王先科袁士杰

（1.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南鄭州 450001；2.平煤神馬建工集團(tuán)有限公司安裝處，河南平頂山 467000）

馬頭門(mén)巷道變形監(jiān)測(cè)及破壞原因分析

王先科1袁士杰2

（1.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南鄭州 450001；2.平煤神馬建工集團(tuán)有限公司安裝處，河南平頂山 467000）

馬頭門(mén)是煤礦生產(chǎn)的咽喉部位，因其具有斷面大、周圍巷道多、應(yīng)力集中明顯等特性，使得馬頭門(mén)巷道的支護(hù)問(wèn)題成為影響礦井安全高效生產(chǎn)的瓶頸。本文以羊東礦為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、理論分析的方法，首先分析原有支護(hù)體系下馬頭門(mén)巷道的變形規(guī)律；其次，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際理論分析馬頭門(mén)巷道變形破壞的主要原因，為羊東礦馬頭門(mén)巷道的變形治理提供科學(xué)的理論依據(jù)。

馬頭門(mén)；變形規(guī)律；破壞原因

馬頭門(mén)是煤礦生產(chǎn)的咽喉部位，是連接井筒與井底車場(chǎng)的關(guān)鍵位置，是礦井提升、運(yùn)輸?shù)难屎恚?-4］。馬頭門(mén)處巷道布置較多，斷面較大，是礦井支護(hù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，尤其在礦井開(kāi)拓階段，由于該處相鄰巷道較多，應(yīng)力場(chǎng)疊加現(xiàn)象明顯，造成圍巖受力不均衡，局部應(yīng)力集中嚴(yán)重，支護(hù)困難，給礦井安全有序生產(chǎn)帶來(lái)巨大影響［5-8］。因此，掌握特定地質(zhì)條件下馬頭門(mén)變形規(guī)律，探究失穩(wěn)機(jī)理，對(duì)于馬頭門(mén)巷道的失穩(wěn)加固及支護(hù)設(shè)計(jì)意義重大。

1 工程背景

河北省冀中能源峰峰有限公司羊東礦隸屬于河北省邯鄲市峰峰礦區(qū)，主采煤層為2#煤，煤層厚度平均5.5m，煤層傾角為8°～12°，副井馬頭門(mén)位于2#煤層底板中粒砂巖層位，平均埋深1 015m，頂?shù)装寰鶠榉凵皫r。由于巷道埋深較深，圍巖應(yīng)力較大，受周圍采動(dòng)影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，主要變現(xiàn)在頂板巖石碎裂、馬頭門(mén)巷道兩幫混凝土噴層剝落、離層嚴(yán)重，巷道底板鼓起，底角內(nèi)移，圍巖變形量大。

在生產(chǎn)過(guò)程中，馬頭門(mén)巷道維修加固頻繁，而且效果一般，維修周期較短，維修費(fèi)用累計(jì)高昂，嚴(yán)重影響礦井的高產(chǎn)高效及安全生產(chǎn)。究其原因，主要是對(duì)馬頭門(mén)巷道變形失穩(wěn)規(guī)律缺乏分析總結(jié)，對(duì)失穩(wěn)機(jī)理認(rèn)識(shí)不深刻，因此急需從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、理論分析角度探究失穩(wěn)的機(jī)理，為馬頭門(mén)合理的支護(hù)方式提供理論依據(jù)，從源頭上解決羊東礦馬頭門(mén)支護(hù)難的問(wèn)題，確保礦井安全高效生產(chǎn)。

2 馬頭門(mén)巷道變形監(jiān)測(cè)

2.1 原支護(hù)系統(tǒng)

羊東礦馬頭門(mén)巷道為直墻半圓拱斷面，荒寬×荒高= 6 400mm×6 500mm，原支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù)；錨桿采用左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)錨桿，規(guī)格為φ22mm×2 400mm，間排距800mm×800mm。每根錨桿配三卷Z2335型樹(shù)脂藥卷，金屬網(wǎng)采用φ6mm單層鋼筋焊接網(wǎng)，網(wǎng)孔80mm×80mm，金屬網(wǎng)搭接長(zhǎng)度100mm，為了防止巖體較大變形對(duì)噴層的破壞，設(shè)計(jì)初噴厚度70mm，以形成柔性噴層，使巷道圍巖應(yīng)力有一定的釋放。待巷道收斂變形穩(wěn)定后，再?gòu)?fù)噴80mm厚混凝土，噴射混凝土的強(qiáng)度C20。巷道斷面布置如圖1所示。

圖1 原支護(hù)系統(tǒng)圖

2.2 圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

本次變形觀測(cè)采用十字交叉法表面位移監(jiān)測(cè)方法，主要分析指標(biāo)有頂?shù)装逑鄬?duì)移近、兩幫相對(duì)移近、頂板下沉及底鼓量。在副井馬頭門(mén)軸向中央相隔5m位置布置2個(gè)觀測(cè)站，每個(gè)測(cè)站內(nèi)布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，位于同一斷面內(nèi)，如圖2所示。為保證測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定可靠，分別在頂板、底板、左右兩幫測(cè)點(diǎn)處鉆入100～200mm鉆孔，打入木塞，木塞端部打入鐵釘作為測(cè)量基點(diǎn)，頂板及一幫基點(diǎn)釘子上固定無(wú)彈性的測(cè)線，進(jìn)行為期40d的觀測(cè)。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，分析巷道周邊相對(duì)位移變化速度、變化率，深入了解巷道變形的趨勢(shì)和規(guī)律，并且可以繪制出巷道圍巖變形量和變形速率隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖3、4所示。

圖3 原支護(hù)方式下巷道收斂變化曲線圖

圖4 原支護(hù)方式下巷道相對(duì)收斂速率變化曲線圖

通過(guò)圖3、4監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知，一是巷道變形量大。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，兩測(cè)站內(nèi)頂?shù)装遄畲笠平繛?53mm，兩幫最大移近量為540mm。其中，第一測(cè)站巷道兩幫移近量為540mm，頂?shù)装宓囊平繛?53mm；第二測(cè)站巷道兩幫移近量為501mm，頂?shù)装逡平繛?27mm。初期馬頭門(mén)巷道圍巖變形速率較大，其中第一測(cè)站巷道支護(hù)初期頂?shù)装逑鄬?duì)變形速率達(dá)13mm/d，兩幫相對(duì)變形速率達(dá)16mm/d；第二測(cè)站巷道支護(hù)初期頂?shù)装逑鄬?duì)變形速率達(dá)12mm/d，兩幫相對(duì)變形速率達(dá)15mm/d。說(shuō)明支護(hù)初期，支護(hù)系統(tǒng)提供的支護(hù)強(qiáng)度未能有效約束巷道圍巖的變形，反映了原支護(hù)體系的不合理。

二是變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，巷道開(kāi)挖后圍巖劇烈變形階段大約要持續(xù)30d，減速變形階段要持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)間才能完成，有時(shí)當(dāng)變形繼續(xù)擴(kuò)大，會(huì)造成巷道支架的失穩(wěn)。在馬頭門(mén)巷道監(jiān)測(cè)3個(gè)月時(shí)間里，第一測(cè)站巷道兩幫的日收斂速率為1.7mm/d，頂?shù)装迦帐諗克俾蕿?.0mm/d；第二測(cè)站巷道兩幫的日收斂速率為1.8mm/d，頂?shù)装迦帐諗克俾蕿?.5mm/d。可見(jiàn)，在原支護(hù)方式下馬頭門(mén)巷道仍在以一定速率變形，圍巖并沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定。

3 馬頭門(mén)巷道破環(huán)原因分析

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，可知羊東礦馬頭門(mén)巷道變形嚴(yán)重，處于長(zhǎng)時(shí)間的流變狀態(tài)，說(shuō)明了支護(hù)體系無(wú)法約束圍巖的持續(xù)變形，反映了支護(hù)方式的不合理。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該處支護(hù)作業(yè)時(shí)僅通過(guò)錨網(wǎng)噴一次支護(hù)的方式來(lái)約束圍巖，支護(hù)過(guò)后針對(duì)變形嚴(yán)重地點(diǎn)通過(guò)補(bǔ)打錨桿錨索噴層進(jìn)行修復(fù)，缺乏對(duì)圍巖變形的規(guī)律歸納總結(jié)，實(shí)質(zhì)是對(duì)二次支護(hù)及聯(lián)合支護(hù)的認(rèn)識(shí)不足。

3.1 二次支護(hù)時(shí)間把握有誤

二次支護(hù)過(guò)早，圍巖膨脹變形能量得不到釋放，支護(hù)體難以抗拒圍巖巨大的塑性變形而發(fā)生變形，破裂；若二次支護(hù)時(shí)間過(guò)晚，膨脹變形雖已得到釋放，但圍巖支護(hù)強(qiáng)度大部分已喪失，圍巖離層破碎現(xiàn)象明顯，無(wú)法發(fā)揮圍巖自身的承載能力，二次支護(hù)仍無(wú)法有效地支護(hù)圍巖。因此，二次支護(hù)最佳時(shí)間應(yīng)選擇在一次支護(hù)后圍巖充分變形卸壓，變形量趨于穩(wěn)定。又不因圍巖過(guò)大的變形喪失強(qiáng)度時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行二次支護(hù)，才能控制巷道的變形，保證巷道的穩(wěn)定［9-11］。

3.2 正確采用聯(lián)合支護(hù)方式

隨著礦井開(kāi)采深度的逐步延伸，千米礦井越來(lái)越多，羊東礦馬頭門(mén)埋深已經(jīng)達(dá)到了千米，雖然巷道布置在巖性較好的巖層中，但是高地應(yīng)力的存在，使得現(xiàn)在單一的支護(hù)已經(jīng)滿足不了巷道穩(wěn)定的要求，應(yīng)采用聯(lián)合支護(hù)的方式［12，13］。聯(lián)合支護(hù)是柔性支護(hù)與剛性支護(hù)的組合，聯(lián)合支護(hù)中單一支護(hù)各自充分發(fā)揮其所固有的性能，取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同作用，以適應(yīng)圍巖變形的要求，最終達(dá)到圍巖和巷道穩(wěn)定的目的。一般要求初期支護(hù)是柔性支護(hù)，一般采用錨噴支護(hù)，允許巷道有一定的變形，待變形趨于穩(wěn)定時(shí)最終采取大剛度高強(qiáng)度支護(hù)。

4 結(jié)論

本文以羊東礦馬頭門(mén)巷道為背景，通過(guò)分析馬頭門(mén)巷道變形規(guī)律，總結(jié)得出羊東礦副井馬頭門(mén)變形破壞的主要原因是支護(hù)體系不合理，二次支護(hù)認(rèn)識(shí)不深刻，二次支護(hù)時(shí)機(jī)把握不準(zhǔn)確。因此，應(yīng)選擇聯(lián)合支護(hù)的方式加強(qiáng)圍巖自承能力，約束高應(yīng)力馬頭門(mén)巷道的變形失穩(wěn)。本文為羊東礦馬頭門(mén)巷道的支護(hù)提供理論指導(dǎo)，對(duì)羊東礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

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Analysis of Deformation Monitoring and Destruction Reasons about the Ingate Roadway

Wang Xianke1Yuan Shijie2
（1.Henan Province Coal Science Research Institute Company Limited，Zhengzhou Henan 450001；2.Installation Department of Pingdingshan Shenma Construction Engineering Group Co.,Ltd.，Pingdingshan Henan 467000）

Ingate is the throat site of coal mine production,because of the characteristics of large section,more roadway around and the obvious stress concentration,the support problem of the Horsehead tunnel becomes the bottleneck of the safe and efficient production of the mine.Based on the engineering background of Yangdong coal mine, using the method of field observation and theoretical analysis,this paper analyzed the deformation law of ingate roadway under the original support system,and analyzed the destruction reasons of ingate roadway deformation law of ingate roadway combined with the actual situation,to provide a scientific theory basis for the deformation control of ingate roadway in Yangdong coal mine.

ingate roadway；deformation law；destruction reason

TD326

A

1003-5168（2017）04-0123-03

2017-03-18

王先科（1987-），男，大專，助理工程師，研究方向：煤礦類設(shè)施設(shè)備安全檢測(cè)檢驗(yàn)業(yè)務(wù)方向。