王俊波

（山西汾西正佳煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 隰縣 041399）

0 引言

各地現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平的不斷提升，使得各行各業(yè)發(fā)展對煤炭資源的使用量需求越來越大。然而，隨著煤礦開采活動范圍的擴(kuò)大、項目建設(shè)規(guī)模的增加，不得不面臨復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境問題。為提高煤礦項目開發(fā)建設(shè)效率，本文以松散煤層回采巷道頂板圍巖建設(shè)條件為例，通過分析其變形破壞特征與圍巖控制機(jī)理，來滿足開采活動的安全可靠需求。

1 工程概況

某煤礦地處山西東南方向的高原地區(qū)，屬于太行山脈南端。煤田地面的總體趨勢呈現(xiàn)北部高、南部低。礦井開采煤層構(gòu)造為：單斜，呈東高西低地勢狀態(tài)；傾角在8°以下，底板標(biāo)高為+190～450 m；煤層埋深450～880 m 之間；厚度平均5.85 m，單軸的抗壓強(qiáng)度8.69 MPa。在地質(zhì)方面，存在煤質(zhì)松散，且存在0.2～0.3 m 厚的炭質(zhì)泥巖夾矸層。煤層基本頂是中砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度107.82 MPa；直接頂是泥巖。礦區(qū)開采范圍的地質(zhì)條件裂隙呈現(xiàn)為較發(fā)育狀態(tài)，總體上屬于穩(wěn)定可采地質(zhì)條件。但在首采盤區(qū)南部位置的1301工作面，其輔運(yùn)巷巷道毛高為3.7 m，全長為1 220 m，沿著煤層底板布置。根據(jù)對已開發(fā)300 m 輔運(yùn)巷場巖層環(huán)境進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)巷道處在松散與破碎煤層。煤體手搓即碎，且呈碎塊狀，一邊掘進(jìn)一邊散落。而圍巖結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)，其層位呈交錯狀態(tài)，引發(fā)巷道建設(shè)變形問題嚴(yán)重。當(dāng)前開采作業(yè)采用錨網(wǎng)與梯子梁支護(hù)作業(yè)方式，無法達(dá)到煤礦巷道建設(shè)的安全控制需求。為提高煤礦開采進(jìn)一步作業(yè)的安全可靠性，工程建設(shè)者加大了圍巖變形破壞特征與控制機(jī)理方面的研究，以強(qiáng)化圍巖支護(hù)設(shè)計技術(shù)的作用效果。

2 松散煤層回采巷道頂板圍巖的變形破壞特征與控制機(jī)理

2.1 變形破壞特征

為掌握松散煤層回采巷道頂板圍巖的地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，技術(shù)人員選用CXK12 礦用電子鉆孔窺視儀，來分析確定煤層巷道頂板所處的巖體裂隙條件、節(jié)理狀態(tài)以及層理發(fā)育情況[1]。具體過程，就是將窺視鉆孔設(shè)置在工作面輔運(yùn)巷250 m 和300 m 里程處。煤層頂板鉆孔窺視情況，如圖1 所示。

圖1 煤層頂板窺視柱狀圖（單位：mm）

從圖1 可見，煤層巷道頂板局部巖層環(huán)境為破碎帶，且存在裂隙與節(jié)理以不連續(xù)狀態(tài)較發(fā)育問題，影響了頂板巖層的強(qiáng)度性能。而后，選用具有代表性的巖樣，借助FLAC 數(shù)值模型對其物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析[2]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，煤礦巷道掘進(jìn)后，圍巖應(yīng)力處于重新分布狀態(tài)。這表明，1301 工作面輔運(yùn)巷所處的圍巖條件不穩(wěn)定，變形破壞的影響范圍不僅大，還呈現(xiàn)劇烈特征。煤層巷道底板環(huán)境的最大塑性屈服半徑為6 493 mm，最大底鼓量為169 mm。此外，局部巷道煤層地段還存在節(jié)理與裂隙發(fā)育問題，容易引發(fā)頂板冒落垮幫，以及底鼓現(xiàn)象。

2.2 圍巖控制機(jī)理

基于煤礦巷道所處的圍巖變形條件，將輔運(yùn)巷煤層巷道確定為Ⅳ類。為此，支護(hù)方案確定應(yīng)遵循以下幾方面原則：

1）主動、及時原則。1301 工作面巷道掘進(jìn)形成，采用高預(yù)緊力錨桿來加固圍巖結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)巷道頂幫支護(hù)目標(biāo)。當(dāng)圍巖變形問題影響控制在允許范圍內(nèi)，就可有效降低變形與破壞，進(jìn)而提高松散巖體環(huán)境下煤礦巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2）相互匹配。保證各種圍巖支護(hù)材料的力學(xué)參數(shù)與力學(xué)性能向匹配，驅(qū)使聯(lián)合狀態(tài)的支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮出整體性作用效果。這里的材料是指錨桿、托盤以及錨索等構(gòu)件。此控制目的達(dá)成，將有效避免支護(hù)系統(tǒng)與圍巖壓力在平衡前就出現(xiàn)失穩(wěn)與破壞問題[3]。

3）“三高一低一小”原則。遵循高強(qiáng)度、高剛度以及高可靠性原則，能夠?qū)崿F(xiàn)低支護(hù)密度與小直徑目標(biāo)。支護(hù)體系需要在圍巖允許變形范圍內(nèi)具備較強(qiáng)的支護(hù)阻力，以降低巖體變形破壞影響，進(jìn)而降低巷道頂、幫垮塌與冒落問題發(fā)生率。此外，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與可靠性達(dá)到預(yù)期后，就可對支護(hù)密度進(jìn)行控制，如通過減少錨桿數(shù)量，采用小直徑的錨桿與錨索，來擴(kuò)大預(yù)緊力作用效果，繼而突出支護(hù)結(jié)構(gòu)的主動作用功能，強(qiáng)化巷道支護(hù)整體質(zhì)量。

4）可操作性原則。松散煤層巷道的圍巖支護(hù)除了要遵循技術(shù)規(guī)范，還要從成本造價、施工管理以及操作效果等方面著手，提升支護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)的可操作性，以為后續(xù)快速掘進(jìn)作業(yè)提供良好的空間環(huán)境[4]。

3 圍巖支護(hù)設(shè)計與技術(shù)參數(shù)確定

按照上述變形破壞特征分析結(jié)果，并結(jié)合場地作業(yè)條件、理論計算、數(shù)值模擬試驗(yàn)以及原有錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)施，提出了錨索-鋼帶與徑向錨桿-菱形網(wǎng)-梯子梁聯(lián)合的支護(hù)設(shè)計方案[5]。此方案，能夠構(gòu)建聯(lián)合支護(hù)網(wǎng)絡(luò)，以網(wǎng)格型支護(hù)效果來降低圍巖變形破壞影響。根據(jù)現(xiàn)有情況，工作面輔助運(yùn)輸巷道頂板支護(hù)設(shè)計應(yīng)根據(jù)聯(lián)合設(shè)計方案要求，劃分為兩部分支護(hù)設(shè)施來強(qiáng)化作用效果。

1）沿巷道徑向布置錨桿-菱形網(wǎng)-梯梁，以實(shí)現(xiàn)迎頭跟進(jìn)和及時支護(hù)的目的。頂部錨桿采用無縱向鋼筋的高強(qiáng)度左旋螺旋剛性錨桿，由HRB335 制成。長度為2 400 mm，桿尾螺紋為M24。選用150 mm×150 mm×10 mm 高強(qiáng)度拱形的托盤。然后配置高強(qiáng)度球形墊圈和塑料減摩墊圈。每個錨桿應(yīng)配置k2335與Z2360 錨固劑，以保證錨固力效果達(dá)到50 kN 以上。梯梁采用寬100 mm 的14 mm 圓鋼焊接而成。兩根縱筋焊接后，應(yīng)確保錨桿的具體安裝位置處于理想狀態(tài)，不得虛焊。菱形網(wǎng)，則由10#鐵絲編織而成，其長度應(yīng)結(jié)合巷道尺寸進(jìn)行裁剪。鋪設(shè)過程，應(yīng)保證網(wǎng)片處于鋪平拉緊狀態(tài)。搭接長度設(shè)置100 mm。

2）沿著巷道縱向應(yīng)布置錨索和鋼帶，并正面循環(huán)滯后。巷道頂板錨索選用高強(qiáng)度、低松弛的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其直徑為17.8 mm。具體長度為7 300 mm。支護(hù)過程，需運(yùn)用一支k2335 與兩支Z2360 錨固劑。錨固長度為1 900 mm，托盤規(guī)格為300 mm×280 mm×14 mm。而鋼帶的型號，則選用BHW-280-2.5。具體錨索的安裝位置，應(yīng)預(yù)留出安裝孔，長寬尺寸為：60 mm×30 m。對于兩側(cè)支架和巷道頂板徑向支架設(shè)計的技術(shù)要求和參數(shù)應(yīng)一致，幫部支護(hù)布置情況，如圖2 所示。

圖2 幫部支護(hù)布置情況（單位：mm）

根據(jù)圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)對應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，可構(gòu)建FLAC 數(shù)值模型，來確定圍巖應(yīng)力與表面位移的分布情況。在施加12.5 MPa 垂直壓力的情況下，聯(lián)合支護(hù)前后巷道圍巖應(yīng)力分布如下：聯(lián)合支護(hù)松散軟弱圍巖前，頂板和梁板的水平應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離巷道表面；圍巖支護(hù)后，應(yīng)力集中區(qū)明顯靠近巷道表面，最大應(yīng)力集中區(qū)域的影響趨弱。在圍巖位移分布情況上，巷道支護(hù)前，頂板與底板最大移近量為1 010 mm，兩幫最大移近量為836 mm；聯(lián)合支護(hù)后，頂?shù)装遄畲笪灰茷?21 mm，兩側(cè)最大位移為267 mm。可以看出，巷道圍巖表面的變形影響明顯下降。經(jīng)過6 個月的布點(diǎn)觀測結(jié)果分析，頂?shù)装逡平科骄?25 mm，兩幫移近量平均在160 mm。經(jīng)對已經(jīng)掘進(jìn)的巷道受開采活動影響區(qū)域不同，一個月后，巷道圍巖的變形就呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。通過對巷道表面的觀測結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)松散軟弱圍巖巷道的頂?shù)装逡苿哟笥趦蓚?cè)的移動。在松散破碎巷道所處礦壓明顯的條件下，經(jīng)聯(lián)合加固和支護(hù)處理后，頂?shù)装逡苿訙p少約72.2%；兩個幫的移近量減少了約72.4%。這就表明網(wǎng)格型聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計的穩(wěn)定性控制效果?？稍谠撁旱V巷道開采作業(yè)中逐步推廣運(yùn)用。

4 結(jié)語

松散煤層回采巷道的圍巖變形控制，需對圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行有效分析，以確定控制重點(diǎn)，繼而提高控制技術(shù)選用的可靠性與適用性。事實(shí)證明，只有這樣，才能在保證掘進(jìn)作業(yè)安全可靠情況下，保證開采活動進(jìn)行的質(zhì)量與效率。因此，工程建設(shè)者應(yīng)將上述分析內(nèi)容與科研結(jié)果更多地運(yùn)用于不同場地條件與建設(shè)要求的煤礦項目，以推動涉及行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。