馮錦鵬，季衛(wèi)斌，范彥陽，陳廣帥

(1.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司回坡底煤礦，山西 霍州 031400；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.霍州煤電集團(tuán)責(zé)任有限公司技術(shù)研究院，山西 霍州 031400)

0 引言

回坡底煤礦的主采煤層為10#煤和11#煤，10#煤平均厚度2.67 m，11#煤平均厚度3.3 m。9#～10#煤層直接頂板為石灰?guī)r，厚7.6～9.3 m，平均8.9 m，分布穩(wěn)定。礦井地質(zhì)報(bào)告顯示，開采區(qū)域內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單、煤層賦存淺、地應(yīng)力小、而灰?guī)r頂板厚度大、強(qiáng)度高、分布穩(wěn)定。礦井初步設(shè)計(jì)時(shí)K2灰?guī)r頂板的支護(hù)形式為：頂板采取錨網(wǎng)梁支護(hù)，兩幫部位采取鋪桿支護(hù)。煤礦的生產(chǎn)實(shí)踐表明：此種支護(hù)方式成本較高，施工速度較慢，經(jīng)濟(jì)技術(shù)不盡合理。因此，K2灰?guī)r頂板巷道的圍巖穩(wěn)定性及合理的支護(hù)方式已成為回坡底煤礦亟待解決的重大技術(shù)難題之一。

1 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試

為了掌握回風(fēng)大巷圍巖基礎(chǔ)參數(shù)，為巷道支護(hù)形式與參數(shù)選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在回坡底煤礦進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位于回風(fēng)大巷附近10#煤中。

1.1 圍巖結(jié)構(gòu)

圖1 圍巖結(jié)構(gòu)

1.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試及分析

采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置，在窺視鉆孔內(nèi)對(duì)巷道頂板10 m范圍煤巖層的強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、分析和換算后，得到測(cè)站頂板煤巖體強(qiáng)度分布特征，測(cè)點(diǎn)頂板煤巖體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，如圖2所示。

圖2 頂板巖體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

對(duì)照頂板10 m以下和兩幫煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，得到以下結(jié)論：頂板以上0～2.0 m為泥巖，巖層強(qiáng)度平均值為23.17 MPa;2.0～3.0 m為9#煤，煤體強(qiáng)度平均值為17.26 MPa；3.0～10 m為K2灰?guī)r，巖層強(qiáng)度平均值為100.39 MPa。

地應(yīng)力測(cè)量的主要目的是掌握試驗(yàn)對(duì)象的應(yīng)力環(huán)境，為巷道布置方位選擇和支護(hù)參數(shù)強(qiáng)度設(shè)置提供理論依據(jù)。地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見表1。

通過地應(yīng)力測(cè)量，掌握了回風(fēng)大巷附近地應(yīng)力大小和方位。

表1 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

556回風(fēng)大巷附近最大水平主應(yīng)力為9.32 MPa，垂直主應(yīng)力8.77 MPa，從地應(yīng)力量值而言，區(qū)域基本屬于低地應(yīng)力場(chǎng)，較有利于巷道支護(hù)。

根據(jù)地應(yīng)力巷道布置理論，最大水平主應(yīng)力的方向是指導(dǎo)掘進(jìn)巷道布置方向的主要理論依據(jù)。對(duì)于σH>σV>σh型應(yīng)力場(chǎng)，巷道最佳布置形式巷道軸向與最大主應(yīng)力的方向呈某一夾角，夾角大小與主應(yīng)力大小有關(guān)，最優(yōu)巷道軸向與最大水平主應(yīng)力的夾角可用式(1)計(jì)算。

(1)

式中：σH=9.32 MPa；σh=4.99 MPa；σv=8.77 MPa。

接受新教學(xué)法實(shí)習(xí)學(xué)生的理論知識(shí)及臨床技能分?jǐn)?shù)，均優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)法組學(xué)生，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見表1。

通過計(jì)算可知α0=69°。巷道軸向?yàn)镹119°W，與最大水平主應(yīng)力方向夾角為67°，雖非最佳布置方位，但是只相差2°，巷道變形受到最大水平主應(yīng)力方向的影響很小，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)基本不需要考慮這一影響因素。

2 灰?guī)r頂板巷道圍巖破壞特征及應(yīng)力分析

本次采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序FLAC3D軟件，提出3種不同強(qiáng)度的支護(hù)方案，分別分析不同支護(hù)強(qiáng)度下K2灰?guī)r直接頂板回風(fēng)大巷圍巖破壞特征及應(yīng)力狀態(tài)。

2.1 建立模型

根據(jù)556回風(fēng)大巷實(shí)際地質(zhì)條件，建立對(duì)應(yīng)的FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為260 m×100 m×30 m。模型如圖3所示，在建模過程中嚴(yán)格按照地質(zhì)剖面圖的尺寸，三維模型的邊界條件為：上部為應(yīng)力邊界，四周和底部為鉸支邊界。

圖3 數(shù)值模型圖

根據(jù)理論分析和現(xiàn)有工程實(shí)踐，提出3種支護(hù)方案，如圖4所示。

a-方案一;b-方案二;c-方案三圖4 3種方案支護(hù)圖

方案一：回風(fēng)大巷頂板不支護(hù)，兩幫各3根錨桿，桿體規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿預(yù)緊力矩300 N·m。

方案二：回風(fēng)大巷頂板采用2根錨索支護(hù)，錨索材料為φ17.8 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度6 300 mm，間距1 800 mm，沿巷道軸線對(duì)稱布置，排距2 000 mm，錨索初始張拉力為200 kN。兩幫各3根錨桿，桿體規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿預(yù)緊力矩300 N·m。

方案三：中回風(fēng)大巷頂板4根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑20 mm，錨桿長(zhǎng)度2 000 mm，沿軸線對(duì)稱布置，間距1 400 mm，排距2 000 mm，錨桿預(yù)緊力矩200 N·m；一根錨索，錨索材料為φ17.8 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度6 300 mm，排距4 000 mm，錨索初始張拉力為200 kN。兩幫各3根錨桿，桿體規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿預(yù)緊力矩300 N·m。

2.2 巷道受力與變形模擬分析

圖5為3個(gè)方案中回風(fēng)大巷圍巖垂直應(yīng)力分布情況。

a-方案一;b-方案二;c-方案三圖5 巷道垂直應(yīng)力分布圖

從圖5中可以看出，巷道開挖后，垂直應(yīng)力向巷道兩幫集中，方案一中頂板無支護(hù)，兩幫最大垂直應(yīng)力略大于方案二和方案三最大垂直應(yīng)力值，方案二和方案三兩幫垂直應(yīng)力值比較接近。

2.3 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

在巷道表面建立位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)回風(fēng)大巷的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出3個(gè)方案中巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笪灰浦狄姳?。

從表2可以看出，方案二和方案三中巷道變形較為接近，方案一中巷道變形略大于方案二和方案三?？傮w來看，3個(gè)方案中巷道變形均不嚴(yán)重，回風(fēng)大巷圍巖穩(wěn)定性較好。說明由于直接頂板為堅(jiān)硬K2灰?guī)r，頂板支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響不大。

3 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)原則

根據(jù)以上分析，結(jié)合一次支護(hù)原則、高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則，“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)，臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則，相互匹配原則，可操作性原則，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。

表2 巷道圍巖變形情況

3.2 支護(hù)方案

頂板完整段：在頂板K2灰?guī)r完整性好、裂隙不發(fā)育的情況下，采用方案一支護(hù)方法，頂板不采取支護(hù)措施，兩幫采取錨桿支護(hù)。由于K2灰?guī)r硬度較大，難于鉆進(jìn)，這樣可以節(jié)約大量人力物力，大幅度提高掘進(jìn)速度，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，由于回風(fēng)大巷受采動(dòng)影響較小，可實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

頂板裂隙發(fā)育段：在頂板K2灰?guī)r裂隙較為發(fā)育的情況下，采用方案二支護(hù)方法，頂板采用錨索支護(hù)，二二布置，視頂板完整情況選擇是否采用鋼筋網(wǎng)，兩幫采取錨桿支護(hù)。一方面避免在K2灰?guī)r上鉆進(jìn)錨桿孔，節(jié)約人力物力，大幅度提高掘進(jìn)速度。另一方面，根據(jù)以上研究結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

3.3 效果

上述支護(hù)方案于2016年1月份提交煤礦并開始施工，施工期間密切觀測(cè)巷道圍巖情況，強(qiáng)調(diào)施工質(zhì)量，并在巷道圍巖表面建立表面位移測(cè)站，到目前為止巷道已使用近一年時(shí)間，圍巖穩(wěn)定性較好，巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?10 mm，兩幫最大移近量為60 mm，巷道圍巖穩(wěn)定，支護(hù)效果良好。

圖6 巷道圍巖變形情況

4 結(jié)論

(1)根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，巷道所在區(qū)域基本屬于低地應(yīng)力場(chǎng)，較有利于巷道支護(hù)，頂板K2灰?guī)r巖層強(qiáng)度平均值為100.39 MPa，結(jié)構(gòu)完整，巷道變形受到最大水平主應(yīng)力方向的影響很小，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)基本不需要考慮這一影響因素。

(2)根據(jù)理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)提出3個(gè)支護(hù)方案，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合具體地質(zhì)條件，采用方案一和方案二相互配合的支護(hù)方式。

(3)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?10 mm，兩幫最大移近量為60 mm，巷道圍巖穩(wěn)定，支護(hù)效果良好。