崔 平

(晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 趙莊煤礦，山西 長治 046600)

隨著我國煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展，對煤炭的開采強(qiáng)度在不斷增加[1-2]，為滿足礦井通風(fēng)、運(yùn)料、行人以及安裝大型設(shè)備等要求，掘進(jìn)巷道的斷面也在不斷擴(kuò)大[3]。而我國近些年來的開采深度逐漸加深，開采環(huán)境也在日益惡化，這就對大斷面巷道的支護(hù)提出了更高要求。

趙莊煤礦3319工作面回風(fēng)巷布置于煤層之中，斷面積達(dá)到了24.75 m2，屬于大斷面巷道，掘進(jìn)過程中由于支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形破壞，給工作人員的人身安全帶來了嚴(yán)重威脅，因此探明巷道的破壞原因并對原支護(hù)方案進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化成為迫切需要解決的問題。

1 工程概況

趙莊煤礦3319工作面開采3號煤層，工作面埋深達(dá)500 m，沿走向布置，傾向推進(jìn)，采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法。33192回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長度為886.054 m，開口位置位于3103盤區(qū)輔運(yùn)巷1 600.0 m處西幫，掘進(jìn)方位角為270°29′12″，由東向西掘進(jìn)施工。33192回風(fēng)巷布置于3號煤層中，沿煤層頂板掘進(jìn)，為矩形斷面，其中掘進(jìn)寬度為5 500 mm，高度為4 500 mm，掘進(jìn)斷面積24.75 m2，屬于大斷面巷道。該巷采用錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護(hù)方式，其中頂板每排布置5根D18 mm×L2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 200 mm×1 000 mm，施加預(yù)緊力為50 kN；錨索采用1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直徑17.8 mm、長度6 300 mm，布置于兩排錨桿之間，在巷中布置一根，在距巷中心左右兩側(cè)1 400 mm處分別各布置一根，排距為1 000 mm，施加預(yù)緊力為140 kN。巷幫每排布置4根錨桿，間排距為1 200 mm×1 000 mm，錨桿型號以及所施加的預(yù)緊力與頂板一致。斷面支護(hù)如圖1所示。

圖1 33192巷道斷面支護(hù)布置示意

3192回風(fēng)巷掘進(jìn)后出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形破壞，其中頂板下沉尤為明顯，多根鋼帶發(fā)生彎曲變形，大量錨桿錨索被拉斷且出現(xiàn)了多處兜網(wǎng)現(xiàn)象，兩幫同樣存在著不同程度的片幫，巷道破壞特征如圖2所示。

圖2 頂板下沉

2 現(xiàn)場實(shí)測

2.1 巷道頂?shù)装鍑鷰r力學(xué)參數(shù)測試

由于33192回風(fēng)巷跨度較大，該巷頂板巖層賦存狀況以及物理力學(xué)屬性對于巷道圍巖穩(wěn)定性具有重要影響，為了探究巷道的破壞原因并對原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，在33192回風(fēng)巷選取合適的位置布置取芯鉆孔，將所取巖芯帶回實(shí)驗(yàn)室并通過巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對其物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。

表1 巷道頂板各巖層物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

由表1可知，巷道的直接頂為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，厚度分別為4.12 m和3.6 m，抗壓強(qiáng)度均偏低，分別為13.4 MPa和18.9 MPa，砂質(zhì)泥巖的強(qiáng)度略高于粉砂巖。其中砂質(zhì)泥巖和粉砂巖中均含植物化石，裂隙較為發(fā)育。老頂為6.74 m厚的細(xì)粒砂巖和12.5 m厚的中粒砂巖，這兩層巖層強(qiáng)度偏高，圍巖完整性較好。巷道的直接底為3.56 m的砂質(zhì)泥巖，老底則為4.47 m的粉砂巖。由于巷道跨度較大，距巷道頂板表面7.7 m深處范圍內(nèi)的巖層強(qiáng)度偏低，這為巷道的支護(hù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

2.2 幫部錨桿原位拉拔測試

由于在生產(chǎn)實(shí)際中巷道幫部發(fā)生了一定程度的片幫，而幫部為煤體，強(qiáng)度偏低，對幫部圍巖進(jìn)行強(qiáng)有力的支護(hù)對于巷道頂板的整體穩(wěn)定具有重要意義。在對巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)前必須掌握幫部煤體的可錨性，故對幫部錨桿的錨固力進(jìn)行了原位拉拔測試，測試結(jié)果見表2。

表2 巷道幫部錨桿可錨性測試結(jié)果

由表2可知，6根錨桿的平均錨固力為82.5 kN，巷幫煤體具有較高的可錨性。而33192回風(fēng)巷跨度較大，巷幫承受著上覆巖層較高的重力，原支護(hù)方案中錨桿所施加的預(yù)緊力僅為50 kN，對幫部煤體的支護(hù)效果較差，因此為保證幫部煤體的穩(wěn)定性，加強(qiáng)巷幫對頂板的支撐能力，可將錨桿的預(yù)緊力適當(dāng)提高。

2.3 地應(yīng)力測試

33192回風(fēng)巷埋深達(dá)到了500 m且巷道跨度較大，頂板受力較為復(fù)雜。而在生產(chǎn)實(shí)際中頂板多根錨桿、錨索出現(xiàn)了剪斷拉斷的現(xiàn)象，故探明巷道頂板原巖應(yīng)力的分布情況對于支護(hù)方案的優(yōu)化具有重要意義。在該巷中選取合適的位置布置地應(yīng)力測站，采用水壓致裂法對頂板圍巖的應(yīng)力分布狀況進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表3。

表3 地應(yīng)力測試結(jié)果

由表3可知，1號測點(diǎn)、2號測點(diǎn)和3號測點(diǎn)的側(cè)壓系數(shù)分別達(dá)到了1.50、1.43和1.40，3個測點(diǎn)的平均側(cè)壓系數(shù)仍達(dá)到了1.44，該巷道頂板受水平應(yīng)力影響較大。而巷道頂板7.7 m深處范圍內(nèi)圍巖強(qiáng)度偏低，在高水平應(yīng)力的影響下各巖層間易發(fā)生水平錯動，這對錨桿、錨索的支護(hù)極為不利，錨桿(索)須具有足夠的強(qiáng)度。

3 巷道破壞原因分析

綜合上述測試結(jié)果，可將33192回風(fēng)巷的破壞原因歸結(jié)為如下幾點(diǎn)：

1) 33192回風(fēng)巷跨度較大，屬于大斷面巷道，同時頂板深處7.7 m范圍內(nèi)的圍巖含有大量植物化石，強(qiáng)度較低，整體受水平應(yīng)力較為明顯，而錨桿錨索的強(qiáng)度偏低，不能對頂板巖層進(jìn)行有效的支護(hù)。

2) 巷道埋深為500 m且巷幫高度達(dá)到了4.5 m，受上覆巖層重力影響較大。且?guī)筒繛槊后w，強(qiáng)度較低，但仍具有一定的可錨性。而原支護(hù)方案中幫部錨桿的間排距較大，所施加的預(yù)緊力較低，不能對幫部圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行有效控制。

3) 所使用的錨索長度較短，錨固段沒有錨固在頂板7.7 m深處以上具有較高強(qiáng)度的巖層之中。

4) 不遠(yuǎn)處為3318工作面，該工作面正處于回采當(dāng)中，33192回風(fēng)巷不可避免地會受到工作面的采動影響。

4 支護(hù)方案優(yōu)化

針對巷道破壞原因，對原支護(hù)方案進(jìn)行如下優(yōu)化：

1) 頂板采用D22 mm×L2 400 mm的左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，每排布置6根，間排距縮減為1 000 mm×900 mm，幫部每排布置5根同型號錨桿，間排距同樣調(diào)整為1 000 mm×900 mm，依據(jù)錨固力測試結(jié)果施加的預(yù)緊力統(tǒng)一提高至80 kN。

2) 將錨索更換為直徑22.6 mm、長度8 000 mm的1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)緊力提高至178 kN，排距縮減至900 mm。

優(yōu)化后的巷道斷面支護(hù)如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后巷道斷面支護(hù)示意

5 效果評價

新掘巷道采用優(yōu)化方案對其進(jìn)行支護(hù)后，選取合適的位置布置測站并對其圍巖變形進(jìn)行了為期1個月的現(xiàn)場監(jiān)測，并和原支護(hù)方案監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖4所示。

從圖4可以看出，33192回風(fēng)巷在原方案支護(hù)下頂?shù)装迨諗苛窟_(dá)到了313 mm，兩幫移近量達(dá)到了256 mm，巷道整體變形較大。采用優(yōu)化方案支護(hù)后頂?shù)装迨諗苛拷档椭?0 mm，兩幫移近量降低至45 mm，與原方案支護(hù)下相比分別減少了74.4%和82.4%，巷道圍巖變形在優(yōu)化方案支護(hù)下得到了有效控制。

6 結(jié) 語

1) 33192回風(fēng)巷屬于大斷面煤巷，受水平應(yīng)力明顯且頂板7.7 m深處范圍內(nèi)圍巖強(qiáng)度較低，巷道整體支護(hù)強(qiáng)度不足加之受鄰近工作面的采動影響，該巷道在掘進(jìn)后出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形破壞。

2) 針對巷道的破壞原因，對原支護(hù)方案進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化，工程監(jiān)測結(jié)果表明該優(yōu)化方案可以有效控制巷道變形，滿足礦井的正常安全生產(chǎn)要求。