張建峰

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 安全管理五人小組，山西 大同 037003)

1 工程概況

塔山煤礦目前主采3～5號(hào)煤層，煤層埋深400～800 m，煤層平均厚度15.8 m，屬于特厚煤層，煤層傾角為3～5°，總體賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。煤層頂?shù)装鍘r性情況如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

塔山煤礦1070膠帶大巷及1070回風(fēng)大巷均沿煤層底板掘進(jìn)，兩條大巷平行布置，中間間隔45 m的煤柱。1070膠帶大巷設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形斷面，其掘?qū)挕辆蚋?5 440 mm×4 220 mm，凈寬×凈高=5 200 mm×4 000 mm，支護(hù)方式為“錨網(wǎng)索+W鋼護(hù)板+噴漿聯(lián)合支護(hù)”，具體支護(hù)參數(shù)如下：

頂、幫錨桿采用D=22 mm、L=2 500 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，排間距800 mm×800 mm，使用150 mm×150 mm×10 mm拱形高強(qiáng)度鋼托盤，W型鋼護(hù)板規(guī)格為450 mm×280 mm×4.75 mm；錨索采用D=21.8 mm、L=8 000 mm的錨索，排間距1 600 mm×1 600 mm，使用300 mm×300 mm×16 mm拱形高強(qiáng)度鋼托盤；頂幫均采用網(wǎng)格為100 mm×100 mm的D6 mm的鋼筋焊接網(wǎng)，并噴射混凝土厚度120 mm，強(qiáng)度C20.原支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 巷道原支護(hù)方案(mm)

1070回風(fēng)大巷的設(shè)計(jì)斷面及支護(hù)形式與1070膠帶大巷相似，2條大巷均采用全斷面一次割煤成巷法掘進(jìn)，其中1070回風(fēng)大巷的掘進(jìn)滯后于1070膠帶大巷。受回風(fēng)大巷掘進(jìn)擾動(dòng)的影響，已成型的膠帶大巷局部區(qū)域出現(xiàn)了較嚴(yán)重的變形，且表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性，靠近回風(fēng)大巷側(cè)的巷幫變形較劇烈，并伴有頂板下沉量較大的現(xiàn)象，對(duì)井下安全高效生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響，因此，需對(duì)受掘進(jìn)擾動(dòng)下的大巷圍巖控制技術(shù)展開研究。

2 巷道擾動(dòng)影響規(guī)律研究

2.1 圍巖強(qiáng)度特征

為了解塔山煤礦3～5號(hào)煤層頂?shù)装鍑鷰r的強(qiáng)度，在大巷內(nèi)選擇合理的位置對(duì)頂?shù)装鍑鷰r進(jìn)行打鉆取芯，并將煤巖樣制成標(biāo)準(zhǔn)試件，采用伺服機(jī)等設(shè)備，對(duì)煤巖樣本的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果

由表2可知，3～5號(hào)煤及煤層上方泥巖的強(qiáng)度較低，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，而泥巖上方的含礫粗砂巖強(qiáng)度較高，完整性較好，且厚度較大，可作為支護(hù)構(gòu)件錨固層位。

2.2 圍巖擾動(dòng)實(shí)測(cè)分析

為進(jìn)一步明確回風(fēng)大巷掘進(jìn)對(duì)膠帶大巷圍巖穩(wěn)定性的影響，在膠帶大巷合適的位置布置鉆孔，對(duì)其圍巖的松動(dòng)破壞深度進(jìn)行窺視分析，采用的設(shè)備為礦用鉆孔窺視儀及多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)計(jì)，其中窺視深度為15 m，多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量深度為8 m.

窺視測(cè)點(diǎn)位于膠帶大巷靠近回風(fēng)大巷的頂板處，在回風(fēng)大巷掘進(jìn)至測(cè)點(diǎn)16 m前進(jìn)行第1次觀測(cè)，回風(fēng)大巷掘進(jìn)過(guò)測(cè)點(diǎn)后16 m時(shí)進(jìn)行第2次窺視，窺視結(jié)果如下：

第2次窺視時(shí)，孔深1.5 m及3.0 m處圍巖的裂隙及破壞程度明顯多于第1次窺視；孔深4.3 m處的圍巖在第2次窺視時(shí)變得粗糙；第1次窺視時(shí)，7.8 m孔深處的圍巖較為完整，而在第2次窺視時(shí)出現(xiàn)了張開度較大的2條縱向裂縫；孔深8.2 m之后的圍巖在前后2次窺視時(shí)的變化不大，裂隙情況未明顯變化。由以上窺視結(jié)果可知，回風(fēng)大巷掘進(jìn)對(duì)于膠帶大巷頂板圍巖的擾動(dòng)作用較為明顯。

在膠帶大巷左幫同一鉆孔內(nèi)布置深度分別為1 m、2 m、4 m、8 m的位移監(jiān)測(cè)計(jì)，并進(jìn)行為期30 d的不同基點(diǎn)圍巖位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同深度測(cè)點(diǎn)左幫位移變化曲線

由圖2可知，在監(jiān)測(cè)第10 d時(shí)回風(fēng)大巷通過(guò)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)第9 d到第14 d期間，深度為1 m、2 m及4 m測(cè)點(diǎn)的位移增長(zhǎng)幅度較大，其位移量分別為36 mm、27 mm、10 mm，穩(wěn)定后的位移量分別為40 mm、29 mm、13 mm；而8 m深測(cè)點(diǎn)的位移在30 d監(jiān)測(cè)期間無(wú)大幅度的變化，穩(wěn)定后僅有2 mm的位移量。

由窺視結(jié)果及位移監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在回風(fēng)大巷掘進(jìn)擾動(dòng)的影響下，膠帶大巷左幫的淺部圍巖破壞變形較為明顯，而8 m深度之外的圍巖完整性較高，基本不受擾動(dòng)影響；回風(fēng)大巷掘進(jìn)對(duì)膠帶大巷的擾動(dòng)顯著影響期為5 d左右。

3 巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)大巷的實(shí)際賦存條件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

1) 由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果可知，巷道頂板1.5～3.0 m范圍內(nèi)的圍巖裂隙較多，破壞變形程度較大，4.3～7.8 m圍巖表面較為粗糙，并分布有縱向裂隙，導(dǎo)致錨桿(索)的錨固能力變?nèi)酰瑹o(wú)法提供有效的支護(hù)作用。因此，可通過(guò)縮小錨桿、錨索的間排距來(lái)提高支護(hù)強(qiáng)度，并加大錨索長(zhǎng)度，使其能夠穩(wěn)固在穩(wěn)定巖層中，有效地控制破碎圍巖。

2) 膠帶大巷左幫受掘進(jìn)擾動(dòng)影響破壞變形嚴(yán)重，可通過(guò)縮小幫錨桿間排距，補(bǔ)打錨索來(lái)抑制巷幫變形。

3) 由于巷道斷面較大，且為深埋礦井，其底板會(huì)出現(xiàn)一定程度的底鼓，需采取挖底、澆灌混凝土等措施加以防治。

根據(jù)以上思路提出2種支護(hù)優(yōu)化方案：

第1種優(yōu)化方案為：在原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，將錨索長(zhǎng)度統(tǒng)一增加至9 m，間排距不變；巷幫在原有基礎(chǔ)上補(bǔ)打1根9 m的錨索，間排距1 600 mm×1 600 mm.

第2種優(yōu)化方案在第1種優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，將錨索排距統(tǒng)一縮小至1 000 mm；幫錨桿的間距縮小至600 mm.

3.2 優(yōu)化方案數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，依據(jù)1070膠帶大巷及回風(fēng)大巷的實(shí)際賦存條件建立模型，對(duì)比分析原有支護(hù)及優(yōu)化支護(hù)方案的圍巖控制效果。不同支護(hù)方案下巷道圍巖的變形情況如圖3所示。

由圖3可知，原支護(hù)方案下巷道頂?shù)装宓囊七M(jìn)量為782 mm，左右兩幫的移進(jìn)量分別為570 mm、460 mm；而優(yōu)化方案1下的頂?shù)装寮白笥覂蓭鸵七M(jìn)量分別為721 mm、547 mm、454 mm，相對(duì)于原支護(hù)方案下的移進(jìn)量分別降低了7.8%、4.1%、1.3%.另外，方案1的左右兩幫變形量相差較大，仍存在明顯的非對(duì)稱變形。

圖3 不同支護(hù)方案下巷道圍巖的變形情況

優(yōu)化方案2的頂?shù)装寮白笥覂蓭鸵七M(jìn)量分別為659 mm、464 mm、448 mm，相對(duì)于原支護(hù)方案下的移進(jìn)量分別降低了15.7%、18.6%、2.6%，且在該方案下的左右兩幫變形量基本相近。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，第2種優(yōu)化方案的圍巖控制效果更明顯，因此確定采用第2種優(yōu)化支護(hù)方案。

4 應(yīng)用效果分析

采用第2種優(yōu)化方案對(duì)1070膠帶大巷重新進(jìn)行了加固。為分析1070膠帶大巷受掘進(jìn)擾動(dòng)下優(yōu)化支護(hù)方案的應(yīng)用效果，在巷道內(nèi)布置監(jiān)測(cè)站，采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)巷道圍巖的變形量，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，回風(fēng)大巷在第9天掘進(jìn)通過(guò)膠帶大巷的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用第2種優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道頂板最大下沉量為28 mm，巷道兩幫最大移進(jìn)量為53 mm.巷道圍巖的變形量較小，滿足礦井安全生產(chǎn)需求，說(shuō)明該優(yōu)化方案的控制效果顯著。

圖4 改進(jìn)支護(hù)后的巷道圍巖變形量

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得出，1070膠帶大巷在1070回風(fēng)大巷的掘進(jìn)擾動(dòng)下，淺部圍巖裂隙增多，而8 m深度之外的圍巖完整性較高，基本不受擾動(dòng)影響，擾動(dòng)顯著影響期為5 d左右。

2) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，采用數(shù)值模擬軟件對(duì)比分析了不同支護(hù)方案下的圍巖控制效果，并確定出合理的支護(hù)優(yōu)化方案。

3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化后，巷道頂板最大下沉量為28 mm，巷道兩幫最大移進(jìn)量為53 mm，巷道圍巖的變形量較小，控制效果顯著。