(wǎng)索支護斷面如圖4 所示。

圖4 5106 回風(fēng)巷支護斷面圖

3.2 效果分析

5106 回風(fēng)巷掘進期間，巷道內(nèi)每間隔50 m 布置一組礦壓監(jiān)測站，監(jiān)測內(nèi)容包括圍巖變形量、錨桿索受力情況，其中圍巖變形量采用十字布點法進行量測，錨桿索受力情況采用錨桿索測力計進行監(jiān)測，根據(jù)巷道掘進期間的觀測數(shù)據(jù)能夠得出圍巖變形曲線和錨桿索受力曲線。

1）圍巖變形情況分析：根據(jù)5106 回風(fēng)巷掘進期間的圍巖變形數(shù)據(jù)，繪制出圍巖變形曲線見圖5。

圖5 圍巖變形曲線圖

分析圖5 可知，5106 回風(fēng)巷掘進期間，巷道頂板的最大下沉量為32 mm，左幫最大變形量為38 mm，右?guī)妥畲笠平繛?6 mm，巷道整體變形小。另外現(xiàn)場來看巷道頂板完整，兩幫整齊，說明巷道掘進期間圍巖變形量得到有效的控制。

2）錨索受力情況分析：巷道頂板監(jiān)測4 根錨索，其中3 根短錨索，1 根長錨索，巷道左幫監(jiān)測2 根錨索，右?guī)捅O(jiān)測1 根錨索，具體錨索受力曲線見圖6。

圖6 巷道掘進期間錨索受力曲線圖

分析圖6 可知，頂錨索初始預(yù)緊力損失之后初始受力達到120～200 kN 之間，平均值為160 kN，掘進初期受掘進影響波動較大，之后錨索受力波動較小，最終頂錨索受力保持在123～180 kN 之間，平均值為151 kN。幫錨索由于煤壁較軟以及預(yù)應(yīng)力損失，幫錨索獲得初始預(yù)緊力在20～97 kN 范圍之間，平均值約58.5 kN，掘進初期幫錨索受掘進影響受力變化較大，之后幫錨索受力變化幅度趨為穩(wěn)定，最終幫錨索工作阻力保持在20～143 kN 范圍之間，平均值為81.5 kN。

3）幫錨桿受力情況分析：巷道左右兩幫分別監(jiān)測1 根錨桿的受力情況，具體錨桿受力曲線見圖7。

圖7 巷道掘進期間巷幫錨桿受力曲線圖

分析圖7 可知，幫錨桿獲得初始預(yù)緊力在55 kN左右，通過數(shù)據(jù)得出幫錨桿受力隨著工作面的推進呈現(xiàn)穩(wěn)步下降趨勢，最終錨桿受力在30 kN 左右。

綜合上述分析可知，巷道掘進初期錨桿錨索受力變化大，受掘進影響明顯，整體數(shù)據(jù)表明5106 巷錨桿和錨索的受力達到設(shè)計要求，錨桿和錨索預(yù)緊力大幅增加，實現(xiàn)了及時主動的支護效果。

4 結(jié) 論

根據(jù)8106 工作面的地質(zhì)賦存特征，通過現(xiàn)場圍巖強度測試得出工作面回采巷道圍巖強度低，需要較高的支護要求，基于圍巖強度測試結(jié)果，確定巷道的各項支護原則，結(jié)合5106 回風(fēng)巷的具體參數(shù)，設(shè)計巷道頂板采用長短錨索支護，兩幫采用錨桿+短錨索支護，根據(jù)巷道掘進期間的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，巷道在該支護方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。