邵輝輝 曹麗軍 郝繼寶

（1.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299；2.山東鼎安檢測技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司榆樹井煤礦屬于典型的西部弱膠結(jié)膨脹型軟巖礦井。其主采煤層位于侏羅系延安組含煤地層，煤層厚度在2.2～4 m之間，屬于中厚煤層，巷道掘進(jìn)期間采用破底留頂?shù)姆绞骄蜻M(jìn)。巷道開挖后，受巖體力學(xué)性能差、圍巖強(qiáng)度低等影響，極易發(fā)生收斂變形。巷道開挖后在完全開放不支護(hù)狀態(tài)下，巷道底鼓變形量可達(dá)3.5～5 m，幫部收斂變形量在1.5～2.5 m。建井初期，為解決巷道收斂變形給回采作業(yè)帶來的影響，保證正常的通風(fēng)、運(yùn)輸、行人，需要抽調(diào)采掘人員組成專業(yè)巷修隊(duì)伍負(fù)責(zé)皮帶運(yùn)輸巷的維護(hù)工作。大量的人力投入，不但影響礦井正常的采掘接續(xù)，而且增加了成本投入。為解決軟巖變形問題給采掘作業(yè)帶來的影響，礦井先后嘗試過底板錨索束、底角格柵墻、底板鋼筋混凝土支護(hù)等多種支護(hù)方式。通過實(shí)際效果看，均未達(dá)到理想效果，而砌碹支護(hù)成本太高且不適于順槽支護(hù)。

為了改善軟巖礦井巷道維護(hù)困難狀況，減少巷道支護(hù)成本，進(jìn)一步提高掘進(jìn)效率，為礦井高產(chǎn)高效提供技術(shù)支撐，必須找到合適的支護(hù)方式，突破制約礦井發(fā)展的瓶頸。

1 變形因素

1.1 巖石特征

上海廟礦區(qū)侏羅系地層巖石強(qiáng)度普遍較低，單軸抗壓強(qiáng)度均在30 MPa 以下，屬于松軟-中硬巖石，工程穩(wěn)定性差。

礦區(qū)巷道圍巖的巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、粗砂巖為主，礦物成分中高嶺石、伊利石和蒙脫石成分顯著偏高，其中高嶺石含量7.5%～33.4%，伊利石含量18.8%～28%，蒙脫石含量0～8%。巖石具有膠結(jié)性、自承能力差，遇水泥化、遇風(fēng)坍塌等特點(diǎn)。

為進(jìn)一步了解圍巖特性，對礦井圍巖巖樣進(jìn)行了測試分析。

表1 巖石特征測試

1.2 圍巖松動圈

根據(jù)松動圈理論，只有當(dāng)圍巖強(qiáng)度大于圍巖應(yīng)力時，巷道周邊才不會產(chǎn)生松動圈。同一圍巖巷道中巖石應(yīng)力越大，松動圈也就越大；同一應(yīng)力條件下巖石強(qiáng)度越低，松動圈也就越大。表2 為巷道支護(hù)圍巖松動圈分類表。

表2 巷道支護(hù)圍巖松動圈分類表

為研究礦井圍巖松動圈類別，在礦井總回風(fēng)、水倉入口及個別交叉點(diǎn)位置進(jìn)行了探地雷達(dá)松動圈測試，測試結(jié)果見表3。從整個松動圈測試結(jié)果看，圍巖松動圈最大達(dá)到2.96 m，巷道圍巖松動范圍較大。對照表2 可知，圍巖性質(zhì)屬于大松動圈不穩(wěn)定圍巖。

表3 圍巖松動圈測試表

2 變形觀測與分析

2.1 變形觀測

榆樹井煤礦11507 工作面上順槽掘進(jìn)期間，受富水軟巖條件影響，巷道收斂變形較大。為了總結(jié)巷道變形規(guī)律，在順槽掘進(jìn)迎頭后25 m 位置設(shè)置礦壓觀測點(diǎn)，該處巷道底板處于完全開放狀態(tài)，未進(jìn)行反底拱施工，觀測方法采用十字布點(diǎn)法，觀測結(jié)果見表4。

表4 數(shù)據(jù)觀測統(tǒng)計表

2.2 幫部收斂與底鼓關(guān)系

為了研究巷道底鼓量與巷道兩幫收斂變形量之間的關(guān)系，分析其內(nèi)部存在的密切程度，根據(jù)巷道收斂變形數(shù)據(jù)，采用回歸分析法建立一元線性回歸理論模型[1-6]。

設(shè)自變量x 為兩幫移近量，因變量y 為底鼓量，將二者之間的線性關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型為：

擬合一元函數(shù)及散點(diǎn)分布如圖1。

圖1 幫部收斂與底鼓關(guān)系擬合圖

通過計算得：r=0.988 6，R2= 0.977 4。

相關(guān)系數(shù)r說明兩幫收斂量x與底鼓量y直線相關(guān)程度很高，決定系數(shù)R2反映了回歸方程擬合優(yōu)度較好，因此兩幫收斂變形量與底鼓量是密切相關(guān)的。

2.3 底鼓隨時間變化關(guān)系

根據(jù)函數(shù)逼近和回歸分析理論，結(jié)合實(shí)測巷道底鼓隨時間的變化曲線。建立“巷道底鼓量一時間變化”回歸理論模型。研究巷道底鼓量隨時間變化的規(guī)律，分析巷道底鼓變化趨勢，以對巷道底鼓量變化進(jìn)行預(yù)測分析。

設(shè)復(fù)合函數(shù)：

式中，y為底鼓量；x為時間；a、n為常數(shù)。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)計算得a=23.286，n=0.669 2，R2=0.982 6。

從底鼓隨時間變化曲線可以看出（圖2），在巷道底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖的情況下，巷道開挖后，巷道圍巖力學(xué)特性發(fā)生顯著弱化，承載力極低，巷道底板產(chǎn)生明顯的塑性變化及剪切破壞，造成前期底鼓速度較大。隨著時間的推移，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，巷道底鼓變形持續(xù)增加，但巷道收斂變形速度有所減緩。

圖2 底鼓隨時間變化關(guān)系擬合曲線圖

3 支護(hù)設(shè)計與效果

3.1 支護(hù)設(shè)計

根據(jù)以上分析結(jié)合榆樹井煤礦11507 上順槽掘進(jìn)過程遇到的實(shí)際地質(zhì)條件，制定出合理的支護(hù)方式[7-10]，即斷面選擇直墻圓弧拱+三心拱底，支護(hù)方式頂板采用錨網(wǎng)（索）+底板錨網(wǎng)噴支護(hù)。巷道掘進(jìn)斷面凈寬4500 mm，凈高3500 mm，巷道支護(hù)方式如圖3。

圖3 巷道掘進(jìn)支護(hù)斷面圖（mm）

頂幫采用錨網(wǎng)索一次支護(hù)，錨桿間排距700 mm×700 mm，錨桿預(yù)緊力300 N·m，頂幫每排布置4 根錨索，錨索間排距1400 mm×1400 mm，支護(hù)完成后頂幫進(jìn)行噴漿封閉，噴漿厚度為100 mm。底板采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，初噴前按照設(shè)計將底板清理至三心拱型，然后進(jìn)行初噴漿，噴漿厚度100 mm，接著進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)。底板采用錨索、錨桿相間布置的方式，即底板布置3 根錨索+4 根錨桿的方式，底板錨桿、錨索采用灌漿工藝進(jìn)行全長錨固，錨桿、錨索緊固后按照設(shè)計要求進(jìn)行復(fù)噴漿，噴漿厚度100～250 mm。

3.2 應(yīng)用效果

表5 是巷道內(nèi)選取兩處礦壓觀測點(diǎn)連續(xù)3 個月的數(shù)據(jù)累計變化情況，測點(diǎn)1 處巷道底板處于敞開不支護(hù)狀態(tài)，測點(diǎn)2 為全斷面錨網(wǎng)噴支護(hù)狀態(tài)。通過對監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)對比可以看出，全斷面錨網(wǎng)噴支護(hù)的巷道無論是底鼓量還是兩幫收斂變形量均得到了有效的控制。從現(xiàn)場來看，巷道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有繼續(xù)變形的趨勢。

表5 數(shù)據(jù)觀測統(tǒng)計表 mm

4 結(jié)論

（1）通過對11507 工作面上順槽礦壓觀測數(shù)據(jù)分析，建立巷道兩幫移近量與底鼓關(guān)系的一元回歸模型，結(jié)果表明順槽的兩幫移近量與底鼓量呈正相關(guān)關(guān)系。

（2）通過巷道底鼓隨時間關(guān)系的回歸模型得出，巷道底鼓量隨時間逐步增加，前期增速較快，隨時間推移，增速有所減緩。

（3）通過跟蹤觀測發(fā)現(xiàn)，水對巷道底鼓變形有促進(jìn)作用，在研究巷道支護(hù)的同時必須將水作為一個元素考慮，采取綜合性的治理方案。

（4）提出的“全斷面錨網(wǎng)噴支護(hù)方式”，通過實(shí)踐證明可以有效地控制巷道變形。