羅永青

（山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

馬蘭礦2 號煤的頂板為泥巖和1 號煤的互層，強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性較差，在巷道掘進(jìn)后變形量大，工作面回采過程中需要多次維修，對生產(chǎn)造成了一定的影響。維持軟弱夾層回采巷道的穩(wěn)定有效，已經(jīng)成為保障馬蘭礦煤礦掘進(jìn)和回采安全的重要因素。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)生產(chǎn)條件

12610 工作面位于910 m 水平南六采區(qū)，所采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2 號煤，煤層厚度為2.32～2.49 m，平均2.43 m，煤層傾角為1°～10°，平均4°。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1。工作面傾斜長度為121 m，走向長度938 m，工作面標(biāo)高864.9～896.7 m，地面標(biāo)高1267～1387 m，采用綜合機(jī)械化長壁開采。工作面西南側(cè)為南六采區(qū)皮帶下山，西北側(cè)為10608 采空區(qū)，東南側(cè)為10610 底抽巷。

圖1 2 號煤頂?shù)装鍘r性

1.2 原巷道支護(hù)情況

2 號煤工作面的回采巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的方式，頂錨桿規(guī)格為Φ18 mm×2200 mm，間排距為900 mm×900 mm，采用梯子梁連接。錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×6300 mm，每排布置兩根，間排距為2000 mm×900 mm。幫錨桿規(guī)格為Φ18 mm×2000 mm，間排距為900 mm×900 mm。

1.3 地應(yīng)力及圍巖強(qiáng)度現(xiàn)場測試

（1）地應(yīng)力測試

采用水力致裂法在南六采區(qū)軌道巷進(jìn)行地應(yīng)力測試，測試結(jié)果表明，該區(qū)域的垂直主應(yīng)力σv為10.8 MPa，最大水平主應(yīng)力σH為12.3 MPa，最小水平主應(yīng)力為7.9 MPa，應(yīng)力場為水平應(yīng)力主導(dǎo)型。

（2）圍巖強(qiáng)度

巷道煤幫及頂板的原位強(qiáng)度測試結(jié)果如圖2。可以看出，煤層的平均強(qiáng)度為11.8 MPa，下位泥巖的平均強(qiáng)度為16.7 MPa，上位泥巖的平均強(qiáng)度為19.8 MPa，頂板細(xì)砂巖的平均強(qiáng)度為39.2 MPa，粉砂巖的平均強(qiáng)度為52.3 MPa。

圖2 煤層及頂板原位強(qiáng)度測試結(jié)果

2 巷道變形分析

2.1 結(jié)構(gòu)特征

由柱狀圖看出，12610 工作面2 號煤的上覆巖層依次為泥巖、煤層和泥巖，強(qiáng)度較低，總厚度為3.1 m，超過了錨桿的錨固長度。數(shù)值模擬和相似模擬結(jié)果表明，位于該層位的復(fù)合頂板與上部巖層之間發(fā)生離層的概率較大，錨桿的錨固作用有限，無法阻止離層的發(fā)生，易發(fā)生頂板大范圍下沉[1-3]。

2.2 變形規(guī)律

根據(jù)2 號煤其他回采巷道掘進(jìn)及回采過程中的觀測，該類巷道的主要變形特征為[4-6]：

（1）變形速度快

巷道在掘進(jìn)期間就出現(xiàn)明顯變形，初期變形速度快，持續(xù)時(shí)間長，變形量大。

（2）巷道變形以離層為主

發(fā)生垮冒的地段相對較少，主要以大范圍的離層為主，最大離層值達(dá)到0.7 m。局部地段巖層破碎，網(wǎng)兜較多。頂板變形后，兩幫收斂大，鼓幫嚴(yán)重。底板變形相對較小，較少地段發(fā)生輕微底鼓，對生產(chǎn)無影響。

（3）支護(hù)體損壞

部分地段錨桿發(fā)生扭彎、松動甚至整體脫落，梯子梁發(fā)生彎曲，鋼筋網(wǎng)被撕裂，部分錨索托盤外翻甚至被剪斷。

2.3 原因分析

結(jié)合地應(yīng)力測試及現(xiàn)場調(diào)研，分析認(rèn)為2 號煤回采巷道變形嚴(yán)重的主要原因有：

（1）頂板巖性及結(jié)構(gòu)

2 號煤的直接頂板為泥巖和1 號煤互層，巖層之間的粘結(jié)力差，承載能力低，圍巖中裂隙發(fā)育程度高，分布無規(guī)律，巷道掘進(jìn)后無法形成穩(wěn)定的自承載結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)能力差，易出現(xiàn)大變形。

（2）支護(hù)設(shè)計(jì)

2號煤軟弱夾層的厚度超過了錨桿的錨固長度，對淺部巖層的控制效果較差，淺部離層值大，影響了錨索的支護(hù)效果。

3 控制機(jī)理及控制技術(shù)

3.1 控制機(jī)理

對于厚層軟弱頂板巷道，利用錨索形成深部的承載結(jié)構(gòu)對維護(hù)巷道穩(wěn)定具有重要的意義。在原單體錨索的基礎(chǔ)上，增加桁架錨索結(jié)構(gòu)，將錨固點(diǎn)設(shè)置于兩幫上方未受掘進(jìn)影響的穩(wěn)定巖體中，形成穩(wěn)定的承載加固拱結(jié)構(gòu)，控制淺部巖層的離層。同時(shí)，在斷層等地質(zhì)構(gòu)造附近增加工字鋼支護(hù)，減少淺部巖層的下沉，使煤巖體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，保證錨桿作用的發(fā)揮，提高對頂板的支撐效果。如圖3。

圖3 軟弱頂板巷道加固機(jī)理

3.2 圍巖控制技術(shù)

12610 工作面回采巷道的斷面為4500 mm×3500 mm，優(yōu)化后的方案為單體錨索和桁架錨索的聯(lián)合支護(hù)，如圖4。

圖4 12610 工作面順槽支護(hù)方案（mm）

3.2.1 頂板支護(hù)

（1）錨桿支護(hù)

頂板采用Φ20 mm×2400 mm 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每根錨桿配兩卷K2360 樹脂藥卷錨固，鉆孔直徑為28 mm，預(yù)緊扭矩不低于220 N·m，每排布置6 根錨桿。如圖4。錨桿托盤為150 mm×150 mm×10 mm 碟形高強(qiáng)度托盤，采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，壓茬200 mm，采用14#鋼絲雙股連接，間距不小于200 mm。每排錨桿采用4500 mm×100 mm×5 mm（長×寬×厚）的W 鋼帶連接。

（2）錨索支護(hù)

頂錨索為單體錨索和桁架錨索聯(lián)合支護(hù)，交替布置，排距為900 mm，錨索滯后迎頭距離不大于5 m。

單體錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×7300 mm，要求深入到頂板粉砂巖中的長度不低于1000 mm。采用四支K2360 樹脂藥卷加長錨固，單體錨索垂直巷道頂板布置，每排布置一根。

桁架錨索的規(guī)格為Φ21.6 mm×9300 mm，鉆孔深度8000 mm，向巷道兩幫傾斜25°設(shè)置。每根錨索采用三支K2360 樹脂藥卷加長錨固，配400 mm×400 mm×16 mm（長×寬×厚）的大托盤，采用專用連接器及鎖具連接，底部跨距為2000 mm。

錨索送入孔底后，30 min 后張拉，預(yù)緊力不小于120 kN。

3.2.2 巷幫支護(hù)

幫錨桿為Φ20 mm×2200 mm 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，兩卷CK2335 樹脂藥卷錨固，錨桿間排距為800 mm×900 mm，每排布置5 根，采用W 鋼帶連接。

3.3 礦壓觀測

在12610 運(yùn)煤巷掘進(jìn)過程中，每隔50 m 設(shè)置測站，一共設(shè)置5 個，分別采用十字布點(diǎn)法和離層儀對巷道表面位移和頂板離層情況進(jìn)行觀測。離層指示儀的淺部基點(diǎn)為巷道頂板以上3.0 m，深部基點(diǎn)為7.0 m。其中3 號測站的觀測結(jié)果如圖5。

圖5 巷道表面位移觀測結(jié)果

由圖5 可知，巷道掘進(jìn)后，頂板下沉速度較快，最大下沉速度為6.7 mm/d；持續(xù)時(shí)間較短，10 d 左右巷道變形趨于穩(wěn)定，最終下沉值為41.2 mm。巷道兩幫收斂和底鼓變形不明顯。離層指示儀顯示巷道頂板離層淺部基點(diǎn)離層值為7.6 mm，深部基點(diǎn)離層值為11.7 mm，離層值小，對生產(chǎn)無影響。

4 結(jié)論

（1）由于2 號煤的直接頂板為泥巖和1 號煤互層，強(qiáng)度低，粘結(jié)性差，因此掘進(jìn)后出現(xiàn)頂板整體沉降、支護(hù)體損壞等強(qiáng)烈的動壓現(xiàn)象。

（2）桁架錨索的錨固點(diǎn)位于兩幫實(shí)體煤上方的穩(wěn)定巖層中，受掘進(jìn)影響小，配合單體錨索和強(qiáng)力錨桿可形成穩(wěn)定的承載加固拱結(jié)構(gòu)，使煤巖體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，有利于巷道的穩(wěn)定。

（3）12610 工作面采用優(yōu)化后的桁架錨索和單體錨索聯(lián)合支護(hù)方案后，巷道變形量小，保證了工作面的安全回采。