＊任國(guó)強(qiáng) 張永 畢利軍

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司 山西 048400）

引言

煤炭是我國(guó)最主要的能源之一，我國(guó)是煤炭產(chǎn)量大國(guó)，年產(chǎn)量約41億噸，全球總產(chǎn)量占比較大，為實(shí)現(xiàn)煤礦井下開采的安全高效性，首要條件是保障好回采巷道圍巖的穩(wěn)定性，由于回采巷道約長(zhǎng)1500公里，控制破碎圍巖回采巷道的穩(wěn)定性十分必要，也是很多專家研究的領(lǐng)域。例如，吳愛祥和胡凱建等人[1]提出并驗(yàn)證“鋼拱架+長(zhǎng)錨索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，可有效改善巷道圍巖變形?？追矀2]基于圍巖力學(xué)參數(shù)測(cè)試，以及數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的支護(hù)方案，可有效減弱圍巖變形。孫占成和周保平[3]在石炭系破碎圍巖中采用“中空注漿錨索+錨桿”的方式，控制破碎圍巖巷道變形，取得了較好的效果。本文在參考以上科研成果的基礎(chǔ)上，以山西某礦10-208回采巷道為研究對(duì)象，該工作面地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜，當(dāng)回采巷道過破碎圍巖段期間，巷道頂板下沉明顯，片幫等嚴(yán)重破損，對(duì)井下作業(yè)安全構(gòu)成威脅，導(dǎo)致巷道無法正常使用。因此，為了減少施工風(fēng)險(xiǎn)，研究分析破碎圍巖回采巷道的支護(hù)技術(shù)，具有實(shí)際應(yīng)用意義，可為類似工況下的同類型巷道圍巖支護(hù)提供參考。

1.工程概況

山西某礦10-208工作面，實(shí)體煤巖層覆于其上，其地理位置西鄰10-206回采工作面，南與二盤區(qū)3條準(zhǔn)備大巷接壤，北部和東部均為實(shí)體煤，緊挨著風(fēng)氧化帶，位于礦井井田邊界，生產(chǎn)過程中不易受采動(dòng)的影響。該工作面開采煤層類型為石炭系上統(tǒng)太原組的9號(hào)和10號(hào)煤的混合層，9號(hào)和10號(hào)煤層間距為0.2～0.4m，層普氏系數(shù)為2～3，中厚層狀，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

山西某礦10-208工作面地面標(biāo)高+1045～+1175m，10-208回采巷道標(biāo)高+810～+835m，巷道全長(zhǎng)997m，為矩形斷面，凈寬和凈高分別為5.0m和3.5m。10-208回采巷道在地質(zhì)作用影響下，巷道圍巖150m左右變形情況嚴(yán)重，頂板下沉600mm，兩幫移近500mm，且部分區(qū)域發(fā)生了錨桿索斷裂等狀況，為了保障煤礦井下生產(chǎn)的安全性，加固處理10-208回采巷道嚴(yán)重變形的區(qū)域十分必要。

2.巷道圍巖變形機(jī)理

(1)地質(zhì)構(gòu)造的影響

對(duì)山西某礦10-208工作面回采巷道進(jìn)行實(shí)地地質(zhì)勘察，發(fā)現(xiàn)其在工作面掘進(jìn)作業(yè)過程中揭露6條正斷層，斷層最大影響區(qū)域?yàn)?0m，斷層落差為0.5～1.7m，嚴(yán)重破壞了巷道圍巖的完整性，同時(shí)在地質(zhì)構(gòu)造的綜合作用下，巷道圍巖穩(wěn)定性較差，造成工作面回采巷道部分位置圍巖處于嚴(yán)重破碎狀況，巷道圍巖較為脆弱。

(2)圍巖強(qiáng)度的影響

10-208回采巷道的直接頂，其巖石種類為泥巖，具有易吸水膨脹、強(qiáng)度較低等特點(diǎn)，故質(zhì)軟的泥巖位于直接頂區(qū)域內(nèi)，致使巷道圍巖極易產(chǎn)生較大變形。原來的巷道頂板支護(hù)方案如下：

在巷道頂板的材料選擇方面，采用左旋螺紋鋼錨桿，其規(guī)格為直徑22mm、長(zhǎng)度2400mm，在施工設(shè)置方面，使所有錨桿間距都為900mm×1000mm，且都與頂板垂直，錨桿螺母錨固力大小為190kN，其預(yù)緊力矩至少為300N·m。巷道頂板的錨索在材料選擇方面，采用鋼絞線錨索，其規(guī)格大小為直徑20mm×5300mm預(yù)應(yīng)力，在施工設(shè)置方面，使各錨索間按間距1800mm×2000mm排列，選用的球型鋼板托盤，其規(guī)格大小為180mm×180mm×12mm，為使錨索錨固端能夠深入穩(wěn)定巖體中至少1m的距離，以保證支護(hù)效果，對(duì)其施加預(yù)緊力至少為300kN。巷道兩幫的錨桿采用的材料規(guī)格與巷道頂板相同，但在施工設(shè)置方面，所有錨桿間距設(shè)置為950mm×1000mm，且都與幫部垂直，錨桿螺母錨固力大小為160kN，兩幫的金屬網(wǎng)規(guī)格大小為2900mm×1100mm，采用16號(hào)雙股聯(lián)網(wǎng)絲進(jìn)行金屬網(wǎng)的聯(lián)接，金屬網(wǎng)搭接長(zhǎng)50mm，聯(lián)網(wǎng)絲扭結(jié)為3扣以上，聯(lián)網(wǎng)距在200mm以內(nèi)。

原支護(hù)方案中，錨桿長(zhǎng)2400mm，其錨固區(qū)位于錨桿僅對(duì)剪切應(yīng)力起作用的泥巖中，支護(hù)作用無法全部起作用，支護(hù)效果較差。

(3)地應(yīng)力的影響

為深入分析巷道圍巖的變形破壞機(jī)理，以破碎圍巖嚴(yán)重的位置為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見圖1。

從圖1可看出，回采巷道的走向?yàn)檎龞|西方向，由圖1回采巷道和最大水平主應(yīng)力的夾角（45°），可求得剪切破壞面與水平面夾角θ：

由圖1可看出，山西某礦10-208工作面回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理如下：正東西走向的回采巷道，其巷道頂板巖石在最大和最小水平主應(yīng)力作用下，會(huì)產(chǎn)生41°至60°的剪切破壞，破壞角度區(qū)間與回采巷道平行，不能有效實(shí)現(xiàn)巷道圍巖支護(hù)。

3.加固支護(hù)方案

(1)注漿加固方案

將圍巖先進(jìn)行掃噴，再進(jìn)行注漿，將裸露處圍巖的表面封閉。頂板注漿孔的直徑為36mm，深度為8000mm，注漿孔布置方式為“4-3-4”，其間排距為1600mm×2000mm；巷道幫部和底板的注漿孔直徑均為36mm，深度分別為7000mm和6000mm，其注漿孔布置方式均為每排兩根，間排距均為2000mm×2000mm。

巷道圍巖進(jìn)行注漿加固時(shí)，采用鑿巖機(jī)設(shè)備進(jìn)行注漿打孔操作，具體的注漿孔布置見圖2。打設(shè)時(shí)要注意使注漿孔均垂直于巷道圍巖表面，并將射漿管埋設(shè)到注漿孔內(nèi)，進(jìn)行一次性全鉆孔注漿，注漿壓力為6.0MPa左右，注漿材料選用水玻璃和水泥漿液體積比大概0.5:1的水泥-水玻璃雙液漿，其各成分的具備配比參數(shù)為水灰比0.8、水玻璃濃度50Be左右，模數(shù)3.0。

圖2 注漿孔布置圖（單位：mm）

(2)錨桿索支護(hù)方案

①巷道頂板支護(hù)。在該支護(hù)方案中，巷道頂板支護(hù)材料采用規(guī)格型號(hào)為CRM500Φ22-M24-2400強(qiáng)力錨桿和SKP22-1/1860/8300強(qiáng)力錨索，錨桿和錨索均與巷道頂板垂直打設(shè)。錨桿的施工布置如下：每排五根，排列間距為900mm×900mm，錨桿螺母預(yù)緊力矩在400～500N·m之間，同時(shí)使用3.8m長(zhǎng)的鋼帶進(jìn)行支護(hù)，以提升效果。錨索的施工布置如下：采用“2-3-2”的形式，其間排距根據(jù)錨索數(shù)量的不同而不同，若布設(shè)的為兩根錨索，可設(shè)置為1800mm×1000mm的間排距，如果布設(shè)的為三根錨索，可設(shè)置為1700mm×1000mm的間排距。

②巷道兩幫支護(hù)。巷道兩幫支護(hù)材料，都選用強(qiáng)力錨桿與錨索，巷道兩幫對(duì)稱設(shè)置四根間排距為950mm×1000mm的錨桿。錨索打設(shè)時(shí)與幫部垂直，錨索的設(shè)置方式為左右兩幫對(duì)稱布設(shè)，每排打設(shè)兩根，其間排距為2000mm×2000mm。優(yōu)化后錨桿索支護(hù)方案見圖3。

圖3 優(yōu)化支護(hù)方案圖（單位：mm）

4.工業(yè)性試驗(yàn)

在山西某礦10-208破碎巷道，應(yīng)用給巷道進(jìn)行注漿加固和采用錨桿索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)的方案，為保證數(shù)據(jù)結(jié)果更有說服力，安排了兩組測(cè)站，其間距為40m，在回采巷道過破碎段過程中，采用“十字布點(diǎn)法”對(duì)巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀恢玫膰鷰r變形量進(jìn)行測(cè)量，在頂幫、頂部、幫部和底板區(qū)域均設(shè)置測(cè)點(diǎn)，其測(cè)點(diǎn)位置分別在同一斷面內(nèi)、巷道中心線上、距巷道地面1m處及鐵釬釘入底板圍巖內(nèi)250mm處。共觀測(cè)90天，頻率為每周一次，不同測(cè)站巷道圍巖表面位移結(jié)果見圖4。

圖4 不同測(cè)站巷道圍巖表面位移情況

圖4表明，在前58天內(nèi)，頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量與時(shí)間變化呈正相關(guān)的變化趨勢(shì)，在58天后，頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量變化不大，趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲罄塾?jì)變形量為49.5mm，巷道兩幫最大累計(jì)變形量為64.6mm，故頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量隨觀測(cè)時(shí)間的變化趨勢(shì)為先增大，到一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定，其巷道掘進(jìn)過程中沒有發(fā)生冒頂片幫現(xiàn)象。結(jié)果表明，該巷道圍巖變形得到了有效控制。

5.結(jié)論

以山西某礦10-208破碎巷道工程概況為例，基于巷道圍巖變形機(jī)理，研究巷道圍巖變形支護(hù)方案，其結(jié)論如下：

（1）本文通過分析巷道圍巖破碎變形機(jī)理，設(shè)計(jì)了巷道進(jìn)行注漿加固與采用錨桿索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)的的優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案。

（2）在10-208工作面回采巷道，進(jìn)行該支護(hù)方案的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，結(jié)果表明，該回采巷道過破碎段過程中頂?shù)装遄畲罄塾?jì)變形量為49.5mm，巷道兩幫最大累計(jì)變形量為64.6mm，圍巖變形控制效果顯著。