原少宏

（晉能控股裝備制造集團(tuán)有限公司寺河煤礦二號(hào)井，山西 晉城 048019）

1 工程概況

寺河煤礦二號(hào)井隸屬于山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)，現(xiàn)主采9#煤層。煤層厚度0.58～1.50 m，均厚1.10 m，屬于薄煤層，煤層傾角2°～13°，平均傾角3°，總體較穩(wěn)定，基本無夾矸層，層理不發(fā)育，但節(jié)理和裂隙比較發(fā)育，強(qiáng)度較低。煤層直接頂為粉砂巖，均厚3.9 m，普氏硬度系數(shù)為3，抗壓強(qiáng)度為31.3 MPa，抗剪強(qiáng)度為8.4 MPa，屬Ⅱ類中等穩(wěn)定直接頂；基本頂為細(xì)砂巖，均厚5.30 m，普氏硬度系數(shù)為6，抗壓強(qiáng)度為28.8 MPa，抗剪強(qiáng)度為4.76 MPa，屬于穩(wěn)定巖層，Ⅲ類穩(wěn)定頂板；直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚3.50 m，普氏硬度系數(shù)為2，抗壓強(qiáng)度為25.25 MPa，抗剪強(qiáng)度為2.93 MPa，屬Ⅰ類較穩(wěn)定底板；基本底為細(xì)砂巖，平均厚度為3.00 m，強(qiáng)度與基本頂細(xì)砂巖一致，屬Ⅲ類穩(wěn)定底板。

94316 工作面回采巷道沿煤層底板破頂掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，巷道寬4.2 m，高2.4 m，遠(yuǎn)高于煤層厚度，屬于典型的半煤巖巷道。鑒于該半煤巖回采巷道頂板較堅(jiān)硬，而煤層和底板較軟弱，具有一定的特殊性，需對(duì)其合理的支護(hù)方案展開研究[1-4]。

2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

2.1 圍巖鉆孔窺視

在94316 工作面回采巷道頂板及兩幫打鉆，使用礦用鉆孔窺視儀對(duì)孔內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育情況進(jìn)行觀測(cè)。由觀測(cè)結(jié)果得知，巷道頂板整體較完好，僅有幾處較短的縱向裂隙，這是由于其直接頂為強(qiáng)度較高的粉砂巖，且厚度適中，因此不易破壞。而兩幫的情況并不理想，由于煤體強(qiáng)度較低，在壓力作用下變得破碎，導(dǎo)致巷幫上部巖層中也出現(xiàn)了縱向裂隙，部分區(qū)域巷幫內(nèi)部有離層的趨勢(shì)，其破壞深度大致為1.1～1.3 m 之間。巷道圍巖產(chǎn)生縱向裂隙的主要原因是由于在覆巖載荷的作用下，圍巖發(fā)生剪切破壞。另外，巷道開挖后，巷幫形成自由面，在水平構(gòu)造應(yīng)力的作用下，開始釋放應(yīng)力，導(dǎo)致兩幫圍巖向中間移動(dòng)變形，加之支承壓力影響，極易形成環(huán)向裂隙，嚴(yán)重影響巷道穩(wěn)定性。

2.2 超聲探測(cè)儀觀測(cè)

利用U510 非金屬超聲探測(cè)儀對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行觀測(cè)，在距掘進(jìn)工作面正頭10 m 及60 m 各布置一個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站含兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于巷道兩幫的中間。觀測(cè)結(jié)束后，選取具有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)孔內(nèi)的聲波速度可以反映出圍巖的完整性是否遭到破壞。各測(cè)點(diǎn)的聲波速度變化曲線如圖1。

圖1 測(cè)孔聲波速度變化曲線

由圖1 可知，隨著孔深的增加，聲波的速度也隨之增快，在0～1.2 m 范圍內(nèi)的波速較小，且基本穩(wěn)定，而距孔口超過1.2 m 后，波速大幅度增加，測(cè)孔1.2 m 范圍后的平均波速為1.6 km /s。這說明巷道1.2 m 范圍內(nèi)的煤巖體發(fā)生了明顯破壞，1.2 m范圍外的煤巖體完整性較好。結(jié)合鉆孔窺視結(jié)果可以確定出圍巖松動(dòng)圈的范圍為0～1.3 m。

3 半煤巖巷道支護(hù)機(jī)理

3.1 巷道頂板支護(hù)機(jī)理分析

巷道頂板巖層較堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，完整性未受到明顯破壞，且井下水平主應(yīng)力方向與煤層傾向一致，對(duì)頂板的影響較小。因此，頂錨桿支護(hù)形式主要以懸吊作用來確定，為防止頂板各巖層之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，錨桿需具有較高的抗剪強(qiáng)度。另外，為了避免應(yīng)力在巷幫肩窩處集中，造成肩窩剪切破壞，需在肩窩處按一定角度安裝錨桿，以此將上方承載結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)從肩窩處轉(zhuǎn)移到兩幫深部。

3.2 巷道兩幫支護(hù)機(jī)理分析

隨著工作面的推進(jìn)，在支承壓力的作用下，巷幫煤體向自由空間發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致巷道斷面逐漸縮小。另外，由于半煤巖巷道中煤體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于頂?shù)装鍙?qiáng)度，且煤層與巖層間粘結(jié)力較低，易造成兩幫煤體與頂?shù)装鍘r層間出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，并向巷道內(nèi)部擠出，使得巷道變形進(jìn)一步加重。因此，控制巷幫變形的關(guān)鍵，是需要防止錨桿錨固范圍內(nèi)的煤體剪切破壞面進(jìn)一步擴(kuò)張。如圖2 所示，控制剪切破壞，需增大煤體在2 類剪切滑移面上的正應(yīng)力，并減小剪應(yīng)力。在打幫錨桿時(shí)安裝木托板，可使得錨桿的約束力在第一類滑移面上沿法向和切向分解，相應(yīng)地提高了正應(yīng)力，減小了切應(yīng)力，另外錨桿桿體的抗剪強(qiáng)度也可削弱2 類滑移面上的剪應(yīng)力。以此控制巷幫深部煤體在工作面回采過程中擠出。

圖2 兩類剪切滑移面

4 數(shù)值模擬分析及支護(hù)方案

4.1 模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及煤層賦存情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究分析不同錨桿間排距的支護(hù)效果。為消除邊界效應(yīng)的影響，模型整體尺寸設(shè)計(jì)為：長×寬×高=150 m×150 m×100 m，對(duì)研究區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密劃分，計(jì)算的本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，模擬中煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

4.2 模擬結(jié)果分析

（1）保持錨桿排距不變，通過改變錨桿間距來研究其對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，模擬結(jié)果如圖3。由圖3 可以看出，將錨桿間距由1000 mm 逐漸減小至800 mm 時(shí)，大幅度減小了巷道頂板的變形量，其最大下沉量由357 mm 下降至238 mm，減小了33.3%。繼續(xù)降低錨桿間距時(shí)，頂板的下沉量變化幅度已趨于平穩(wěn)，控制頂板的作用已不明顯，錨桿密度過高反而會(huì)導(dǎo)致頂板破碎。因此確定合理的錨桿間距為800 mm，此時(shí)巷道頂板的變形滿足生產(chǎn)需要。

圖3 不同錨桿間距下的頂板位移云圖

（2）保持錨桿間距不變，通過改變錨桿排距來研究其對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，模擬結(jié)果如圖4。由圖4 可以看出，將錨桿排距由1000 mm 逐漸減小至800 mm 時(shí)，頂板最大下沉量由318 mm 下降至207 mm，減小了35.0%，而繼續(xù)降低錨桿排距對(duì)控制頂板的作用已不明顯。錨桿排距為800 mm 時(shí)的巷道頂板的變形程度可以滿足生產(chǎn)需要。

圖4 不同錨桿排距下的頂板位移云圖

4.3 支護(hù)方案

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果及數(shù)值模擬分析，提出“錨桿+金屬網(wǎng)+工字鋼”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。頂板采用螺紋鋼錨桿支護(hù)，錨桿規(guī)格為20 mm×2000 mm，間排距為800 mm×800 mm，每排安裝5 根錨桿，頂板最兩端的角錨桿分別向巷幫傾斜15°安裝。主幫采用高強(qiáng)度玻璃鋼錨桿+塑鋼網(wǎng)+木托板支護(hù)，副幫采用螺紋鋼錨桿+金屬網(wǎng)+木托板支護(hù)，兩幫錨桿直徑均為20 mm，長度均為1600 mm，間排距均為800 mm×800 mm，最底排幫錨桿均向下傾斜15°安裝。巷道支護(hù)斷面圖如圖5。

圖5 巷道支護(hù)斷面圖（mm）

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

采用十字布點(diǎn)法在距掘進(jìn)面正頭每隔100 m 布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道圍巖的變形量進(jìn)行觀測(cè)。受采動(dòng)影響，圍巖的變形量逐漸增大，前期變化幅度較大，后逐漸趨于平穩(wěn)，頂?shù)装遄畲笞冃瘟考s為107 mm，兩幫最大變形量約為131 mm，滿足礦井安全生產(chǎn)要求，該方案有效控制了巷道圍巖的變形。

6 結(jié)論

（1）通過鉆孔窺儀及超聲波檢測(cè)儀對(duì)巷道圍巖的裂隙發(fā)育程度進(jìn)行了觀測(cè)，得出圍巖松動(dòng)圈范圍為0～1.3 m，并結(jié)合9#煤層的賦存條件對(duì)半煤巖巷道的支護(hù)機(jī)理進(jìn)行了分析，得出巷幫的支護(hù)關(guān)鍵在于控制好2 類剪切滑移面。

（2）利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了不同錨桿間排距下的頂板下沉情況，得出合理的頂錨桿間排距為800 mm×800 mm，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件確定出支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明該方案控制效果較好，保證了井下安全高效生產(chǎn)。