許 磊 祁 樂 張 慶

（河南能源化工集團鶴煤三礦，河南 鶴壁 458030）

鶴壁礦區(qū)內最大開采深度超過900 m，巷道呈現出礦壓顯現強烈、圍巖變形大等一系列工程問題，進而造成巖巷掘進速度慢、作業(yè)環(huán)境差、“前掘后修”等現象，使得鶴壁礦區(qū)采掘工作面比例失調，礦井采掘接替緊張，嚴重影響了鶴壁礦區(qū)煤炭安全高效生產[1-3]。針對以上問題，以鶴煤三礦4103 底抽巷（上）為工程背景，利用理論分析和相鄰巷道實踐，提出巷道支護方案，為同類型地質條件礦井巷道支護設計提供借鑒。

1 巷道圍巖變形力學特征分析

首先巷道將簡化為圓形，在彈性力學的基礎上建立不同應力條件下圓形巷道力學模型，如圖1 所示。σr、σr1、σr2分別為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型受力狀態(tài)下徑向應力；σθ、σθ1、σθ2分別表示Ⅰ、Ⅱ型和Ⅲ型受力狀態(tài)下切向應力；R為巷道半徑；r和θ分別為微單元距巷道中心的距離和坐標角；Pv和Ph分別為巷道及其圍巖所承受的垂直應力和水平應力；Pi為支護強度。巷道及其圍巖的Ⅰ型受力狀態(tài)中巷道圍巖內各點的切向應力和徑向應力的表達式為[4-6]：

圖1 巷道圍巖力學模型

Ⅰ型受力狀態(tài)中巷道圍巖煤巖體的變形協(xié)調方程和應力-應變方程分別如下：

式中：υ為泊松比；E為彈性模量；εθ為切向應變。

通過對公式（1）～（4）進行聯立求解及簡化可得到Ⅰ型受力狀態(tài)中巷道圍巖煤巖體的徑向位移的簡化表達式為：

式中：λ表示水平應力和垂直應力的比值，即巷道側向應力系數。

現分析第1 象限的交點，即將θ=0 和θ=π/2 分別代入式（6），得：

巖石泊松比一般小于0.5，且由（6）式可看出，巷道圍巖的變形量與側向應力系數和支護強度有關，即隨著側壓系數的增加而增加，隨著支護強度的增加而減少。結合式（1）和式（6）可知，當0 ＜λ＜1/3 時，在壓應力作用下，兩幫向巷道圓心發(fā)展，頂底板的變形量小于兩幫變形量；當1/3 ＜λ＜1 時，在壓應力作用下，巷道頂板及兩幫均向巷道圓心發(fā)展，頂底板變形量小于兩幫變形量；當1 ＜λ＜3 時，巷道頂底板和兩幫均受到壓應力的作用，頂底板變形量大于兩幫的變形量；當3 ＜λ時，巷道頂底板受壓應力作用，巷道兩幫在拉應力的作用下位移背離巷道圓心發(fā)展，巷道頂底板變形量大于兩幫變形量。如圖2。

圖2 不同λ 值條件下巷道斷面位移演變特征

2 工程背景

鶴煤三礦4103 底抽巷（上）設計長度1 357.1 m，埋深約900 m，地質構造復雜，巖層產狀變化大，巷道為直墻半圓拱形斷面，斷面寬×高=5.2 m×3.6 m。該巷主要在細粒砂巖、泥巖和砂質泥巖中施工，采用以EBZ-318（H）掘進機為主的綜合機械化作業(yè)線，巷道支護方式為先初噴后錨網的支護方式，循環(huán)作業(yè)方式采用隨掘隨成，每小班進尺為1.6 m。礦區(qū)應力主要以水平應力為主，該巷道λ值大約在1.8。由以上力學分析可知，4103 底抽巷（上）在巷道支護中應重點加強頂板支護。

3 4103 底抽巷（上）錨桿支護對策分析

綜合相鄰巷道的支護實踐以及上述深部巷道變形特征分析結果[7-10]，4103 底抽巷（上）兩幫位移量小于頂板位移量，在支護中應先加強頂板支護。因此在頂板增加錨索來增加頂板支護強度，即該巷道采取先初噴漿，后錨桿+錨索+金屬網的支護方式。錨桿間排距為800 mm×800 mm，在頂板以中線對稱位置布置3 錨索，間排距為1700 mm×2400 mm，選用Ф22 mm×2400 mm 高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，托板規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。選用Ф22 mm×5250 mm 錨索，托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×14 mm，金屬片網采用Φ6.5 mm 鋼筋焊制而成，規(guī)格為2000 mm×1000 mm，網格為100 mm×100 mm。4103 底抽巷（上）巷道支護斷面圖如圖3。

圖3 4103 底抽巷（上）巷道支護斷面圖（mm）

4 現場工程實踐

為對該巷道的錨桿支護方式進行監(jiān)測，每隔20 m 布置礦壓觀測站進行觀測，分別以1#測站、2#測站、3#測站、4#測站沿4103 底抽巷（上）依次編號，礦壓觀測結果如圖4、圖5。通過礦壓監(jiān)測可以看出，巷道兩幫的相對移近量最大為180.3 mm，巷道頂底板相對移近量最大為137.2 mm。由此可見，該支護方式很好地控制了圍巖兩幫和頂底板的變形，圍巖強度得到了有效強化，有利于巷道的安全快速掘進。

圖4 頂底板移近量隨時間變化曲線

圖5 兩幫移近量隨時間變化曲線

5 結論

本文對深部巷道圍巖變形進行了力學分析，由分析可知，深部巷道圍巖變形與側壓系數和支護強度有關聯，即巷道整體變形量隨著側壓系數的增加而增加，隨著支護強度的增加而降低。結合鶴壁礦區(qū)地應力的特點，在支護時應特別注意巷道頂板支護。以鶴煤三礦4103 底抽巷（上）為工程背景，合理確定支護方式，很好地控制了圍巖兩幫和頂底板的變形，為同類地質條件礦井提供了一定的依據。