王澤東

（山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 工程概況

馬蘭礦10503工作面位于南五采區(qū)，工作面開采02#煤層，煤層均厚2.4 m，平均傾角2°，工作面頂、底板巖層特征如圖1所示。10503專用回風巷設計沿煤層底板掘進，巷道斷面為矩形，凈寬×凈高=4 m×2.5 m，巷道設計長度為1 425 m。根據礦井地質資料可知，02#煤巖層整體松散破碎，煤層強度低。當巷道采用普通的錨網索支護方案時，工作面回采期間圍巖變形量大，為確保10503工作面專用回風巷圍巖的穩(wěn)定，擬針對巷道采用強幫護頂?shù)闹ёo技術，并圍繞圍巖控制技術方案對強幫護頂技術進行初步探討。

圖1 工作面區(qū)域頂?shù)装鍘r層柱狀圖

2 強幫護頂技術

當巷道處于頂板強度高、兩幫強度低的條件下，此時巷道開挖后會首先在兩幫出現(xiàn)應力極限平衡區(qū)，巷道兩幫在采動影響下會出現(xiàn)較大的變形，進而導致巷道整體變形量較大。根據兩幫圍巖強度低，頂板強度相對較高的特征，擬提出采用強幫護頂?shù)闹ёo技術，即通過強化幫部的支護強度來提升巷道圍巖整體的支護，基于強幫護頂形成合理耗能[1-3]。

1）強幫護頂良性作用：當巷道兩幫為松軟煤體，頂板為巖層時，若僅在頂板采用補強錨索支護，由于兩幫軟弱，頂板相對承載能力大，應力會通過頂板巖層傳遞至兩幫圍巖上，致使兩幫圍巖變形量大，進而影響頂板巖層的穩(wěn)定。針對兩幫為松軟煤體，頂板為巖層的巷道，若在幫部采取一定的補強支護，便能夠大幅提升幫部的自身承載力，且能在一定程度上保障頂板巖層的穩(wěn)定性，進而形成頂板和幫部相互協(xié)調的應力支撐作用機制。巷道幫部支護的力學模型如圖2（a）所示。幫部提高支護強度后，能夠在一定程度上提升對頂板的豎向承載力。巷道開挖后幫部薄弱體符合莫爾－庫倫屈服準則，表達式如下：

式中：σ3為煤巖體受到的最小主應力；σ1f為與σ3對應的豎向抗壓強度；φ為幫部極限平衡區(qū)的內摩擦角；σc為幫部極限平衡區(qū)的單軸抗壓強度。

根據式（1）能夠繪制得出強幫前后的莫爾圓分布如圖2（b）所示。

圖2 幫部力學模型及強幫前后莫爾圓分布

分析圖2能夠看出，圓1和圓2分別為極限平衡時和幫部支護強度提高后的莫爾圓。當幫部支護力增大后，此時幫部薄弱體的最小主應力σ3也隨之增大，圍巖體的豎向抗壓強度σ1f也逐漸增大，且σ1f的增大幅度大于σ3，據此可知，提升幫部支護強度可大幅提升圍巖的承載力。另外從圖中能夠看出，幫部支護強度增大后，幫部薄弱體由極限平衡狀態(tài)逐漸向安全狀態(tài)過渡[4-5]。綜合上述分析可知強幫支護能夠有效控制幫部變形，為頂板提供了更大的支撐力。

2）強幫合理耗能作用：煤巷開挖后，煤巷變形積聚了圍巖彈性塑性能量，這種能量會通過一定的形式釋放，進而使得巷道圍巖應力重新達到新的平衡狀態(tài)，能量變化的過程可用如下表達式表示：

式中：QT為圍巖受擾動后變化的總能量；Qs為支護構件分擔的能量；QR為煤巷圍巖自身承載的能量；QD為通過煤巷圍巖變形釋放的部分能量。

從式（2）中能夠看出，QD在保障煤巷穩(wěn)定性方面具有較大的意義，巷道頂?shù)装寮皟蓭彤a生的變形消耗釋放該部分能量。

針對煤巷支護，應保障煤巷結構形成一個合理的耗能機構，通過強化幫部結構的剛度和強度，進而實現(xiàn)更多的能量通過頂板巖層吸收和消耗，達到控制幫部變形量的目的，以保障煤巷結構體的整體穩(wěn)定。

3 支護方案

根據10503工作面的地質條件，設計巷道采用強幫護頂支護技術[6-7]，即巷道兩幫軟弱煤體的支護強度，進而提升圍巖的整體穩(wěn)定性，具體支護方案如圖3所示。

圖3 專用回風巷支護方式

1）頂板支護。錨桿采用左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm。錨固方式為加長錨固，每根錨桿采用2卷K2550型樹脂錨固劑。錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，兩幫角錨桿與頂板成15°布置，其余頂板兩根錨桿垂直頂板布置，錨桿預緊扭矩為300 N·m。錨索采用1×7股鋼絞線，鋼絞線為低松弛高強度特性，錨索參數(shù)為φ17.8 mm×5 300 mm，錨索布置排距為3 000 mm。錨索布置在頂板中部，布置錨索時替換同位置處的螺紋鋼錨桿。錨索采用加長錨固，每根錨索采用2卷中速和1卷快速進行錨固 （2支Z2550+1支K2550），設計預緊力為150 kN。頂板錨桿（索）間采用W型鋼帶進行連接，巷道表面采用菱形網+鋼帶進行護表。

2）兩幫支護。巷道兩幫錨桿規(guī)格、錨固方式均同頂板錨桿，幫部間排距為1 000 mm×1 000 mm，兩幫角錨桿與巷幫成15°布置；其余錨桿垂直幫部布置，幫部錨桿預緊扭矩為200 N·m，錨桿間采用W型鋼帶連接，采用W型鋼帶和菱形網護幫。

3）幫部注漿加固。為強化煤體幫部的承載能力，針對煤幫進行注漿加固，本次注漿材料采用水泥漿+外加劑，漿液水灰比為0.5，通過漿液在煤體內擴散實現(xiàn)對煤體內裂隙的充填與凝結，以此整體提升幫部煤體承載能力。注漿錨桿規(guī)格為φ25 mm×2 500 mm，注漿錨桿布置幫角錨桿下方400 mm處，錨桿同樣與幫部成15°布置。注漿作業(yè)時采用中低壓注漿，嚴控注漿壓力，設置終孔注漿壓力為2～3 MPa。

4 效果分析

10503工作面專用回風巷采用強幫護頂支護方案后，在巷道掘進期間每間隔50 m布置一個圍巖變形觀測站，通過十字布點法對巷道掘進期間圍巖變形進行測量分析。監(jiān)測斷面每間隔5 d進行一次觀測作業(yè)，根據觀測結果能夠繪制出頂?shù)装寮皟蓭妥冃吻€圖。現(xiàn)取1#和2#測站進行圍巖變形情況的分析，具體掘進期間圍巖變形曲線如圖4所示。

圖4 巷道掘進期間圍巖變形曲線

分析圖4可知，巷道掘進期間，兩幫移近主要出現(xiàn)在滯后掘進頭0～50 m的范圍內，當監(jiān)測斷面滯后掘進頭大于50 m后，此時兩幫變形速率大幅下降，當監(jiān)測斷面滯后迎頭70 m后，此時兩幫變形基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。頂?shù)装逡平饕霈F(xiàn)在滯后掘進頭20～50 m范圍內，頂?shù)装逡平空w較小，這是由于巷道頂板巖層較為完整，且頂?shù)装遄冃卧跍缶蜻M頭50 m后，頂?shù)装遄冃渭床辉僭龃?。根?#和2#斷面圍巖變形可知，觀測期間內頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為21 mm和85 mm，圍巖整體變形量小，巷道掘進期間圍巖在采用強幫護頂支護技術后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結語

針對10503工作面專用回風巷原支護頂強幫弱的特點，擬對強幫護頂支護技術應用于此回風巷進行了全面探討。理論分析重點從強幫護頂良性作用和強幫合理耗能兩個方面進行，結合巷道特征具體對強幫護頂方案進行設計，設計巷道采用錨網索+幫部注漿的加強支護方案。根據巷道掘進期間的圍巖變形觀測可知，巷道圍巖在采用強幫護頂支護技術方案后，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。