王 飛

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 033600）

目前針對(duì)特厚煤層的開采，多采用綜放開采方式，這種方法生產(chǎn)效率高、產(chǎn)煤量大，有著巨大的優(yōu)勢(shì)[1-2]。由于煤層厚度大，綜放工作面巷道頂板多為煤體，相比較于巖體其強(qiáng)度較低，受采動(dòng)影響容易出現(xiàn)大量變形破壞[3]。尤其當(dāng)巷道的一側(cè)為采空區(qū)所留煤柱時(shí)，其承受載荷較大并且頂板結(jié)構(gòu)由于相鄰工作面的回采已受到一定程度的破壞，加之本工作面回采產(chǎn)生的重復(fù)影響作用，巷道極易失穩(wěn)[4]。針對(duì)這種情況，本文以23105工作面皮帶巷地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法對(duì)沿空掘進(jìn)巷道圍巖特征進(jìn)行了研究，對(duì)特厚煤層沿空掘進(jìn)巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，該研究成果對(duì)特厚煤層巷道圍巖控制技術(shù)具有一定的完善。

1 工程背景

山西斜溝煤礦現(xiàn)在開采煤層為13號(hào)煤，煤層平均厚度為14.5 m，傾角平均為9.2°。23105工作面為21采區(qū)的一個(gè)綜放工作面，工作面頂?shù)装鍡l件如圖1所示。23105工作面的皮帶巷與23103工作面相鄰，之間留有20 m的煤柱，相鄰23103工作面于2014年已回采完畢，頂板巖層處于平穩(wěn)狀態(tài)。正常狀況下，對(duì)臨近巷道的影響較小，但23101材料巷同樣與23103采空區(qū)相鄰，巷道與采空區(qū)之間留有12 m的煤柱，巷道受到工作面回采的影響，破壞十分嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)頂板錨桿、錨索破斷現(xiàn)象，為了保障工作面的正常回采，在巷道中打設(shè)了大量的錨索，導(dǎo)致巷道支護(hù)成本明顯提高，同時(shí)給工作面正?；夭稍斐闪擞绊?。由于工作面開采煤層厚度大，雖然23103工作面已經(jīng)采完較長的時(shí)間，但在23105工作面回采過程中會(huì)對(duì)原本已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定的巖層產(chǎn)生二次擾動(dòng)，引起相鄰采空區(qū)頂板巖層的再次運(yùn)動(dòng)，對(duì)保護(hù)煤柱形成載荷沖擊，使得巷道圍巖破壞更加嚴(yán)重，因此對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化十分重要。

圖1 工作面頂?shù)装逯鶢顖D

2 巷道圍巖力學(xué)分析

2.1 圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)窺視

為得到巷道頂板內(nèi)裂隙構(gòu)造分布情況，在23105工作面皮帶巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)窺視，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)窺視結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

1）13號(hào)煤層巷道多沿底板掘送，頂板為厚頂煤，巷道頂板2.0 m范圍內(nèi)煤層存在縱向裂隙，一般狀況下錨桿錨固在此范圍，而在頂煤深部位置基本無裂隙等構(gòu)造存在，頂板整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，錨索錨固在此范圍內(nèi)錨固性能好，當(dāng)錨索錨固力達(dá)到要求時(shí)，完全可以將錨索錨固在煤層中。

2）煤層上方巖層巖性主要為泥巖與砂巖等，巖層致密堅(jiān)硬，具有較好的穩(wěn)定性，裂隙等構(gòu)造極少，有利于維持煤頂上部巖體的整體穩(wěn)定性。

綜合窺視結(jié)果，巷道上方頂煤主要在淺部區(qū)域存在著較多裂隙，而在深部位置煤巖體均處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，因此對(duì)巷道頂板淺部圍巖進(jìn)行合理支護(hù)即可對(duì)頂板起到較好的控制作用。

2.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

由于巷道頂板與兩幫均屬于煤體，對(duì)各位置煤體的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試可為巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。對(duì)巷道的頂板和兩幫10 m范圍內(nèi)的圍巖強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖2、3所示。從圖中可以得到：

1）頂板10 m范圍內(nèi)煤層強(qiáng)度上下波動(dòng)，頂煤強(qiáng)度最大為32.84 MPa，最低強(qiáng)度僅為9.58 MPa，平均強(qiáng)度為23.20 MPa，硬度普氏系數(shù)為2.3，同地質(zhì)資料中煤層硬度2~3相當(dāng)，孔口0~2.5 m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度較高，因此相對(duì)應(yīng)的煤層強(qiáng)度也低，可見圍巖節(jié)理裂隙對(duì)于圍巖的強(qiáng)度具有顯著的影響，除孔口位置煤層強(qiáng)度低外，深部煤體的強(qiáng)度偏高，這對(duì)于保持自身穩(wěn)定性具有重要的作用，頂煤的強(qiáng)度較高，也有利于錨索的錨固。

2）煤幫強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示，煤層強(qiáng)度最低為11.86 MPa，最大為 24.9 MPa，平均強(qiáng)度為 17.7 MPa，幫部煤層的強(qiáng)度整體低于頂板煤體的強(qiáng)度，但是通過煤層強(qiáng)度可以看出煤層的均一性較好，強(qiáng)度波動(dòng)幅度小，較為穩(wěn)定，這對(duì)于維護(hù)巷道幫部的穩(wěn)定性具有重要的作用。

圖2 頂板煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖3 幫部煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.3 巷道圍巖地應(yīng)力測(cè)試

表1 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表1為23105工作面皮帶巷不同位置的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，從表中可以看出：

1）從測(cè)量數(shù)值上可以看出，該區(qū)域的原巖應(yīng)力處于中等水平，對(duì)巷道產(chǎn)生較大影響的應(yīng)力主要為水平應(yīng)力，水平主應(yīng)力的最大值為11.8 MPa，單從應(yīng)力大小來講，對(duì)巷道穩(wěn)定的影響作用較小。

2）由于該巷道的埋深約為343 m，理論計(jì)算的垂直應(yīng)力約為8.55 MPa，測(cè)試結(jié)果顯示最大水平主應(yīng)力＞垂直應(yīng)力＞最小水平主應(yīng)力，因此認(rèn)為該區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)屬于重力型應(yīng)力場(chǎng)。

3）23105皮帶巷沿正北布置，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?N22.9°W~N24.1°W，可以看出，兩者的夾角在14.95°~16.6°之間，巷道的布置方位近似于最佳方向，因此水平應(yīng)力的巷道圍巖的破壞幾乎不產(chǎn)生影響。

3 巷道支護(hù)方案研究

3.1 原有巷道支護(hù)方案分析

該巷道斷面形狀為矩形，巷道寬×高：5.5 m×3.8 m，巷道原來的支護(hù)方案如下：

1）頂板錨桿采用直徑22 mm、長度2600 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿的間距為850 mm，相鄰兩排錨桿距離為900 mm。兩幫錨桿采用直徑20 mm、長度2100 mm的全螺紋玻璃鋼錨桿，兩幫錨桿采用相同的布置方法，間距為1200 mm，相鄰兩排錨桿距離為900 mm；

2）頂板錨索采用三花布置方法，錨索為直徑21.6 mm、長度12000 mm的鋼絞線，同一排內(nèi)的錨索之間距離為3400 mm，相鄰兩排錨索之間的距離為1800 mm；

3）采用W鋼帶對(duì)頂板進(jìn)行保護(hù)，鋼帶的長度設(shè)計(jì)為5300 mm、寬度為250 mm、厚度為3 mm。

對(duì)上述支護(hù)方案進(jìn)行分析可知，目前支護(hù)方案對(duì)頂板可以起到足夠的控制作用，但對(duì)兩幫的支護(hù)強(qiáng)度較低，無法控制兩幫變形，此外由于巷幫的支護(hù)多采用玻璃鋼錨桿，這種錨桿初期支護(hù)強(qiáng)度低，護(hù)幫能力差，在巷道壓力大時(shí)非常容易發(fā)生剪切破壞，對(duì)于動(dòng)壓巷道而言，幫部支護(hù)尤其重要，幫部控制不住會(huì)引起頂板的控制難度大大增加，動(dòng)壓巷道很重要的一個(gè)表現(xiàn)就是巷幫變形大，當(dāng)巷幫發(fā)生水平移動(dòng)時(shí)，非常容易引起頂板和底板的水平擠壓變形，由于底板無支護(hù)，容易造成底鼓現(xiàn)象突出，同時(shí)頂板在水平擠壓過程中，非常容易造成鋼帶折斷，頂板錨桿破斷等問題，因此對(duì)于強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道務(wù)必強(qiáng)化幫部支護(hù)。

圖4 巷道支護(hù)方案布置圖（mm）

3.2 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)上述分析，本支護(hù)方案將對(duì)兩幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，優(yōu)化原有支護(hù)方案，具體支護(hù)方案如下：

1）頂板錨桿支護(hù)參數(shù)不變，主要對(duì)錨索進(jìn)行優(yōu)化，錨索采用直徑為21.6 mm，長度為8300 mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置4根錨索，間排距為1700 mm×1800 mm。W鋼帶參數(shù)保持不變，采用長度5300 mm、寬度250 mm、厚度3 mm的W鋼帶進(jìn)行護(hù)頂。頂板在原有支護(hù)系統(tǒng)中加入菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂，網(wǎng)片大小為6500 mm×1000 mm，網(wǎng)孔大小為50 mm。

2）由于原巷道支護(hù)方案對(duì)兩榜的控制作用較弱，因此對(duì)兩幫支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。巷道兩幫分別為煤柱側(cè)煤幫與工作面幫，對(duì)兩幫分別采用不同的支護(hù)方案。

3.2.1 煤柱側(cè)煤幫

巷道保護(hù)煤柱在受到多次采動(dòng)影響下，煤柱容易出現(xiàn)失穩(wěn)情況，所以對(duì)煤柱幫支護(hù)強(qiáng)度需進(jìn)行提高。巷道實(shí)體煤幫采用直徑22 mm、長度2600 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置4根錨桿，錨桿之間的距離為900 mm，相鄰兩排的距離為900 mm，靠近頂?shù)装宓膬筛^桿與水平夾角為10°。對(duì)巷道實(shí)體煤幫采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)采用W護(hù)板與菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫。錨索采用直徑17.8 mm、長度4300 mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置一根錨索，每排錨索之間的距離為1800 mm，垂直于巷幫布置。W護(hù)板長度為400mm，寬度為280mm，厚度為3 mm。菱形金屬網(wǎng)網(wǎng)孔大小為50 mm，網(wǎng)片大小為2800 mm×1000 mm。

3.2.2 工作面煤幫

巷道工作面煤幫受到相鄰采空區(qū)影響較小，因此錨桿規(guī)格參數(shù)不變，僅在原有支護(hù)方案基礎(chǔ)上加入W護(hù)板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。W護(hù)板長度為400 mm，寬度為280mm，厚度為3mm。上述巷道支護(hù)方案布置如圖4所示。巷道在支護(hù)過程中應(yīng)定期對(duì)錨桿、錨索的錨固力進(jìn)行測(cè)量，確保支護(hù)系統(tǒng)具備足夠的支護(hù)強(qiáng)度。

3.3 支護(hù)效果分析

巷道支護(hù)方案優(yōu)化后，在23105皮帶巷現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)巷道20 d內(nèi)的圍巖變形量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，巷道支護(hù)后8 d內(nèi)圍巖變形量呈現(xiàn)增長狀態(tài)，并且增長速度較快，隨后圍巖變形逐漸穩(wěn)定，變形量基本不變。此時(shí)巷道頂?shù)装遄冃蔚姆逯禐?17 mm，兩幫變形的峰值為78 mm。圍巖變形較小，表明該支護(hù)方案對(duì)巷道的穩(wěn)定性具有明顯的提升作用。

圖5 巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

1）采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)23105皮帶巷圍巖特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明巷道圍巖淺部節(jié)理裂隙較多，但深部圍巖構(gòu)造發(fā)育較少，煤巖體完整性較好，巷道對(duì)頂板控制要比對(duì)兩幫控制更加容易。

2）對(duì)巷道原支護(hù)方案進(jìn)行了分析，指出巷道兩幫支護(hù)方案的薄弱點(diǎn)，對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，針對(duì)兩幫設(shè)計(jì)了不同的支護(hù)方案。

3）在23105皮帶巷對(duì)新支護(hù)方案進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)巷道掘進(jìn)20 d內(nèi)的圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示巷道圍巖在新支護(hù)方案下圍巖變形量較低，表明該支護(hù)方案具有著較好的效果。