焦 彪

（蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 澤州 048200）

1 工程概況

蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司井田位于山西省澤州縣巴公鎮(zhèn)三家村附近，行政區(qū)劃隸屬澤州縣巴公鎮(zhèn)管轄。目前礦井正在進(jìn)行9#煤層的采掘工作，9#煤層呈黑色塊狀特征，平均厚度1.14 m，一采區(qū)地面相對(duì)位置為農(nóng)田，地勢(shì)呈東高西低，無地表水體存在。莒山煤礦9#煤層開拓巷道布置在太原組煤層，除膠帶大巷沿煤層頂板掘進(jìn)，其余大巷沿煤層底板掘進(jìn)，大巷直接頂多為砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚2.6～4.6 m； 砂泥巖上層為細(xì)砂巖，厚2.7～3.5 m，灰色，薄層狀,石英為主，含呈星狀白云母，泥質(zhì)膠結(jié)，具砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，緩波狀層理發(fā)育，偶見裂隙；直接底為泥巖，厚4.1～4.7 m。泥巖為灰黑色，致密，性脆，中部夾薄層細(xì)粒砂巖。9#煤層一采區(qū)大巷位置詳情如圖1所示。在兩側(cè)回采工作面回采期間，對(duì)應(yīng)區(qū)段內(nèi)的大巷圍巖均出現(xiàn)不同程度的破壞，尤其是巷道底鼓最為嚴(yán)重，影響巷道的正常使用和礦井安全生產(chǎn)。為保證礦井的安全高效生產(chǎn)，以9#煤層進(jìn)風(fēng)大巷為例，展開其加固支護(hù)技術(shù)的研究。

圖1 9#煤一采區(qū)大巷位置詳情

2 進(jìn)風(fēng)大巷圍巖控制技術(shù)

莒山煤礦9#煤層進(jìn)風(fēng)大巷為直墻半圓拱形斷面，掘進(jìn)期間采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)方式；頂板錨桿長(zhǎng)度2.4 m，直徑22 mm，每排8 根錨桿，間距0.8 m，排距為0.8 m，采用4 840 mm 托梁配合冷拔絲網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)； 頂板錨索直徑21.8 mm、 長(zhǎng)度6.3 m，“三0 三”布置，巷道中線處布置一根，距中心線1.6 m 各布置一根，排距1.6 m；兩幫錨桿規(guī)格與頂板相同，每排布置3 根，間排距0.8 m；巷道表面噴射厚度不小于150 mm 的C15 細(xì)石混凝土。對(duì)應(yīng)位置工作面回采后，大巷頂板錨桿多處失效，底板多處底鼓破壞，最大底鼓量達(dá)到600～800 mm，原有支護(hù)方案無法有效控制巷道圍巖破壞及底板底鼓。

為解決進(jìn)風(fēng)大巷圍巖變形及底板底鼓嚴(yán)重的問題，工程技術(shù)人員經(jīng)查閱相關(guān)的研究成果[1-2]，結(jié)合莒山煤礦9#煤層進(jìn)風(fēng)大巷具體的開采技術(shù)條件，設(shè)計(jì)大巷圍巖、底板控制方案：①方案一：錨網(wǎng)噴+ 錨注支護(hù)，9#煤層進(jìn)風(fēng)大巷沿煤層頂板掘進(jìn)，底板多為整體強(qiáng)度較低的泥巖，在對(duì)應(yīng)位置工作面采動(dòng)影響下，底板巖層內(nèi)裂隙逐漸發(fā)育，導(dǎo)致底板整體性降低，引發(fā)底板底鼓變形，因此設(shè)計(jì)采用中空錨桿對(duì)破碎的底板進(jìn)行注漿加固。錨桿規(guī)格為Φ28 mm×L2 500 mm，底板每排布置5 根，沿巷道中線對(duì)稱布置，間排距800 mm×1 600 mm，漿液采用普通硅酸鹽水泥漿。②方案二：錨網(wǎng)噴+卸壓槽+錨注支護(hù)；莒山煤礦9#煤層埋深較大，底板巖層內(nèi)應(yīng)力集中程度高是導(dǎo)致底鼓嚴(yán)重的一個(gè)重要因素，因此可通過在底板中部開挖一定尺寸的卸壓槽，使巷道底板應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，達(dá)到減小底板底鼓的效果。卸壓槽布置在底板中部，寬度為0.6 m，深度2.0 m，兩側(cè)底板采用中空錨桿進(jìn)行注漿。③方案三：錨網(wǎng)噴+U 型鋼反底拱+ 錨注支護(hù)：9#煤層進(jìn)風(fēng)大巷底板巖層巖性較差，且軟弱巖層厚度較大，因此可采用U 型鋼反底拱支護(hù)提供更高的支護(hù)強(qiáng)度，減小底板破碎巖體向巷道自由空間擠壓破壞，達(dá)到控制底板底鼓的效果。反底拱采用U29 型鋼，反底拱上方填充體采用C20 細(xì)石混凝土，下方注漿參數(shù)與方法二相同。④方案四：底板無支護(hù)措施，頂板和兩幫支護(hù)采用錨網(wǎng)噴，與原支護(hù)方案相同。

3 進(jìn)風(fēng)大巷底板控制技術(shù)模擬研究

為更加合理地確定莒山煤礦9#煤層進(jìn)風(fēng)大巷的支護(hù)方案，以FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行不同支護(hù)方案條件下模擬分析[3-4]，選取具有代表性的20 m進(jìn)風(fēng)大巷建立模型。模型y 軸方向長(zhǎng)度20 m，大巷軸線與y 軸平行，工作面沿y 軸方向布置，由右向左推進(jìn)，z 軸方向模型高度35 m； 進(jìn)風(fēng)大巷寬4.8 m，直墻高1.8 m，半圓拱直徑4.6 m，巷道埋深450 m； 模型上方設(shè)置垂直向下11.25 MPa 的均布載荷；進(jìn)風(fēng)大巷表面錨噴支護(hù)采用實(shí)體單元，厚度150 mm，方案一中采用水泥漿，方案二中，底板卸壓槽寬度0.6 m、深度2.0 m，方案三種U 型鋼反底拱澆筑厚度為500 mm，進(jìn)風(fēng)大巷各支護(hù)方案模型如圖2所示。

圖2 各支護(hù)方案模型

截取模型y 軸方向中部位置，得到大巷圍巖塑性破壞特征如圖3所示，可以看出，在不同支護(hù)方案條件下，方案一～方案四，幫部破壞深度分別為3.5 m、3.5 m、2.5 m、4.0 m，底板巖層塑性破壞深度分別為2.4 m、3.3 m、0.8 m、3.0 m，頂板塑性破壞深度分別為2.0 m、2.0 m、1.4 m、2.0 m；頂板巖層破壞深度和范圍的變化很小，底板和兩幫圍巖的塑性破壞深度和范圍存在明顯的差異，支護(hù)方案三條件下，大巷底板、兩幫及頂板的塑性破壞深度和范圍均最小，且底板的底鼓變形量也明顯小于其余支護(hù)方案； 因此確定9#煤層進(jìn)風(fēng)大巷采用錨網(wǎng)噴+U 型鋼反底拱+ 錨注支護(hù)返修方案。

圖3 數(shù)值模擬分析成果

4 進(jìn)風(fēng)大巷返修支護(hù)

為確保莒山煤礦9#煤層進(jìn)風(fēng)大巷返修施工期間的安全，減小返修施工對(duì)于圍巖的破壞，在擴(kuò)修前對(duì)巷道頂板及兩幫進(jìn)行注漿。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及數(shù)值模擬研究結(jié)果可以看出，大巷頂板破碎冒落較嚴(yán)重，因此選擇充填效果較好的高水速凝注漿材料作為注漿材料；由于圍巖裂隙發(fā)育較深，為便于漿液滲入較深的圍巖裂隙內(nèi)，設(shè)計(jì)注漿壓力為2.5 MPa，漿液水灰比為1.5:1，注漿孔深度為4.0 m，孔徑為42 mm，頂板每排兩個(gè)注漿孔，間排距2.0 m；注漿方式采用順序注漿，每幫布置兩個(gè)注漿孔，孔深和直徑與頂板布孔相同，間排距0.8 m×1.6 m，頂板及幫補(bǔ)注漿孔布置斷面如圖4（a）、（b）所示，采用電動(dòng)雙液注漿泵，專用封孔器封孔。

莒山煤礦9#煤層進(jìn)風(fēng)大巷采用錨網(wǎng)噴+U 型鋼反底拱+ 錨注支護(hù)返修方案。頂板錨桿選用Φ21 mm×2 400 mm 高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排8 根，間排距800 mm，每根錨桿均采用K2350、Z2359 樹脂藥卷錨固劑一支，安裝時(shí)外露長(zhǎng)度不小于50 mm，預(yù)緊力大于40 kN；錨索選用Φ17.8 mm×6 300 mm 鋼絞線，采用“212”布置方式，每排兩根時(shí)間距3.2 m，排距0.8 m，每根錨索采用1 根K2350、2 根Z2350 樹脂藥卷進(jìn)行錨固，頂板采用12 號(hào)菱形金屬網(wǎng)；幫部每排3 根錨桿，規(guī)格與頂板相同，間排距800 mm。頂板和兩幫噴射混凝土厚度150 mm，混凝土標(biāo)號(hào)C20；底板采用“U 型鋼反底拱+ 注漿錨桿”支護(hù)方式，大巷臥底后安裝U29 型鋼，型鋼弧長(zhǎng)5.2 m，高度0.8 m，水平長(zhǎng)度5.0 m；U 型鋼中預(yù)留5 個(gè)注漿錨桿安裝孔，孔間距0.8 m，排距同型鋼1.0 m；注漿錨桿采用型號(hào)GY28 的中空注漿錨桿，漿液采用普通硅酸鹽水泥配置，型鋼上方充填體采用C20 細(xì)石混凝土，進(jìn)風(fēng)大巷最終支護(hù)斷面如圖4（c）所示。

圖4 進(jìn)風(fēng)大巷支護(hù)

5 進(jìn)風(fēng)大巷返修支護(hù)效果分析

莒山煤礦9#煤層輔運(yùn)大巷采用上述支護(hù)方案返修后，每間隔50 m 布置測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)頂?shù)装逑鄬?duì)移近量，整理得到進(jìn)風(fēng)大巷頂?shù)装逑鄬?duì)移近量變化曲線如圖5所示。由圖5可知，成巷早期，大巷圍巖變形速率較大，監(jiān)測(cè)至45 天左右，大巷頂?shù)装逑鄬?duì)移近量基本不再增大，圍巖過渡至穩(wěn)定狀態(tài)；測(cè)站三頂?shù)装遄罱K相對(duì)移近量為198 mm，為4 個(gè)測(cè)站中的最大值，測(cè)站二頂?shù)装遄罱K相對(duì)移近量為162 mm，為4 個(gè)測(cè)站的最小值，大巷頂?shù)装逑鄬?duì)移近量保持在162～198 mm 之間，處于合理可控范圍內(nèi)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況可認(rèn)定：“錨網(wǎng)噴+U 型鋼反底拱+ 錨注支護(hù)” 聯(lián)合支護(hù)措施有效控制了進(jìn)風(fēng)大巷的底鼓變形，能夠保證大巷圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖5 進(jìn)風(fēng)大巷表面位移曲線

6 結(jié)語

莒山煤礦9#煤層一采區(qū)多條大巷在服務(wù)期間出現(xiàn)嚴(yán)重的底板底鼓、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等問題。以9#煤層進(jìn)風(fēng)大巷為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及相關(guān)研究成果，提出“錨網(wǎng)噴+ 錨注支護(hù)”、“錨網(wǎng)噴+ 卸壓槽+錨注支護(hù)”、“錨網(wǎng)噴+U 型鋼反底拱+ 錨注支護(hù)”聯(lián)合支護(hù)方案，通過數(shù)值模擬研究確定最佳返修支護(hù)方案為“錨網(wǎng)噴+U 型鋼反底拱+ 錨注支護(hù)”聯(lián)合支護(hù)。設(shè)計(jì)具體的返修支護(hù)方案，返修后監(jiān)測(cè)進(jìn)風(fēng)大巷頂?shù)装逑鄬?duì)移近量，進(jìn)風(fēng)大巷頂?shù)装遄罱K相對(duì)移近量保持在162～198 mm 之間，返修支護(hù)效果良好，莒山煤礦9#煤層其余大巷返修及掘進(jìn)可借鑒此方案。