杜曉剛

（山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

煤礦巷道支護(hù)的根本目的是確保巷道圍巖不發(fā)生過(guò)量位移，而構(gòu)造應(yīng)力的存在往往導(dǎo)致大斷面巷道圍巖完整性差，容易造成巷道冒頂及片幫等礦壓事故[1-3]。針對(duì)大斷面巷道，查明其構(gòu)造應(yīng)力擾動(dòng)下的巷道變形特征，并合理制定圍巖控制方法尤為重要[4-5]。郝世維[6]設(shè)計(jì)了過(guò)斷層構(gòu)造帶巷道支護(hù)方案與參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了18502 工作面輔運(yùn)巷圍巖變形可控；王鑫[7]分析大型陷落柱構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道圍巖應(yīng)力的影響，提出了幫錨索配合錨桿的聯(lián)合支護(hù)方法；楊靜[8]針對(duì)深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)回采巷道支護(hù)難度大的問(wèn)題，提出了深部開(kāi)采的圍巖控制的新思路和適用于大塑性區(qū)特征大變形的支護(hù)技術(shù)；李永剛[9]為解決斷層+背向斜構(gòu)造條件下巷道變形難題，提出“W鋼帶、金屬網(wǎng)、錨索、錨桿”的聯(lián)合支護(hù)方式，巷道變形得到有效控制。以王莊煤礦3#煤層9105 工作面為工程背景，在分析構(gòu)造應(yīng)力擾動(dòng)下大斷面巷道變形特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)大斷面巷道提出切實(shí)可行的圍巖控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)工作面安全高效回采。

1 工程概況

王莊煤礦主采3#煤層9105 工作面，煤層平均厚6.52 m，傾角為2°～12°，井田內(nèi)不存在陷落柱及巖漿巖侵入情況，煤層瓦斯含量較低，屬于低瓦斯礦井。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。9105 工作面煤層整體東北向西傾斜的單斜構(gòu)造，工作面為南北布置，切眼長(zhǎng)339 m，可采長(zhǎng)度風(fēng)巷與運(yùn)巷分別為3432 m 和3432 m。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

王莊煤礦9105 工作面受到地質(zhì)構(gòu)造影響的巷道在不斷地增多，這類巷道因構(gòu)造應(yīng)力的作用和巖體力學(xué)特性差，運(yùn)輸巷道出現(xiàn)嚴(yán)重變形、冒落、反復(fù)返修等一系列問(wèn)題。目前，巷道斷面尺寸為寬×高=5.6 m×4.2 m，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，巷道頂板下沉量為316 mm，底板底鼓量為148 mm，回采幫變形量為205 mm，煤柱幫變形量237 mm，對(duì)工作面安全回采構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為保證礦井的安全生產(chǎn)，為今后的巷道布置、支護(hù)設(shè)計(jì)等提供基礎(chǔ)參數(shù)，特開(kāi)展構(gòu)造巷道應(yīng)力分布特征及圍巖控制技術(shù)研究，以解決地質(zhì)構(gòu)造巷道穩(wěn)定性問(wèn)題，保證巷道安全。

2 構(gòu)造應(yīng)力擾動(dòng)下大斷面巷道變形特征分析

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

王莊煤礦9105 工作面頂板屬于典型的膨脹性軟巖，巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)能極大地影響巷道穩(wěn)定性，研究采用FLAC3D軟件分析大斷面巷道變形特征。構(gòu)建數(shù)值模型長(zhǎng)×寬×高=50 m×30 m×50 m，模型底部固定，兩側(cè)邊界進(jìn)行位移約束，設(shè)置上覆巖層自重為7.5 MPa，共劃分為637 500 個(gè)單元。巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)

2.2 巷道寬度影響分析

由于王莊煤礦9105 工作面運(yùn)輸巷屬于大寬度條件巷道，為研究巷道寬度對(duì)圍巖變形的影響，首先固定巷道高度為4.5 m，對(duì)巷道寬度分別為4.0 m、4.5 m、5.0 m 和5.5 m 進(jìn)行模擬分析，不同寬度條件下巷道圍巖變形情況如圖1 所示。隨著巷道寬度增加，巷道頂?shù)装遄冃未笥趦蓭妥冃巍．?dāng)巷道寬度為4.0 m 時(shí)，頂?shù)装逡平繛?75 mm，兩幫移近量為236 mm；當(dāng)巷道寬度為4.5 m 時(shí)，頂?shù)装逡平繛?15 mm，變形量增加14.5%，兩幫移近量為265 mm，變形量增加12.3%，巷道變形小幅度增加；當(dāng)巷道寬度為5.0 m 時(shí)，頂?shù)装逡平繛?88 mm，變形量增加23.1%，兩幫移近量為332 mm，變形量增加25.3%，巷道變形增加幅度較大；當(dāng)巷道寬度為5.5 m 時(shí)，頂?shù)装逡平繛?50 mm，變形量增加15.9%，兩幫移近量為435 mm，變形量增加31%，巷道變形幅度繼續(xù)增加。可以看出，當(dāng)巷道寬度不大于4.5 m 時(shí)，巷道整體變形幅度較小，寬度超過(guò)4.5 m 后，巷道變形大幅度增加。

圖1 不同寬度下巷道圍巖變形情況

2.3 巷道高度影響分析

為了重點(diǎn)分析巷道高度對(duì)圍巖變形的影響，固定巷道寬度為4.5 m，對(duì)巷道高度分別為4.0 m、4.5 m、5.0 m 和5.5 m 進(jìn)行模擬分析。不同高度條件下巷道圍巖變形情況如圖2 所示。隨著巷道高度的增加，與不同寬度條件巷道變形不同，當(dāng)巷道高度大于寬度后，巷道變形表現(xiàn)為兩幫大于頂?shù)装?。巷道高度?.0 m 時(shí)，頂?shù)装逡平繛?85 mm，兩幫移近量為246 mm；當(dāng)巷道高度為4.5 m 時(shí)，頂?shù)装逡平繛?15 mm，變形量增加10.5%，兩幫移近量為265 mm，變形量增加7.7%，巷道變形幅度增加較??；當(dāng)巷道高度為5.0 m 時(shí)，頂?shù)装逡平繛?48 mm，變形量增加10.5%，兩幫移近量為362 mm，變形量增加36.6%，巷道變形幅度較大；當(dāng)巷道高度為5.5 m 時(shí)，頂?shù)装逡平繛?12 mm，變形量增加18.4%，兩幫移近量為445 mm，變形量增加22.9%，巷道變形幅度依然較大?？梢钥闯?，當(dāng)巷道高度不大于4.5 m 時(shí)，巷道變形幅度較小，高度超過(guò)4.5 m 后，巷道變形大幅度增加。

圖2 不同高度下巷道圍巖變形情況

2.4 構(gòu)造應(yīng)力影響分析

王莊煤礦采區(qū)工作面回采過(guò)程中，對(duì)不同位置巷道地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量得到側(cè)壓系數(shù)變化范圍為0.95～2.55。隨著深度的增加，側(cè)壓力系數(shù)也逐漸增大，研究選擇側(cè)壓系數(shù)λ分別為1.0、1.5、2.0、2.5及3.0 進(jìn)行數(shù)值模擬分析。隨著側(cè)壓系數(shù)變化巷道圍巖變形情況見(jiàn)圖3?？梢钥闯觯S著與巷道距離的增加，巷道變形整體表現(xiàn)為快速增加-緩慢增加變形特征。與巷道距離在0～5 m 范圍內(nèi)，變形增加劇烈，與巷道距離超過(guò)5 m 后，巷道變形增加緩慢。隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤尸F(xiàn)增加趨勢(shì)，側(cè)壓系數(shù)越大，巷道變形增加越劇烈，同時(shí)巷道頂?shù)装遄冃我笥趦蓭妥冃巍?/p>

圖3 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖變形情況

綜合分析，王莊煤礦9105 工作面在現(xiàn)用巷道斷面尺寸條件下，由于寬度較大，受構(gòu)造應(yīng)力擾動(dòng)影響，導(dǎo)致巷道頂板變形比兩幫嚴(yán)重，煤柱幫變形要大于回采幫。為保證巷道的穩(wěn)定，以及隨著開(kāi)采向深部發(fā)展為有效控制深部巷道穩(wěn)定性，需結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力擾動(dòng)下大斷面巷道變形特征，提出有效的大斷面巷道圍巖控制技術(shù)。

3 大斷面巷道圍巖控制方法

現(xiàn)用大斷面巷道在構(gòu)造應(yīng)力擾動(dòng)下主要表現(xiàn)為頂板下沉量大，兩幫變形嚴(yán)重，不利于大斷面巷道的穩(wěn)定，需要對(duì)大斷面巷道實(shí)施有效的支護(hù)，提出對(duì)巷道頂板及兩幫加強(qiáng)支護(hù)的圍巖穩(wěn)定性控制方法。

3.1 頂板支護(hù)

頂板采用“鋼筋網(wǎng)+螺紋鋼錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索”聯(lián)合支護(hù)，首先對(duì)巷道頂板鋪鋼筋網(wǎng)支護(hù)，鋪設(shè)時(shí)鋼筋網(wǎng)要與頂板接實(shí)，網(wǎng)下用木背板與前探梁背緊、背實(shí)；隨后打設(shè)Φ22 mm×2700 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為0.75 m×0.75 m，巷道中部錨桿垂直頂板及兩幫布置，巷道邊側(cè)錨桿與巷道頂板及兩幫呈45°夾角，按從中間到兩邊逐根邁步式依次進(jìn)行，打設(shè)頂部中間第一根頂錨桿時(shí)先將該處對(duì)應(yīng)前探梁后縮至不影響該錨桿排距打設(shè)位置；最后打設(shè)Φ18.9 mm×8000 mm 低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距為1.7 m×1.2 m，排與排之間采取“232”交錯(cuò)布置方式，安裝好的錨索應(yīng)戴帽并在錨索鎖具下用10 號(hào)鐵絲將錨索十字捆綁纏繞三圈使錨索及托板與頂部金屬網(wǎng)片捆綁連接固定到一起。

3.2 兩幫支護(hù)

兩幫采用“工字鋼棚+螺紋鋼錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索”聯(lián)合支護(hù)，兩幫施打錨桿孔時(shí)，煤柱幫與回采幫錨桿布置方式與頂錨桿一致。由于原巷道在布置過(guò)程中煤柱幫變形較大，為了進(jìn)一步保證煤柱幫的穩(wěn)定性，在煤柱幫每排補(bǔ)打兩根Φ18.9 mm×5000 mm 鋼絞線錨索，間排距為1.8 m×1.2 m。為進(jìn)一步保證巷道的穩(wěn)定，還需采用工字鋼棚支護(hù)，鋼棚采用11 號(hào)礦用工字鋼做成梯形棚，棚間距0.8 m，鋼梁長(zhǎng)3500 mm，棚腿長(zhǎng)2839 mm/根，扎腳為450 mm。鋼棚腿間采用4 根Φ18 mm 圓鋼拉桿連鎖，上下拉桿間距1 m，拉桿展開(kāi)長(zhǎng)度1.1 m/根，4根/棚，拉桿桿座焊接在棚腿上，桿座焊接位置位于棚腿墊板上1 m 和2 m 處各一個(gè)。大斷面巷道支護(hù)斷面見(jiàn)圖4。

圖4 大斷面巷道支護(hù)斷面圖（mm）

4 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 巷道變形監(jiān)測(cè)

研究提出的大斷面巷道圍巖控制技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后，分別對(duì)巷道兩幫和頂?shù)装逡平窟M(jìn)行為期兩個(gè)月的監(jiān)測(cè)，共布置兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。巷道變形主要表現(xiàn)為快速發(fā)展-平穩(wěn)波動(dòng)兩個(gè)過(guò)程，在支護(hù)后50 d 以前，巷道變形發(fā)展較快，但是隨著時(shí)間的推移，超過(guò)50 d 以后，巷道變形量逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。巷道變形穩(wěn)定后，頂?shù)装遄畲笠平繛?97 mm，兩幫移近量為245 mm。巷道加強(qiáng)支護(hù)前，頂?shù)装遄畲笠平繛?64 mm，兩幫最大移近量為442 mm。與加強(qiáng)支護(hù)前相比，頂?shù)装逡平拷档?7.5%，兩幫移近量降低44.5%，說(shuō)明該支護(hù)方案對(duì)大斷面巷道圍巖變形實(shí)現(xiàn)了有效控制，可滿足工作面安全回采要求。

圖5 巷道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4.2 錨桿（索）受力監(jiān)測(cè)

錨桿受力整體呈現(xiàn)先快速增長(zhǎng)，后緩慢增長(zhǎng)，最后趨于平緩特征。支護(hù)初期錨桿的軸向拉力增加比較快速，特別是支護(hù)后40 d 內(nèi)增幅較大，但是隨著時(shí)間的推移錨桿的拉力逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，其中錨桿的軸向拉力大小范圍在88～105 kN 之間，這說(shuō)明錨桿充分發(fā)揮了支護(hù)協(xié)調(diào)作用，使圍巖形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，有效限制了巷道圍巖變形的發(fā)展，保障了大斷面巷道的穩(wěn)定。錨桿軸向拉力變化情況如圖6 所示。

圖6 錨桿軸向拉力曲線圖

錨索軸向拉力變化情況如圖7 所示。隨著支護(hù)時(shí)間的增加，錨索的受力曲線整體呈現(xiàn)先快速增長(zhǎng)，后緩慢增長(zhǎng)，最后趨于平緩特征。支護(hù)初期錨索的軸向拉力增加比較快速，特別是支護(hù)后50 d 內(nèi)增幅較大，隨時(shí)間推移，50 d 后錨索軸向拉力趨于穩(wěn)定，其中錨索的軸向最大拉力范圍260～350 kN 之間，這說(shuō)明錨索充分發(fā)揮了懸吊的作用，抗拉強(qiáng)度得到了有效發(fā)揮，保證了巷道的穩(wěn)定。

圖7 錨索拉力曲線圖

綜上分析，研究提出的針對(duì)構(gòu)造應(yīng)力擾動(dòng)下大斷面巷道圍巖控制技術(shù)，巷道兩幫移近量可控制在245 mm，頂?shù)装遄冃瘟靠煽刂圃?97 mm，巷道整體變形較小，同時(shí)錨桿及錨索均能夠提供有效的支撐，構(gòu)造巷道穩(wěn)定性良好，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效回采。

5 結(jié)論

1）通過(guò)分析構(gòu)造應(yīng)力擾動(dòng)下斷面巷道變形特征，當(dāng)巷道寬度超過(guò)高度一定范圍時(shí)，表現(xiàn)為巷道頂?shù)装遄冃未笥趦蓭妥冃纬潭龋@是王莊煤礦工作面巷道頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平康淖钪饕绊懸蛩亍?/p>

2）相同側(cè)壓系數(shù)下，隨著與巷道距離的增加，巷道變形整體表現(xiàn)為快速增加-緩慢增加變形特征；隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤尸F(xiàn)增加趨勢(shì)，側(cè)壓系數(shù)越大，巷道變形增加越劇烈。

3）針對(duì)構(gòu)造應(yīng)力擾動(dòng)下的大斷面巷道，研究提出巷道采用“高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索+金屬網(wǎng)+工字鋼棚”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，巷道錨桿（索）受力狀態(tài)良好，頂?shù)装逡平拷档?7.5%，兩幫移近量降低44.5%，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造巷道的有效控制。