王澤東

（山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 工程概況

馬蘭礦10503工作面位于南五采區(qū)，工作面開(kāi)采02#煤層，煤層均厚2.4 m，平均傾角2°，工作面頂、底板巖層特征如圖1所示。10503專(zhuān)用回風(fēng)巷設(shè)計(jì)沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，凈寬×凈高=4 m×2.5 m，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 425 m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，02#煤巖層整體松散破碎，煤層強(qiáng)度低。當(dāng)巷道采用普通的錨網(wǎng)索支護(hù)方案時(shí)，工作面回采期間圍巖變形量大，為確保10503工作面專(zhuān)用回風(fēng)巷圍巖的穩(wěn)定，擬針對(duì)巷道采用強(qiáng)幫護(hù)頂?shù)闹ёo(hù)技術(shù)，并圍繞圍巖控制技術(shù)方案對(duì)強(qiáng)幫護(hù)頂技術(shù)進(jìn)行初步探討。

圖1 工作面區(qū)域頂?shù)装鍘r層柱狀圖

2 強(qiáng)幫護(hù)頂技術(shù)

當(dāng)巷道處于頂板強(qiáng)度高、兩幫強(qiáng)度低的條件下，此時(shí)巷道開(kāi)挖后會(huì)首先在兩幫出現(xiàn)應(yīng)力極限平衡區(qū)，巷道兩幫在采動(dòng)影響下會(huì)出現(xiàn)較大的變形，進(jìn)而導(dǎo)致巷道整體變形量較大。根據(jù)兩幫圍巖強(qiáng)度低，頂板強(qiáng)度相對(duì)較高的特征，擬提出采用強(qiáng)幫護(hù)頂?shù)闹ёo(hù)技術(shù)，即通過(guò)強(qiáng)化幫部的支護(hù)強(qiáng)度來(lái)提升巷道圍巖整體的支護(hù)，基于強(qiáng)幫護(hù)頂形成合理耗能[1-3]。

1）強(qiáng)幫護(hù)頂良性作用：當(dāng)巷道兩幫為松軟煤體，頂板為巖層時(shí)，若僅在頂板采用補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)，由于兩幫軟弱，頂板相對(duì)承載能力大，應(yīng)力會(huì)通過(guò)頂板巖層傳遞至兩幫圍巖上，致使兩幫圍巖變形量大，進(jìn)而影響頂板巖層的穩(wěn)定。針對(duì)兩幫為松軟煤體，頂板為巖層的巷道，若在幫部采取一定的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，便能夠大幅提升幫部的自身承載力，且能在一定程度上保障頂板巖層的穩(wěn)定性，進(jìn)而形成頂板和幫部相互協(xié)調(diào)的應(yīng)力支撐作用機(jī)制。巷道幫部支護(hù)的力學(xué)模型如圖2（a）所示。幫部提高支護(hù)強(qiáng)度后，能夠在一定程度上提升對(duì)頂板的豎向承載力。巷道開(kāi)挖后幫部薄弱體符合莫爾－庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，表達(dá)式如下：

式中：σ3為煤巖體受到的最小主應(yīng)力；σ1f為與σ3對(duì)應(yīng)的豎向抗壓強(qiáng)度；φ為幫部極限平衡區(qū)的內(nèi)摩擦角；σc為幫部極限平衡區(qū)的單軸抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)式（1）能夠繪制得出強(qiáng)幫前后的莫爾圓分布如圖2（b）所示。

圖2 幫部力學(xué)模型及強(qiáng)幫前后莫爾圓分布

分析圖2能夠看出，圓1和圓2分別為極限平衡時(shí)和幫部支護(hù)強(qiáng)度提高后的莫爾圓。當(dāng)幫部支護(hù)力增大后，此時(shí)幫部薄弱體的最小主應(yīng)力σ3也隨之增大，圍巖體的豎向抗壓強(qiáng)度σ1f也逐漸增大，且σ1f的增大幅度大于σ3，據(jù)此可知，提升幫部支護(hù)強(qiáng)度可大幅提升圍巖的承載力。另外從圖中能夠看出，幫部支護(hù)強(qiáng)度增大后，幫部薄弱體由極限平衡狀態(tài)逐漸向安全狀態(tài)過(guò)渡[4-5]。綜合上述分析可知強(qiáng)幫支護(hù)能夠有效控制幫部變形，為頂板提供了更大的支撐力。

2）強(qiáng)幫合理耗能作用：煤巷開(kāi)挖后，煤巷變形積聚了圍巖彈性塑性能量，這種能量會(huì)通過(guò)一定的形式釋放，進(jìn)而使得巷道圍巖應(yīng)力重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)，能量變化的過(guò)程可用如下表達(dá)式表示：

式中：QT為圍巖受擾動(dòng)后變化的總能量；Qs為支護(hù)構(gòu)件分擔(dān)的能量；QR為煤巷圍巖自身承載的能量；QD為通過(guò)煤巷圍巖變形釋放的部分能量。

從式（2）中能夠看出，QD在保障煤巷穩(wěn)定性方面具有較大的意義，巷道頂?shù)装寮皟蓭彤a(chǎn)生的變形消耗釋放該部分能量。

針對(duì)煤巷支護(hù)，應(yīng)保障煤巷結(jié)構(gòu)形成一個(gè)合理的耗能機(jī)構(gòu)，通過(guò)強(qiáng)化幫部結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更多的能量通過(guò)頂板巖層吸收和消耗，達(dá)到控制幫部變形量的目的，以保障煤巷結(jié)構(gòu)體的整體穩(wěn)定。

3 支護(hù)方案

根據(jù)10503工作面的地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)巷道采用強(qiáng)幫護(hù)頂支護(hù)技術(shù)[6-7]，即巷道兩幫軟弱煤體的支護(hù)強(qiáng)度，進(jìn)而提升圍巖的整體穩(wěn)定性，具體支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 專(zhuān)用回風(fēng)巷支護(hù)方式

1）頂板支護(hù)。錨桿采用左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm。錨固方式為加長(zhǎng)錨固，每根錨桿采用2卷K2550型樹(shù)脂錨固劑。錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，兩幫角錨桿與頂板成15°布置，其余頂板兩根錨桿垂直頂板布置，錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m。錨索采用1×7股鋼絞線，鋼絞線為低松弛高強(qiáng)度特性，錨索參數(shù)為φ17.8 mm×5 300 mm，錨索布置排距為3 000 mm。錨索布置在頂板中部，布置錨索時(shí)替換同位置處的螺紋鋼錨桿。錨索采用加長(zhǎng)錨固，每根錨索采用2卷中速和1卷快速進(jìn)行錨固 （2支Z2550+1支K2550），設(shè)計(jì)預(yù)緊力為150 kN。頂板錨桿（索）間采用W型鋼帶進(jìn)行連接，巷道表面采用菱形網(wǎng)+鋼帶進(jìn)行護(hù)表。

2）兩幫支護(hù)。巷道兩幫錨桿規(guī)格、錨固方式均同頂板錨桿，幫部間排距為1 000 mm×1 000 mm，兩幫角錨桿與巷幫成15°布置；其余錨桿垂直幫部布置，幫部錨桿預(yù)緊扭矩為200 N·m，錨桿間采用W型鋼帶連接，采用W型鋼帶和菱形網(wǎng)護(hù)幫。

3）幫部注漿加固。為強(qiáng)化煤體幫部的承載能力，針對(duì)煤幫進(jìn)行注漿加固，本次注漿材料采用水泥漿+外加劑，漿液水灰比為0.5，通過(guò)漿液在煤體內(nèi)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)對(duì)煤體內(nèi)裂隙的充填與凝結(jié)，以此整體提升幫部煤體承載能力。注漿錨桿規(guī)格為φ25 mm×2 500 mm，注漿錨桿布置幫角錨桿下方400 mm處，錨桿同樣與幫部成15°布置。注漿作業(yè)時(shí)采用中低壓注漿，嚴(yán)控注漿壓力，設(shè)置終孔注漿壓力為2～3 MPa。

4 效果分析

10503工作面專(zhuān)用回風(fēng)巷采用強(qiáng)幫護(hù)頂支護(hù)方案后，在巷道掘進(jìn)期間每間隔50 m布置一個(gè)圍巖變形觀測(cè)站，通過(guò)十字布點(diǎn)法對(duì)巷道掘進(jìn)期間圍巖變形進(jìn)行測(cè)量分析。監(jiān)測(cè)斷面每間隔5 d進(jìn)行一次觀測(cè)作業(yè)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果能夠繪制出頂?shù)装寮皟蓭妥冃吻€圖。現(xiàn)取1#和2#測(cè)站進(jìn)行圍巖變形情況的分析，具體掘進(jìn)期間圍巖變形曲線如圖4所示。

圖4 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線

分析圖4可知，巷道掘進(jìn)期間，兩幫移近主要出現(xiàn)在滯后掘進(jìn)頭0～50 m的范圍內(nèi)，當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面滯后掘進(jìn)頭大于50 m后，此時(shí)兩幫變形速率大幅下降，當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面滯后迎頭70 m后，此時(shí)兩幫變形基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。頂?shù)装逡平饕霈F(xiàn)在滯后掘進(jìn)頭20～50 m范圍內(nèi)，頂?shù)装逡平空w較小，這是由于巷道頂板巖層較為完整，且頂?shù)装遄冃卧跍缶蜻M(jìn)頭50 m后，頂?shù)装遄冃渭床辉僭龃蟆８鶕?jù)1#和2#斷面圍巖變形可知，觀測(cè)期間內(nèi)頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為21 mm和85 mm，圍巖整體變形量小，巷道掘進(jìn)期間圍巖在采用強(qiáng)幫護(hù)頂支護(hù)技術(shù)后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)10503工作面專(zhuān)用回風(fēng)巷原支護(hù)頂強(qiáng)幫弱的特點(diǎn)，擬對(duì)強(qiáng)幫護(hù)頂支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于此回風(fēng)巷進(jìn)行了全面探討。理論分析重點(diǎn)從強(qiáng)幫護(hù)頂良性作用和強(qiáng)幫合理耗能兩個(gè)方面進(jìn)行，結(jié)合巷道特征具體對(duì)強(qiáng)幫護(hù)頂方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)巷道采用錨網(wǎng)索+幫部注漿的加強(qiáng)支護(hù)方案。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的圍巖變形觀測(cè)可知，巷道圍巖在采用強(qiáng)幫護(hù)頂支護(hù)技術(shù)方案后，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。