岳志高

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤公司，山西 大同 037003）

1 5505 巷概況

焦煤礦5 號(hào)煤層屬大同煤田石炭系特厚煤層，與4 號(hào)煤層的間距平均為15 m 左右，但局部可能變薄，由23 號(hào)柱狀圖顯示，兩層煤的間距為7.28 m。5 號(hào)煤層305 盤(pán)區(qū)8505 工作面5505 巷正在掘進(jìn)，北部為正在回采的5 號(hào)煤層8503 工作面，兩工作面間的煤柱寬度為28 m 左右，上覆4 號(hào)煤層8503 工作面已經(jīng)回采完畢，內(nèi)錯(cuò)4 號(hào)煤層8505 工作面5505 巷2.3 m，下部為8 號(hào)煤層實(shí)體煤；南部為5 號(hào)層305 盤(pán)區(qū)實(shí)體煤；東部為5 號(hào)層305 盤(pán)區(qū)大巷；西部為礦界安全煤柱。5 號(hào)煤層5505 巷地面標(biāo)高為1352～1398 m，工作面標(biāo)高為1028～1044 m。

2 掘進(jìn)巷道臨空動(dòng)壓分析

5 號(hào)煤層8503 工作面回采期間產(chǎn)生的超前及側(cè)向支承壓力預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)5505 巷的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，經(jīng)論證分析，結(jié)果表明：

1）5 號(hào)煤層5505 巷周?chē)删蚧顒?dòng)頻繁，應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜。4 號(hào)和5 號(hào)煤層屬于近距離煤層開(kāi)采，5 號(hào)煤層8503 工作面正在回采，5505 巷正在掘進(jìn)，屬于迎采動(dòng)面掘進(jìn)巷道。5 號(hào)煤層5505 巷既屬于近距離煤層開(kāi)采問(wèn)題，又屬于臨空動(dòng)壓巷道問(wèn)題。

2）近距離上部煤層開(kāi)采會(huì)影響下部煤層應(yīng)力場(chǎng)分布。對(duì)于近距離煤層開(kāi)采而言，上部煤層的開(kāi)采條件和距下部煤層的距離大小，將決定對(duì)下部煤層開(kāi)采的影響程度，當(dāng)上、下煤層間距離小到一定程度時(shí)，上部煤層開(kāi)采對(duì)下部煤層開(kāi)采的影響將非常顯著，下部煤層開(kāi)采之前頂板的完整性已受到上部煤層開(kāi)采的破壞，而且因上部煤層的開(kāi)采方法不同，使得下部煤層所處的力學(xué)環(huán)境也不同。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：4 號(hào)煤8503 工作面回采在煤柱中產(chǎn)生的集中應(yīng)力會(huì)向底板中傳遞，5 號(hào)煤應(yīng)力在距離4 號(hào)煤采空區(qū)邊緣13.8 m時(shí)開(kāi)始攀升，深入煤柱20.8 m 后超過(guò)原巖應(yīng)力，5505巷所處位置應(yīng)力場(chǎng)已超過(guò)原巖應(yīng)力，且在靠近采空區(qū)邊緣時(shí)應(yīng)力處于不均勻狀態(tài)，不利于巷道的穩(wěn)定。

3）5505 巷穩(wěn)定性受多重因素影響，其中采動(dòng)影響劇烈程度及影響次數(shù)是導(dǎo)致巷道變形主要因素。焦煤礦5 號(hào)煤5505 巷埋藏深度較小、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，有利于巷道的穩(wěn)定，但是其采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，既受已經(jīng)回采完畢的4 號(hào)煤8503 工作面回采殘余應(yīng)力影響，又受臨近5 號(hào)煤8503 工作面回采動(dòng)壓影響，且在5 號(hào)煤8505 工作面里部受上部4 號(hào)煤8505 工作面回采支承壓力影響，在未來(lái)會(huì)受本工作面回采動(dòng)壓影響，其所處應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境受3～4 次工作面采動(dòng)影響，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。

4）臨近5 號(hào)煤層8503 工作面回采對(duì)5505 巷穩(wěn)定性影響較為顯著。目前5 號(hào)煤8503 工作面正在回采，5505 巷屬于迎采動(dòng)面掘進(jìn)巷道，當(dāng)5505 巷進(jìn)入8503 工作面采空區(qū)范圍時(shí)，8503 工作面采空區(qū)冒落矸石處于劇烈活動(dòng)期，而且同4 號(hào)煤層采空區(qū)層間距小，上覆巖層活動(dòng)更為劇烈，非常不利于巷道的穩(wěn)定。

3 強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道圍巖控制原則

5 號(hào)煤8505 工作面5505 巷掘進(jìn)期間受多次采動(dòng)影響，為了避免巷道多次維護(hù)，提出如下控制原則[1]：

1）巷道圍巖經(jīng)歷多次采動(dòng)的影響，淺部圍巖呈脆性破壞，破壞嚴(yán)重，局部為散粒狀分布，為破碎型圍巖。對(duì)此類(lèi)圍巖，必須大幅提高錨桿支護(hù)的初期強(qiáng)度和剛度，通過(guò)施加足夠預(yù)緊力并通過(guò)組合構(gòu)件實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散，將圍巖錨固成一整體，提高錨固體的強(qiáng)度，阻止圍巖的裂隙擴(kuò)展，防止圍巖變形進(jìn)一步惡化。具體應(yīng)采用高預(yù)緊力錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)，補(bǔ)償圍巖側(cè)向應(yīng)力損失，阻止圍巖內(nèi)部節(jié)理、裂紋的擴(kuò)展。

2）巷道淺部圍巖的變形主要為裂隙擴(kuò)展、散體滑動(dòng)和節(jié)理錯(cuò)動(dòng)等，屬于不連續(xù)的有害變形，對(duì)這部分變形必須及時(shí)強(qiáng)力進(jìn)行控制，阻止其進(jìn)一步惡化。傳統(tǒng)的“讓壓二次支護(hù)”無(wú)法阻止圍巖表面的有害變形，沿空巷道支護(hù)應(yīng)該采用強(qiáng)力一次支護(hù)的原則，最大限度地保持圍巖的完整。

3）沿空掘巷會(huì)經(jīng)歷多次采動(dòng)影響，圍巖總體變形量大，因此錨桿支護(hù)系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)多次采動(dòng)的影響。采用“時(shí)空兼顧”的觀(guān)點(diǎn)，一次支護(hù)即能滿(mǎn)足多個(gè)階段的支護(hù)要求，有效控制圍巖的變形與破壞，避免多次支護(hù)與翻修。

4）沿空掘巷變形劇烈、變形量大，頂板回轉(zhuǎn)對(duì)巖層的沖擊作用強(qiáng)烈，要求支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、沖擊韌性和較高的自身延伸率，以提高抗沖擊能力，適應(yīng)圍巖的各向變形，控制圍巖的不連續(xù)變形，適應(yīng)圍巖的連續(xù)變形。

5）沿空掘進(jìn)巷道在臨近工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懴?，煤柱在高集中?yīng)力作用下會(huì)發(fā)生部分甚至全部屈服破壞，造成沿空巷道的幫部發(fā)生破壞，引起兩幫的水平移動(dòng)，從而會(huì)擠壓頂板和底板，造成頂板鋼帶折斷或底鼓現(xiàn)象。因此對(duì)于沿空巷道必須強(qiáng)化對(duì)兩幫的支護(hù)，而且需要降低起錨高度，以減少因兩幫移動(dòng)引起的底鼓現(xiàn)象。

4 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 支護(hù)設(shè)計(jì)原則

針對(duì)焦煤礦地質(zhì)生產(chǎn)條件，為了充分發(fā)揮錨桿錨索主動(dòng)支護(hù)的作用，提出以下設(shè)計(jì)原則：

1）一次支護(hù)原則。錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)。一方面，這是礦井實(shí)現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求，為采礦服務(wù)的巷道和硐室等工程，需要保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，不能經(jīng)常維修；另一方面，這是由錨桿支護(hù)本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進(jìn)行錨桿支護(hù)效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護(hù)效果會(huì)受到顯著影響。

2）高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)還是主動(dòng)支護(hù)的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動(dòng)支護(hù)，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力；另一方面，通過(guò)托盤(pán)、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，以擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。

3）“三高一低”原則。即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。在提高錨桿強(qiáng)度（如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強(qiáng)度）、剛度（提高錨桿預(yù)應(yīng)力、加長(zhǎng)錨固），保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護(hù)密度，以減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度[2]。

4）臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則。錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度，如果支護(hù)強(qiáng)度與剛度低于臨界值，巷道將長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度與剛度應(yīng)大于臨界值。

5）相互匹配原則。錨桿托盤(pán)、螺母、鋼帶等構(gòu)件的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護(hù)的整體支護(hù)作用[3]。

6）可操作性原則。提供的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進(jìn)速度的提高。

7）在保證巷道支護(hù)效果和安全程度，技術(shù)上可行、施工上可操作的條件下，做到經(jīng)濟(jì)合理，有利于降低巷道支護(hù)綜合成本。

4.2 支護(hù)參數(shù)確定的依據(jù)

1）臨近及上覆工作面巷道現(xiàn)有支護(hù)狀況和巷道變形情況；

2）理論分析及數(shù)值計(jì)算成果；

3）8505 工作面詳細(xì)地質(zhì)資料；

4）現(xiàn)有科技成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

4.3 支護(hù)參數(shù)原始與變更后設(shè)計(jì)

5 號(hào)煤8505 工作面5505 巷沿5 號(hào)煤底板掘進(jìn)，考慮到掘進(jìn)過(guò)程中設(shè)備尺寸、通風(fēng)要求和巷道圍巖變形預(yù)留量[4]，設(shè)計(jì)5505 巷掘進(jìn)斷面尺寸為寬×高=4000 mm×3400 mm，斷面積13.6 m2。5505 巷掘進(jìn)期間不同地段采動(dòng)影響不同，既受已經(jīng)回采完畢的4 號(hào)煤8503 工作面回采殘余應(yīng)力影響，又受臨近5 號(hào)煤8503 工作面回采動(dòng)壓影響，同時(shí)在5 號(hào)煤8505 工作面里部受上部4 號(hào)煤8505 工作面回采影響。為此，5505 巷的支護(hù)設(shè)計(jì)將充分考慮三個(gè)階段的影響：一是與5 號(hào)煤8503 工作面超前影響段，即5505 巷掘進(jìn)時(shí)8503 工作面為實(shí)體煤，巷道成型后受8503 工作面回采動(dòng)壓影響；二是5 號(hào)煤8503 工作面滯后影響段，即5505 巷掘進(jìn)時(shí)沿5 號(hào)煤8503 工作面采空區(qū)；三是4 號(hào)煤8505 工作面采空區(qū)下，即5505 巷掘進(jìn)時(shí)位于4 號(hào)煤8505 工作面采空區(qū)下。

4.3.1 5 號(hào)煤層5505 巷原始支護(hù)設(shè)計(jì)

5 號(hào)煤層5505 巷原支護(hù)斷面為矩形，設(shè)計(jì)規(guī)格為4 m×3.4 m，巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)為：

1）頂錨桿：采用規(guī)格Φ20 mm×2500 mm 螺紋鋼錨桿，排間距1000 mm、900 mm，每排5 根，全部垂直頂板打設(shè)；錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m；同時(shí)配合使用W 型鋼帶和菱形金屬網(wǎng)支護(hù)，W 型鋼帶寬280 mm、厚5 mm、長(zhǎng)3800 mm。菱形金屬網(wǎng)規(guī)格6000 mm×1200 mm，網(wǎng)孔規(guī)格60 mm×60 mm，絲徑4.19 mm。

2）錨索：采用規(guī)格Φ21.8 mm×8300 mm“二二”間隔布置，錨索排間距3000 mm、1400 mm，全部垂直頂板巖層，錨索預(yù)緊力張拉鎖定后200 kN（錨索必須錨固到穩(wěn)定巖層1500 mm 以上，生產(chǎn)班每班用錨桿機(jī)探測(cè)煤巖情況，根據(jù)頂板巖層厚度選取錨索長(zhǎng)度）。

3）兩幫護(hù)幫錨桿支護(hù)：采用規(guī)格Φ18mm×1500mm螺紋鋼錨桿，護(hù)幫W 型鋼帶寬280 mm、厚5 mm、長(zhǎng)450mm。巷道南幫護(hù)幫錨桿支護(hù)2 排，排間距1000mm、1500 mm；北幫考慮到在煤柱側(cè)支護(hù)，護(hù)幫錨桿3 排，排間距1000 mm、1000 mm。

4）錨固劑選擇：頂板及護(hù)幫錨桿每孔使用1 支MSK2360 樹(shù)脂藥卷錨固；錨索每孔使用2 支MSK2360 樹(shù)脂藥卷錨固。

4.3.2 5 號(hào)煤層5505 巷變更后支護(hù)設(shè)計(jì)

為了保證5 號(hào)煤層5505 巷采掘交鋒期間的支護(hù)質(zhì)量可靠，對(duì)5505 巷與8503 工作面采掘交鋒點(diǎn)前后60 m 范圍內(nèi)的永久支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行變更。變更后支護(hù)方式為：

1）頂板錨桿支護(hù)：仍按原設(shè)計(jì)執(zhí)行，采用規(guī)格Φ20 mm×2500 mm 螺紋鋼錨桿，排間距1000 mm、900 mm，每排5 根，錨桿全部垂直頂板打設(shè)；錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m；同時(shí)配合使用W 型鋼帶和菱形金屬網(wǎng)支護(hù)，W 型鋼帶寬280 mm、厚5 mm、長(zhǎng)3800 mm；菱形金屬網(wǎng)規(guī)格6000 mm×1200 mm，網(wǎng)孔規(guī)格60 mm×60 mm，絲徑4.19 mm。

2）頂板錨索支護(hù)：5 號(hào)層305 盤(pán)區(qū)5505 巷掘進(jìn)至采掘交鋒前60～40 m 和上覆4 號(hào)層8505 工作面采空區(qū)影響范圍，頂板錨索支護(hù)由原來(lái)的每隔3 m 支護(hù)2 根單錨索變更為每隔2 m 支護(hù)2 根單錨索，其余支護(hù)方式不變，支護(hù)斷面如圖1 所示。5505 巷掘進(jìn)至采掘交鋒前20 m 和采掘交鋒后60 m 范圍，頂板錨索變更支護(hù)為每隔2 m 支護(hù)1 根“一梁三錨”，錨索采用規(guī)格Φ21.8 mm×8300 mm，錨索排間距2000 mm、1500 mm，錨索預(yù)緊力張拉鎖定后200 kN；鋼梁采用11 號(hào)礦用工字鋼，鋼梁長(zhǎng)3500 mm、眼距1500 mm（錨索必須錨固到穩(wěn)定巖層1500 mm 以上，生產(chǎn)班每班用錨桿機(jī)探測(cè)煤巖情況，根據(jù)頂板巖層厚度選取錨索長(zhǎng)度），支護(hù)斷面如圖2 所示。

圖1 采掘交鋒前60～40 m 支護(hù)斷面示意圖（單位：mm）

圖2 采掘交鋒前20 m、后60 m 支護(hù)斷面示意圖（單位：mm）

3）兩幫支護(hù)：5 號(hào)層5505 巷與8503 綜放工作面交鋒相距前、后60 m 前范圍內(nèi)，對(duì)北幫（煤柱側(cè)）的護(hù)幫支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，兩幫支護(hù)仍執(zhí)行原設(shè)計(jì)。北幫支護(hù)設(shè)計(jì)變更為北幫護(hù)幫采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，施工3 排螺紋鋼錨桿，錨桿規(guī)格Φ18 mm×1500 mm，排間距為1000 mm、1000 mm，錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m；護(hù)幫W 型鋼帶寬280 mm，厚5 mm，長(zhǎng)450 mm。施工2排護(hù)幫錨索，錨索規(guī)格Φ21.8 mm×4300 mm，排間距為2000 mm、1500 mm，上面一排錨索距頂板1000 mm，下面一排錨索距底板900 mm，錨索預(yù)緊力張拉鎖定后150 kN，錨索托板使用鋼質(zhì)預(yù)應(yīng)力托盤(pán)，規(guī)格為250 mm×250 mm×16 mm；護(hù)幫支護(hù)距工作面不大于3 m，當(dāng)巷道兩幫片幫達(dá)到200 mm 時(shí)，護(hù)幫網(wǎng)必須緊跟工作面。

4）錨固劑選擇：頂板及護(hù)幫錨桿每孔使用1 支MSK2360 樹(shù)脂藥卷錨固。頂板錨索及幫錨索每孔使用2 支MSK2360 樹(shù)脂藥卷錨固。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)5 號(hào)煤5505 巷采掘交鋒期間頂板與兩幫的支護(hù)設(shè)計(jì)調(diào)整，有效保證了巷道的支護(hù)效果，最大限度地減少了巷道的變形，為后期的安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。