蘇 克

（山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 工程背景

馬蘭礦某工作面回采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組02 號(hào)煤層，煤層厚度1.50～3.04 m，平均厚2.20 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)為1.12（0.15）0.93，屬穩(wěn)定可采中厚煤層，普氏硬度2.0。02 號(hào)煤層在斷層面附近受牽引滑動(dòng)影響，造成局部煤層增厚或變薄，最厚至3.20 m，最薄至0.5 m。其下部間隔3.5～8.5 m，平均6.5 m 為2 號(hào)煤。2 號(hào)煤平均煤厚2.20 m，普氏硬度2.5。根據(jù)鄰近工程及鉆孔資料分析，工作面中部局部節(jié)理發(fā)育，共計(jì)發(fā)育兩組主節(jié)理，節(jié)理密度2～8 條/米，煤頂板巖性軟弱，受力后節(jié)理面易張開，造成底鼓、頂板破碎及瓦斯異常涌出等情況，對(duì)工作面頂板支護(hù)有較大影響。

該工作面巷道為矩形斷面，凈寬5000 mm，凈高3500 mm，頂板采用“鋼筋網(wǎng)+W 鋼帶+錨桿”支護(hù)，兩幫采用“金屬菱形網(wǎng)+W 鋼護(hù)板+錨桿”支護(hù)。巷道在開挖過(guò)程中整體成型差，煤體片落嚴(yán)重，尤其是右肩窩處，在開挖時(shí)有輕微煤爆現(xiàn)象，造成煤體崩落，巷道震感明顯。

2 巷道變形監(jiān)測(cè)分析

現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，該巷道有兩個(gè)區(qū)段出現(xiàn)頂板圍巖表面變形量大、離層量大的問題。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如下：

（1）巷道第一區(qū)段的圍巖變形監(jiān)測(cè)情況如圖1、圖2。由圖可知，頂板最大下沉量約240 mm，開挖半月后巷道平均變形速率仍維持在4 mm/d 左右，變形量和變形速率均較大，巷道兩幫收斂量約20 mm。頂板離層儀觀測(cè)淺部頂板離層量約20 mm，深部離層量約7 mm，主要為圍巖淺部離層。

圖1 位移—時(shí)間曲線

圖2 速率—時(shí)間曲線

（2）巷道第二區(qū)段的圍巖變形監(jiān)測(cè)情況如圖3。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察可知，巷道頂板較破碎，部分錨網(wǎng)被壓成兜狀，錨梁被壓彎。該處頂板離層儀（安裝時(shí)距迎頭約為5 m）淺部離層量約85 mm，深部離層量約1 mm，15 d 后逐漸達(dá)到穩(wěn)定。

圖3 離層量曲線圖

3 巷道大變形原因分析

（1）地質(zhì)條件及圍巖性質(zhì)

巷道頂板巖層強(qiáng)度低，松軟破碎，煤體層與層之間、煤體與上覆巖層之間膠結(jié)差，在開挖以后極易造成表面圍巖破碎、變形量大及圍巖的離層。現(xiàn)場(chǎng)施工中可以看到，頂板隨割隨墜落，自穩(wěn)能力差。

（2）支護(hù)方式

巷道施工管理存在一定不足，掘進(jìn)隊(duì)為了搶進(jìn)尺而忽視工程質(zhì)量與安全，加之現(xiàn)場(chǎng)人員多為新手，專業(yè)素質(zhì)相對(duì)較低，導(dǎo)致施工過(guò)程存在空幫作業(yè)、錨桿（索）預(yù)緊力不足、打設(shè)角度不合理等問題。

該巷道段煤體節(jié)理裂隙較發(fā)育，加之煤體應(yīng)力等因素影響，掘進(jìn)時(shí)巷道成型較差，肩窩（尤其右肩窩）及兩幫上部片幫后，導(dǎo)致頂板懸露跨度加大。在上覆巖層頂板壓力作用下，頂板節(jié)理裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張，淺部煤層之間發(fā)生離層，從而變形量增大。

（3）掘進(jìn)動(dòng)壓

通過(guò)物理力學(xué)試驗(yàn)可知，煤體承受反復(fù)荷載的能力弱，在反復(fù)荷載作用下會(huì)迅速軟化、破壞，且破壞時(shí)所承受的應(yīng)力值明顯減小。該段巷道在掘進(jìn)過(guò)程中，煤體易產(chǎn)生輕微煤炮，形成動(dòng)壓，動(dòng)壓造成巷道圍巖反復(fù)受力，相當(dāng)于對(duì)圍巖進(jìn)行加載—卸壓過(guò)程，從而導(dǎo)致其承受變形能力減弱，變形量增大。

4 巷道支護(hù)加強(qiáng)及預(yù)控措施

基于上述巷道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，該段巷道的變形和離層主要發(fā)生在淺部圍巖，即錨桿錨固的范圍內(nèi)，深部圍巖相對(duì)較穩(wěn)定。因此，采用“頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索+兩幫補(bǔ)打錨桿”的支護(hù)加強(qiáng)措施[1-8]，如圖4 所示。為防止巷道后續(xù)掘進(jìn)施工變形過(guò)大，提出如下變形預(yù)控措施：

圖4 巷道支護(hù)加強(qiáng)控制（mm）

（1）嚴(yán)格進(jìn)行超前鉆孔卸壓，最大程度防止煤體片落（尤其是右肩窩處），減少表面煤體破碎。

（2）巷道開挖后，應(yīng)立即進(jìn)行支護(hù)，錨桿（索）預(yù)緊力、安裝角度、間排距、聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量按照規(guī)程施做到位，杜絕長(zhǎng)時(shí)間空頂、空幫作業(yè)。

（3）開挖過(guò)程中嚴(yán)格控制巷道兩幫尺寸，防止兩幫超距，如因片幫而造成超挖現(xiàn)象，相應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)打錨桿支護(hù)。

5 支護(hù)加強(qiáng)后巷道變形分析

采用“頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索+兩幫補(bǔ)打錨桿”的支護(hù)加強(qiáng)措施后，對(duì)巷道變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

由圖5 可知，巷道圍巖變形在20 d 內(nèi)發(fā)展較快，30 d 后變形較為穩(wěn)定，最大頂板下沉量28 mm，比支護(hù)加強(qiáng)前降低了約88%，變形控制效果顯著。說(shuō)明通過(guò)打設(shè)錨索，將淺層圍巖變形傳遞到深部，顯著增大了圍巖變形抵抗力和支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度；兩幫收斂量18 mm，比支護(hù)加強(qiáng)前降低了約10%。

圖5 巷道圍巖變形曲線

6 結(jié)論

（1）巷道圍巖變形較大的原因：巷道頂板煤體強(qiáng)度較低、松軟破碎，煤體與上覆巖層膠結(jié)差；巷道支護(hù)方式不合理，存在空幫作業(yè)、錨桿預(yù)緊力不足、打設(shè)角度不合理等問題；動(dòng)壓造成巷道圍巖反復(fù)受力，煤體在反復(fù)荷載作用下迅速軟化、破壞。

（2）在巷道原支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了“頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索+兩幫補(bǔ)打錨桿”的支護(hù)加強(qiáng)措施，提出了“超前鉆孔卸壓、巷道開挖及時(shí)支護(hù)、嚴(yán)格控制巷道兩幫超挖”等變形預(yù)控措施。

（3）采用巷道“頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索+兩幫補(bǔ)打錨桿”的支護(hù)加強(qiáng)措施后，頂板下沉量減小了約88%，兩幫收斂量減少約10%，變形控制效果顯著。