李東陽

（山西嵐縣昌恒煤焦有限公司，山西 嵐縣 033500）

1 工程概況

昌恒煤礦主采4#和9#煤層，9#煤層上距4#煤層底58.60～78.56 m，平均為67.70 m。礦井二采區(qū)位于礦井南部（F1 斷層以南），采區(qū)東部、南部和西部以本礦井田邊界為界，北部以F1 斷層保護(hù)煤柱線為界。4202 工作面位于9204 工作面上方，9204 工作面于2010 年11 月已回采完畢。4202 工作面計(jì)劃先施工兩條探煤巷，待2 條探煤巷、開切眼貫通形成4202 工作面后，1#探煤巷作為4202 工作面風(fēng)巷使用，2#探煤巷作為4202 工作面機(jī)巷使用。根據(jù)4#煤層掘進(jìn)巷道是否經(jīng)過9#煤采空區(qū)上方，將其分為實(shí)體煤段部分和蹬空區(qū)段部分。其中1#探煤巷蹬空區(qū)段部分長(zhǎng)度為920 m，2#探煤巷蹬空區(qū)段部分長(zhǎng)度為610 m。具體探煤巷蹬空區(qū)域位置如圖1。為保障探煤巷蹬空段圍巖的穩(wěn)定，需進(jìn)行蹬空區(qū)圍巖控制技術(shù)研究。

圖1 4202 工作面探煤巷蹬空區(qū)位置示意圖

2 巷道賦存特征及支護(hù)原則

為掌握4202 工作面圍巖的賦存情況，分別采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方式進(jìn)行圍巖特征分析，具體分析過程如下：

（1）數(shù)值模擬。根據(jù)礦井地質(zhì)條件，以二采區(qū)4#煤層和9#煤層工作面工程地質(zhì)條件為研究背景，采用3DEC 數(shù)值模擬軟件對(duì)9#煤層開采后的“三帶”分布對(duì)4#煤層的影響進(jìn)行分析，研究9#煤層開采后的覆巖載荷分布規(guī)律。數(shù)值模擬模型如圖2。

圖2 三維數(shù)值模型

數(shù)值模擬方案如下：（a）沿9#煤層工作面推進(jìn)方向開挖100 m，開挖高度5 m，模擬計(jì)算5000 步。（b）模擬過程中在9#煤層工作面推進(jìn)方向距邊界150 m 處布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)巷道在受采動(dòng)影響過程中的應(yīng)力場(chǎng)以及位移場(chǎng)變化情況。具體模擬結(jié)果如圖3。

圖3 垂直位移及垂直應(yīng)力云圖

分析圖3 可知，9#煤層開采后，上覆巖層發(fā)生下沉，最大下沉量為10 m，位于模型中部位置。4#煤層位置下沉量約為8 m，且處于9#煤層開采后的裂隙帶中上部。9#煤層開采后，上覆巖層的應(yīng)力分布發(fā)生變化，最大應(yīng)力為30.72 MPa，位于模型中部位置。4#煤層位置處受到約5 MPa 的應(yīng)力影響，受采動(dòng)影響較大。

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)4#煤層位置受到采動(dòng)影響有一定破壞，但整體完整性相對(duì)較好，而受9#煤層開采的影響，各巖層具有不同程度的破壞，4#煤層應(yīng)力狀態(tài)得到改善，尤其水平應(yīng)力得到顯著減小，巖層仍然保持層狀結(jié)構(gòu)，具有一定的承載能力[1-3]。

（2）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。為掌握4#煤層頂板巖層特征，現(xiàn)采用鉆孔窺視儀進(jìn)行煤層頂板巖層的窺視分析，在工作面蹬空段進(jìn)行鉆孔窺視，選取BK3 號(hào)、BK4號(hào)和BK5 號(hào)鉆孔觀測(cè)窺視結(jié)果進(jìn)行具體分析。

分析圖4 可知，9#煤層的開采使4#煤層處于裂隙帶中上部，4#煤層及圍巖遭到一定程度破壞，裂隙交錯(cuò)發(fā)育，但煤巖層狀結(jié)構(gòu)依然存在，錨網(wǎng)索支護(hù)能滿足支護(hù)要求，但在掘進(jìn)中存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：① 4#煤受9#煤層開采破壞影響，位于9#煤層采動(dòng)裂隙發(fā)育帶內(nèi)，掘進(jìn)巷道圍巖的穩(wěn)定性相對(duì)較差，尤其頂板較為顯著，需形成穩(wěn)定的圍巖組合結(jié)構(gòu)。② 4#煤層1#探煤巷及2#探煤巷穿越9#煤采空區(qū)上方及留設(shè)區(qū)段煤柱，造成巷道走向具有一定的變化起伏，尤其在經(jīng)過區(qū)段煤柱上方較為明顯，落差式走向可能對(duì)巷道支護(hù)帶來困難。③ 巷道掘進(jìn)必然引起煤層二次擾動(dòng)，底板可能出現(xiàn)不同程度的底鼓，為巷道變形控制的難點(diǎn)。綜合上述數(shù)值模擬和鉆孔窺視可知，9#煤開采對(duì)4#煤層造成一定程度的破壞，4#煤層處于9#煤層開采的覆巖裂隙帶中上部，對(duì)巷道掘進(jìn)具有一定困難，但通過錨網(wǎng)支護(hù)基本可實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖變形控制[4-6]。同時(shí)，采動(dòng)巖層破壞使得應(yīng)力得到較好釋放，尤其水平應(yīng)力對(duì)其影響大大降低，巷道支護(hù)的關(guān)鍵應(yīng)該是加強(qiáng)頂板支護(hù)。

圖4 鉆孔窺視結(jié)果圖

3 蹬空區(qū)支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)方案

4202 工作面2 條掘進(jìn)巷道（1#探煤巷、2#探煤巷）均為梯形斷面，頂板傾角均在10°左右（逆時(shí)針）。其中，1#探煤巷（4202 工作面風(fēng)巷）的荒寬為4200 mm、右?guī)突母邽?400 mm，其右?guī)筒贾靡话雸A形塑料水溝。2#探煤巷（4202 工作面機(jī)巷）的荒寬為5000 mm、右?guī)突母邽?700 mm，其左幫布置一半圓形塑料水溝。

根據(jù)巷道圍巖賦存情況的分析結(jié)果，提出巷道支護(hù)思路為：重點(diǎn)提高頂板支護(hù)強(qiáng)度，使頂板巖層形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)肩部等應(yīng)力集中區(qū)域支護(hù)參數(shù)，適當(dāng)提高幫部支護(hù)強(qiáng)度，具體支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)

① 錨桿規(guī)格參數(shù)。錨桿采用螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ20 mm×2200 mm。1#探煤巷和2#探煤巷錨桿間排距分別為800 mm×900 mm 和800 mm×900 mm?？拷鼉蓭徒翘庡^桿向外側(cè)傾斜15°，其余錨桿垂直頂板布置。

② 錨索規(guī)格參數(shù)。錨索采用1×7 股鋼絞線，規(guī)格為Φ21.8 mm×7300 mm。

其中1#探煤巷錨索采用“一梁兩索”與“一梁三索”交錯(cuò)布置的布索方式，間排距為1600 mm×1800 mm。鉆孔深度7000 mm。施工期間錨索滯后不超過2 排。2#探煤巷錨索采用“一梁三索”與“一梁四索”交錯(cuò)布置的布索方式?！耙涣喝鳌钡腻^索間距為1600 mm，“一梁四索”的錨索間距為中部1600 mm、兩側(cè)1200 mm，排距為1800 mm。鉆孔深度7000 mm。施工期間錨索滯后不超過2 排。錨索全部垂直頂板布置。

③ 鋼帶規(guī)格參數(shù)。鋼帶采用型號(hào)為WX280/3.0的W 型鋼帶。1#探煤巷錨桿鋼帶長(zhǎng)4100 mm，錨索鋼帶長(zhǎng)分別為3800 mm（三索）及2200 mm（兩索）。2#探煤巷錨桿鋼帶長(zhǎng)4900 mm，錨索鋼帶長(zhǎng)分別為4600 mm（四索）及3800 mm（三索）。

巷道表面采用金屬網(wǎng)護(hù)表。

（2）兩幫支護(hù)

1#及2#探煤巷兩幫支護(hù)主要參數(shù)中的錨桿規(guī)格、錨桿角度、錨固參數(shù)、錨桿托盤規(guī)格以及金屬網(wǎng)規(guī)格，均與頂板支護(hù)時(shí)一樣。其與頂板支護(hù)的差別主要體現(xiàn)在錨桿布置及W 鋼帶的長(zhǎng)度選取上。

錨桿布置：間排距900 mm×900 mm，左幫和右?guī)兔颗欧謩e布置3 根和4 根錨桿，錨桿間采用鋼帶連接；W 型鋼帶：左幫鋼帶長(zhǎng)度為2100 mm，右?guī)弯搸чL(zhǎng)度為3000 m。

具體1#探煤巷和2#探煤巷的支護(hù)斷面如圖5。

圖5 1#和2#探煤巷蹬空段支護(hù)斷面圖（m）

3.2 效果分析

為有效驗(yàn)證1#探煤巷和2#探煤巷在采用蹬空支護(hù)方案后圍巖控制效果，巷道掘進(jìn)期間采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)分析。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出1#探煤巷和2#探煤巷的圍巖變形情況基本相似，現(xiàn)以1#探煤巷蹬空段的圍巖變形情況進(jìn)行具體分析，圍巖變形曲線如圖6。

圖6 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線圖

分析圖6 可知，巷道圍巖掘出40 d 后圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂?shù)装遄畲笠平繛?1 mm，兩幫最大移近量為84 mm，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

根據(jù)4202 工作面1#探煤巷和2#探煤的賦存情況，通過數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方式進(jìn)行巷道蹬空段圍巖賦存情況的分析，確定巷道支護(hù)重點(diǎn)為加強(qiáng)頂板支護(hù)。針對(duì)巷道特征，具體設(shè)計(jì)1#探煤巷和2#探煤巷的錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的圍巖變形觀測(cè)結(jié)果可知，蹬空段在現(xiàn)有支護(hù)方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。