任 文 奎

（山西焦煤集團(tuán)霍州煤電集團(tuán)安全監(jiān)察局，山西 霍州 031400）

1 工程概況

紫晟煤業(yè)2-101 工作面地表位于北益昌村南部，地表以丘陵耕地為主，無(wú)建筑物主要開(kāi)采2#煤，煤層平均厚度為 3.65m，為近水平煤層。2-1012 回風(fēng)巷所處層位為二疊系下統(tǒng)山西組，2#煤層頂板為軟弱破碎頂板，主要為砂質(zhì)泥巖、局部炭質(zhì)泥巖偽頂，其特征是：深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，有星散狀白云母及黃鐵礦；2#煤層底板主要為砂質(zhì)泥巖，其特征是：灰、深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，有黃鐵礦星散。紫晟煤業(yè)2-1012 回風(fēng)順槽的斷面形狀為矩形，斷面尺寸3800×2800mm，支護(hù)方式為錨桿+錨索。巷道頂板錨索間距2100mm，排拒2100mm，即頂板每排布置兩根錨索，錨索的直徑為18mm，長(zhǎng)度7000mm，并且每根錨索配4 卷2550 錨固劑。錨桿的間距為800mm，排拒為800mm，即頂板每排布置4 根錨桿，兩側(cè)巷幫分別布置2 根錨桿，錨桿的直徑為20mm，長(zhǎng)度2400mm，并且每根錨桿配2 卷2550 錨固劑。礦方應(yīng)用上述支護(hù)方案后，回采過(guò)程中巷道局部出現(xiàn)鼓出、破碎的現(xiàn)象，圍巖變形嚴(yán)重，影響到了巷道的正常使用。

2 2-1012 巷道原支護(hù)體系破壞特征

2.1 2-1012 巷道圍巖松動(dòng)圈實(shí)測(cè)

為了了解巷道的主要破壞范圍及需要支護(hù)的主要對(duì)象，并進(jìn)一步判斷當(dāng)前巷道支護(hù)的有效程度，礦方在回風(fēng)順槽內(nèi)距第一聯(lián)絡(luò)巷左側(cè)150m、300m 處，右側(cè)20m 處的3 個(gè)斷面進(jìn)行實(shí)測(cè)，每個(gè)斷面頂板布置2 個(gè)5m 深的測(cè)孔，兩側(cè)巷幫布置3 個(gè)3m 深的測(cè)孔，進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試。觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2-1012 巷道圍巖松動(dòng)圈實(shí)測(cè)結(jié)果

從2-1012 巷道圍巖松動(dòng)圈實(shí)測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在回風(fēng)順槽內(nèi)所測(cè)斷面的松動(dòng)圈平均厚度約1.7m，為大松動(dòng)圈的軟巖巷道。由于松動(dòng)圈厚度超過(guò)1.5m，表明原先的支護(hù)方式不足以保證巷道圍巖的穩(wěn)定，因此需要進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化，以保證巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

2.2 2-1012 巷道頂板離層量監(jiān)測(cè)

為了了解原支護(hù)體系下2-1012 巷道頂板的離層情況，在回風(fēng)順槽內(nèi)距第一聯(lián)絡(luò)巷左側(cè)100m、距第一聯(lián)絡(luò)巷右側(cè)100m 處的兩個(gè)斷面內(nèi)從巷道開(kāi)挖初期進(jìn)行為期40 天的頂板離層的監(jiān)測(cè)作業(yè)。本次選用GUD500 型頂板離層儀進(jìn)行巷道頂板離層量的監(jiān)測(cè)作業(yè)，該離層儀操作簡(jiǎn)單、讀數(shù)方便并且技術(shù)較為先進(jìn)。兩個(gè)斷面的頂板離層量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 2-1012 巷道頂板離層量監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)觀察巷道頂板離層量的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：距第一聯(lián)絡(luò)巷右側(cè)100m 處的斷面頂板深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)的離層量分別為78mm 和46mm；距第一聯(lián)絡(luò)巷左側(cè)100m 處的斷面頂板深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)的離層量分別為59mm 和38mm。2-1012 回風(fēng)順槽內(nèi)距第一聯(lián)絡(luò)巷左側(cè)100m、距第一聯(lián)絡(luò)巷右側(cè)100m 處的兩個(gè)斷面深基點(diǎn)的頂板離層量都比較大，淺基點(diǎn)的離層量相對(duì)較??；從巷道頂板離層量的變化趨勢(shì)來(lái)看，由于巷道開(kāi)挖初期，圍巖應(yīng)力得到釋放，因此頂板淺基點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)部分膨脹及離層的現(xiàn)象，但是不會(huì)對(duì)深基點(diǎn)造成影響，后期隨著圍巖應(yīng)力的釋放，頂板離層量趨于穩(wěn)定。綜上，巷道開(kāi)挖后必須及時(shí)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，從而限制巷道開(kāi)挖圍巖應(yīng)力釋放造成的圍巖膨脹及離層的現(xiàn)象。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化方案

3.1 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于2-1012 巷道的松動(dòng)圈范圍遠(yuǎn)大于上覆巖層的離層量，所以巷道產(chǎn)生變形的主要原因是由于軟弱頂板不能承受足夠的水平應(yīng)力，從而導(dǎo)致頂板發(fā)生剪切破壞，錨索斷裂失效，所以對(duì)原支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)建立在最大水平應(yīng)力理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，具體經(jīng)驗(yàn)公式如下[1～2]：

錨桿長(zhǎng)度：

式中：L 為錨桿長(zhǎng)度；W 為巷道寬度；N 為巷道圍巖的影響系數(shù)。

間排距：

根據(jù)2-1012 巷道實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況及礦方現(xiàn)有材料，通過(guò)計(jì)算得出的優(yōu)化后的支護(hù)方案如下：錨桿的間距調(diào)整為700mm，排拒仍為800mm，即巷道頂板調(diào)整為每排布置5 根錨桿，巷幫兩側(cè)每排分別布置4 根錨桿，錨桿的直徑為22mm，長(zhǎng)度2400mm，并且每根錨桿配3 卷2550 錨固劑；并且4 根巷幫錨桿中靠近頂板和底板的兩根錨桿要求在裝設(shè)時(shí)分別向上、向下傾斜15°，并且安裝錨索、錨桿時(shí)要求其預(yù)緊力不低于110kN；為了保證優(yōu)化后的支護(hù)效果，在上述基礎(chǔ)上在巷道內(nèi)架設(shè)排拒為800mm 的11#礦用工字鋼支架。優(yōu)化后的支護(hù)示意圖如圖2 所示。

圖2 2-1012 巷道優(yōu)化后支護(hù)示意圖

3.2 2-1012 巷道支護(hù)效果數(shù)值模擬

以紫晟煤業(yè)2-1012 巷道為研究對(duì)象，根據(jù)2-1012 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)，同時(shí)借鑒類(lèi)似工況經(jīng)驗(yàn)[3～4]，通過(guò)Flac3D軟件，采用摩爾- 庫(kù)倫本構(gòu)模型建立紫晟煤業(yè)2-1012 巷道支護(hù)模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，模型X 方向施加水平應(yīng)力17.10MPa，模型Y方向施加水平應(yīng)力11.3MPa，模型垂直方向施加垂直應(yīng)力8.30MPa，對(duì)模型邊界施加位移約束條件，模擬過(guò)程中不平衡力＜1.0×10-5N 時(shí)終止計(jì)算。所建模型尺寸為30×30×5m。

建立模型分別在原支護(hù)體系下和優(yōu)化支護(hù)體系下進(jìn)行模擬研究其支護(hù)效果，圖3 所示為原支護(hù)體系下和優(yōu)化支護(hù)體系下巷道圍巖水平位移分布云圖，圖4 所示為原支護(hù)體系下和優(yōu)化支護(hù)體系下巷道圍巖垂直位移分布云圖。

圖3 不同支護(hù)體系下巷道圍巖水平位移分布云圖

圖4 不同支護(hù)體系下巷道圍巖垂直位移分布云圖

通過(guò)觀察圖3（a）及圖4（a）圍巖位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，在原支護(hù)體系下，巷道兩幫移近量約為240.8mm，巷道頂?shù)装逡平考s為278.3mm，巷道圍巖變形量較大，影響到了巷道的通風(fēng)及行人的要求；觀察圖3（b）及圖4（b）應(yīng)用優(yōu)化后的支護(hù)體系下的圍巖位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫移近量約為133mm，巷道頂?shù)装逡平考s為150mm，巷道圍巖位移量控制在允許范圍內(nèi)，能夠滿(mǎn)足巷道的通風(fēng)及行人的要求，巷道巷幫移近量和頂?shù)装逡平枯^原支護(hù)體系下的移近量分別下降了46%和44.8%。因此錨桿+錨索+工字鋼的聯(lián)合支護(hù)方案優(yōu)化合理，可以作為2-1012 巷道的支護(hù)方案。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

得出上述優(yōu)化后的支護(hù)方案后，礦方在回風(fēng)順槽內(nèi)距第一聯(lián)絡(luò)巷右側(cè)20m～100m 范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，為了驗(yàn)證支護(hù)是否有效，通過(guò)在距巷道表面不同距離處安裝多點(diǎn)位移計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)回采過(guò)程中巷道圍巖深部的位移量進(jìn)行驗(yàn)證。2-1012 巷道在回采過(guò)程中的圍巖深部位移變化數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 回踩過(guò)程中巷道圍巖深部位移

由圖5（a）可發(fā)現(xiàn)，頂板覆巖距頂板0～6m 范圍內(nèi)的最大變形量為138mm，即頂板下沉總量138mm，0～1.2m 范圍內(nèi)、1.2～2.4m 范圍內(nèi)、2.4～3.6m 范圍內(nèi)、3.6～4.8m 范圍內(nèi)、4.8～6m 范圍內(nèi)的相對(duì)變形量分別為45mm、40mm、25mm、15mm、10mm。觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)頂板3.6～4.8m 和4.8～6m 范圍內(nèi)的圍巖變形量相近，這一數(shù)據(jù)表明頂板上方約3.6～6m 的圍巖處于彈塑性過(guò)渡階段或者處于彈性穩(wěn)定狀態(tài)。0～2.4m 范圍內(nèi)的相對(duì)變形量為85mm，約占頂板全部下沉量的60%，是主要下沉部分；由圖5（b）可發(fā)現(xiàn)，實(shí)體煤一側(cè)0～5m 范圍內(nèi)的最大變形量為135mm，即靠近實(shí)體煤一側(cè)巷幫近進(jìn)量135mm，0～1m 范圍內(nèi)的相對(duì)變形量為43mm，1～2m 范圍內(nèi)的相對(duì)變形量為40mm，2～3m范圍內(nèi)的相對(duì)變形量為20mm，3～4m 范圍內(nèi)的相對(duì)變形量為15mm，4～5m 范圍內(nèi)的相對(duì)變形量為15mm。觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)實(shí)體煤一側(cè)巷幫3～5m 范圍內(nèi)的相對(duì)變形量相對(duì)于0～2m 范圍內(nèi)的相對(duì)變形量較小，說(shuō)明距巷幫2m 范圍內(nèi)的煤體發(fā)生了整體位移，而3～5m 范圍內(nèi)的煤體處于彈塑性過(guò)渡階段或者處于彈性穩(wěn)定狀態(tài)；由圖5（c）可發(fā)現(xiàn)，靠近工作面巷幫0～2.5m 范圍內(nèi)的最大變形量為210mm，即靠近靠近工作面巷幫近進(jìn)量210mm，0～0.5m 范圍內(nèi)、0.5～1m范圍內(nèi)、1～1.5m 范圍內(nèi)、1.5～2m 范圍內(nèi)、2～2.5m 范圍內(nèi)的相對(duì)變形量分別為52mm、47mm、45mm、44mm、23mm。觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)靠近工作面巷幫2～2.5m 范圍內(nèi)的相對(duì)變形量相對(duì)于0～2m 范圍內(nèi)的相對(duì)變形量較小，說(shuō)明距巷幫2m 范圍內(nèi)的煤體發(fā)生了整體位移。

綜上，在應(yīng)用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，巷道兩幫及頂?shù)装宓淖冃尉刂圃谠试S范圍內(nèi)，能夠滿(mǎn)足巷道通風(fēng)及行人的要求，雖然靠近工作面?zhèn)鹊南飵蜕罨c(diǎn)變形較大，但是整體性良好，因此2-1012 巷道支護(hù)合理，在回采過(guò)程中能夠保證巷道正常安全的使用。

4 結(jié) 論

紫晟煤業(yè)2-1012 巷道頂板為軟弱頂板，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)巷道產(chǎn)生變形的主要原因是由于軟弱頂板不能承受足夠的水平應(yīng)力，從而導(dǎo)致頂板發(fā)生剪切破壞，錨索斷裂失效，所以在最大水平應(yīng)力理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，得到錨桿+錨索+工字鋼的聯(lián)合支護(hù)。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)該支護(hù)體系能夠保證2-101 工作面回采過(guò)程中巷道正常安全的使用。