武晉文

(陽泉煤業(yè)集團有限責任公司二礦，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

某煤礦202工作面開采二- 2煤層，該煤層厚度1.5～9.2m，平均5.6m，厚度變化較大。煤巖類型以半亮型及半暗型為主，含鏡煤及絲炭條帶，具不明顯的線理狀結構，瀝青～弱玻璃光澤，內(nèi)生節(jié)理不發(fā)育，中夾數(shù)層暗煤薄層，厚0.3～0.5m，其中：半亮型煤煤質(zhì)軟，易呈碎塊及粉末狀；半暗型及暗淡型煤煤質(zhì)堅硬，呈塊狀。

該煤層直接頂為黑色泥巖，有滑面，含鏡煤條帶，與薄層狀粉砂巖交替出現(xiàn)，平均3.51m，含植物化石碎片，節(jié)理發(fā)育，較軟，易沿滑面及裂隙冒落，不易支護；偽頂為黑色泥巖、灰黑色～灰白色粉砂巖，含鏡煤條帶，厚度0～2.1m；頂板巖石按飽和抗壓強度分類屬軟弱巖石，按軟化系數(shù)分類屬軟化巖石。

煤層直接底為深灰、灰黑色細砂巖，中間夾灰黑色泥巖、粉砂巖，平均厚度3.2m；偽底為深灰、灰黑色泥巖與炭質(zhì)泥巖交替沉積，巖石松散有滑面，厚度0～1.45m；老底為淺灰、深灰色砂巖，厚度5.35m。由于二- 2煤層頂?shù)装鍘r石總體屬極軟～軟巖類，其巷道容易發(fā)生冒頂或片幫，對掘進速度影響較大。

1.2 巷道圍巖特性分析

(1)煤層的整體性較差。二- 2煤層層理發(fā)育較為明顯，且內(nèi)有數(shù)層軟硬薄夾層交替出現(xiàn)，軟夾層成粉末狀、硬夾層成塊狀，掘進后巷道成形差。由于煤層軟，易導致錨桿、錨索的錨固力達不到設計要求，尤其是隨著巷道服務期的延長，其后期錨固力失效問題嚴重[1～2]。

(2)煤層頂板為復合軟巖頂板，穩(wěn)定性較差。二- 2煤層直接頂為黑色泥巖，有滑面與薄層狀粉砂巖交替出現(xiàn)，不同巖層強度差異大可導致軟弱巖層的脫層，易發(fā)生頂板冒頂事故。

(3)煤層及頂?shù)装鍘r層傾角較大。由于傾角大，在自重應力的作用下巖層之間容易發(fā)生巖層錯動，從而導致巷道頂板破碎，兩幫片幫等現(xiàn)象。

(4)頂板裂隙水對巷道支護影響較大。由于頂?shù)装鍘r性的泥質(zhì)含量高，其遇水后將出現(xiàn)明顯的巖石變軟、泥化現(xiàn)象，巷道容易發(fā)生整體變形，尤其是底板底鼓嚴重。

(5)煤層表面風化碎裂。巷道掘進后，煤層表面受風化影響，強度將明顯降低，易出現(xiàn)圍巖碎裂現(xiàn)象。

2 原支護方式巷道穩(wěn)定性分析

2.1 原錨網(wǎng)噴支護方式

原巷道支護采用錨網(wǎng)+錨索+噴漿聯(lián)合支護形式[3]。

(1)錨桿支護系統(tǒng)。錨桿采用φ22mm×2 400mm左旋無縱筋普強錨桿，配置125mm×125mm×100mm穹形金屬沖壓墊片、半球墊、尼龍減摩墊片和M24快裝螺母，外加200mm×200mm×60mm木托板。錨桿按間排距700mm×700mm矩形布置。每根頂錨桿使用1節(jié)CK2335和2節(jié)Z2360型樹脂藥卷錨固，幫錨桿使用2節(jié)Z2360型樹脂藥卷錨固。

(2)表面支護。采用φ12mm鉛絲編織的菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格30mm×30mm，網(wǎng)片采用長、短邊搭接的連接方式，搭接長度為50mm。

(3)錨索輔助支護。采用φ17.8mm×7 300mm鋼絞線錨索，每隔2.8m在巷道頂部打2根。錨索采用3節(jié)Z2360型樹脂藥卷錨固。錨索托板使用300mm×300mm×80mm木托板加200mm×200mm×16mm鐵托板，鐵托板中孔直徑20mm。

(4)噴漿。巷道施工后對巷道進行噴漿處理，噴漿厚度不小于100mm。

2.2 原錨網(wǎng)噴支護方式穩(wěn)定性評價

巷道在初次支護90 d后進行了第一次整體維修，第一個測點的觀測時間為2017年9月。采用數(shù)理分析和數(shù)理統(tǒng)計的方法，對巷道頂?shù)装逡平恳约白冃嗡俣炔捎煤瘮?shù)進行擬合。根據(jù)擬合函數(shù)在時間趨于無限大時進行分析，進而判斷巷道的穩(wěn)定性。其中頂?shù)装逡平亢晚數(shù)装遄冃嗡俣扔^測分析如表1和圖1。

表1 巷道頂板位移量及變形速度統(tǒng)計表

圖1 巷道頂?shù)装逦灰屏考白冃嗡俣惹€

根據(jù)回歸分析理論，采用最小二乘法[4～5]對巷道頂?shù)装逡平壳€進行擬合[4～5]。

設巷道移近量函數(shù)的形式為：

u=AtB

(1)

兩邊取對數(shù)：

y=logu=log(AtB)=logA+Bt

(2)

設t=x，logA=C，得到線性函數(shù)：

y=C+Bx

式中：u——頂板下沉量，mm；

t——時間，d；

A、B——待定常數(shù)。

通過對實測數(shù)據(jù)的綜合分析得知目前采用的錨網(wǎng)噴支護是不適宜的。圖2反映了原巷道的基本變形情況。

圖2 井下巷道整體變形圖

3 原支護存在的問題

(1)錨桿的實際安裝扭矩小，低錨桿預緊力不利于實現(xiàn)錨桿的主動支護作用。盡管《巷道掘進作業(yè)規(guī)程》中要求的錨桿安裝扭矩為350N·m，但由于頂板錨桿鉆機的輸出額定扭矩僅為130N·m，從目前的施工準備來看，不借助輔助裝置僅采用鉆機施工實現(xiàn)350N·m的安裝扭矩幾乎是不可能的。

(2)木托盤對錨桿預緊力的施加和保持的負面影響很大。盡管木托盤的受力面積較大，但由于其抗壓強度低，當圍巖變形時木托盤就會產(chǎn)生低位讓壓現(xiàn)象，如圖3，使得錨桿受力滯后且無法快速獲得支護圍巖所需的阻力(待其承力時，圍巖已經(jīng)變形很大)，造成圍巖變形進一步增大，極大地影響了錨桿的初期工作效率(現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫的變形較大，但錨桿受力很低)。

圖3 圍巖應力和巷道變形特性曲線

從錨桿支護系統(tǒng)整體支護效果看，木托盤是支護系統(tǒng)中的薄弱點。由于煤質(zhì)較松軟，巷道掘進后的初期變形較大，所以控制住圍巖的初期變形是巷道支護的關鍵之一。在初期系統(tǒng)受力時，原支護系統(tǒng)首先發(fā)生變形的為木托盤，當系統(tǒng)受力增大時木托盤易發(fā)生劈裂或鐵托盤壓入現(xiàn)象，支護系統(tǒng)受力迅速降低。當錨桿受力時由于初期變形大，巷道圍巖裂隙向深部擴展速度加快，一段時間后很容易造成支護系統(tǒng)失效，錨桿支護系統(tǒng)將隨巷道變形一起內(nèi)移，巷道將出現(xiàn)整體變形。

(3)表面支護強度低，錨桿的外部支托條件很差。對于巷道表面破碎的松軟煤巷，表面支護應作為支護的重點。巷道掘進后，通過采用高強度的表面支護配合錨網(wǎng)索及時支護，能有效地防止巷道表面破壞向深部發(fā)育，同時給支護系統(tǒng)提供良好的外部著力點，有利于錨桿預緊力的保持和錨桿支護系統(tǒng)的受力穩(wěn)定或正常增加。

(4)針對性設計存在缺陷。原201工作面回采巷道支護設計僅為常規(guī)設計，適用于條件較為簡單的情形，缺乏針對性的設計。通過現(xiàn)場錨桿受力及巷道變形觀測情況，結合數(shù)值模擬分析結果，巷道左肩窩與右底角部位的圍巖所受水平應力明顯大于巷道其它部位，支護設計必須考慮到其受力特點。

(5)在圍巖產(chǎn)生碎漲變形時，錨桿錨固力保持性能差，后期支護效率低。巷道圍巖強度較低，特別是巷道兩幫(煤層)，錨桿的后期錨固力降低明顯，有的甚至完全喪失，所以必須采取措施保持錨桿、錨索的錨固力的長期穩(wěn)定，確保錨桿、錨索受力不隨時間的延長而明顯降低。

(6)錨桿施加預緊力滯后時間長，無法做到及時支護。由于圍巖初期變形較大，錨桿預緊力施加滯后不利于巷道圍巖的穩(wěn)定維護，嚴重影響錨桿的初期工作效率及最終工作效率。因此，必須選擇快裝錨桿及合適的錨固劑，實現(xiàn)及時早期支護。

(7)巷道底鼓量大，返修次數(shù)將隨著時間延長增加。加強幫部支護強度，降低底鼓量。必要時對底板采取針對性治理措施。

4 結論

(1)根據(jù)圍巖特性分析，煤巖層自身傾角較大、整體性較差；煤層頂?shù)装鍨槟噘|(zhì)軟巖，在水或風的作用下強度急劇下降，該種“三軟”圍巖特性不利于巷道圍巖的穩(wěn)定維護。

(2)從受力的角度考慮，大傾角“三軟”回采巷道在巷道肩窩和底板處為應力集中點，一般其應力集中區(qū)首先發(fā)生破壞，進而影響整個斷面，誘發(fā)整體動態(tài)變形。

(3)通過對原巷道變形實測數(shù)據(jù)的回歸分析可知，在時間趨近無窮大時，位移為發(fā)散的，而變形速度趨近于常數(shù)0.081，也就是說原巷道支護方式不能有效改變圍巖的流變特性，變形速度不為零，圍巖變形也就不會停止，直至巷道最終破壞失穩(wěn)。

(4)從巷道圍巖特性、力學特征及原支護系統(tǒng)巷道變形實測數(shù)據(jù)的回歸分析可以看出，原有的支護方案在開采大傾角“三軟”煤層回采巷道中是不適用的。