孟武峰，董 社，秦偉超

(河南能源化工集團(tuán)焦煤公司古漢山礦，河南 焦作 454000)

采用分層開(kāi)采厚煤層時(shí)，上分層回采期間，需在底板鋪設(shè)金屬網(wǎng)或塑編網(wǎng)作為下分層開(kāi)采時(shí)的假頂，回采結(jié)束后，一般滯后1～2年時(shí)間待采空區(qū)頂板充分壓實(shí)，形成穩(wěn)定的再生膠結(jié)頂板后才能進(jìn)行下分層工作面的掘進(jìn)和回采。在下分層工作面煤巷掘進(jìn)施工中，由于其巷道頂板為采空區(qū)冒落矸石和破碎煤體組合成的再生膠結(jié)頂板，頂板較為松軟、破碎、穩(wěn)定性差，若單純采用傳統(tǒng)的錨桿加固支護(hù)技術(shù)，整個(gè)錨桿桿體都可能處在破碎的圍巖體中，著力點(diǎn)很難形成，無(wú)法發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用，因此采空區(qū)下煤巷一般采用架棚為主的支護(hù)形式[1-3]。架棚支護(hù)屬于被動(dòng)支護(hù)，不能及時(shí)控制頂板圍巖變形，與此同時(shí)，架棚支護(hù)結(jié)構(gòu)本身承載能力小，易導(dǎo)致巷道頂板、兩幫收縮嚴(yán)重，前掘后修、巷道支護(hù)困難。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)煤巷圍巖控制方面所做的研究工作很多，并取得了大量成果[4，5]。相關(guān)學(xué)者在近距離采空區(qū)下煤巷支護(hù)和再生頂板控制方面的研究為本論文研究提供了有益借鑒，如：吳昕[6]運(yùn)用彈塑性力學(xué)理論分析了近距離采空區(qū)下開(kāi)切眼頂板的穩(wěn)定性；郝登云、郭萌、李國(guó)棟、王龍飛、王震等[7-14]針對(duì)采空區(qū)下近距離和極近距離巷道布置和支護(hù)問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析和數(shù)值模擬等手段，研究了采空區(qū)下方巷道圍巖受力和變形情況，為巷道位置和支護(hù)方案的選擇提供了依據(jù)；呂情緒等[15]針對(duì)與上部采空區(qū)間隔4m煤厚條件下的下分層切眼頂板支護(hù)問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬分析、工程應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，證明采用“錨網(wǎng)索+金屬棚+單體支柱”聯(lián)合支護(hù)形式可有效控制頂板位移；郝陽(yáng)軍等[16]針對(duì)下分層煤巷頂板破碎掘進(jìn)過(guò)程中易發(fā)生冒頂及煤頂垮落等問(wèn)題，應(yīng)用超前預(yù)注漿技術(shù)，提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性；孟慶彬等[17]通過(guò)數(shù)值模擬手段研究了極弱膠結(jié)地層條件下煤巷圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，提出了“雙層錨固平衡拱結(jié)構(gòu)”；馬文強(qiáng)等[18，19]采用數(shù)值模擬手段，研究了再生頂板條件下巷道的變形、應(yīng)力和塑性區(qū)分布規(guī)律，為巷道支護(hù)形式的選擇提供了依據(jù)；李國(guó)志等[20]分析了分層煤柱巷道圍巖大變形破壞特征及失穩(wěn)機(jī)理，指出上覆巖層關(guān)鍵塊體再次回轉(zhuǎn)下沉是造成巷道大變形的主要原因。上述研究成果在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證并取得了較好效果，但對(duì)采空區(qū)下零距離煤巷全錨索支護(hù)研究方面所做的工作較少，相關(guān)理論和實(shí)踐成果有待于進(jìn)一步豐富。因此，研究探索采空區(qū)下煤巷圍巖控制的方法和途徑，不僅對(duì)提高下分層煤巷的支護(hù)效果很有意義，同時(shí)對(duì)多煤層開(kāi)采及其他條件下穿垮落帶、裂隙帶的巷道支護(hù)也有借鑒意義。本文針對(duì)古漢山礦分層開(kāi)采采空區(qū)下煤巷支護(hù)問(wèn)題，分析了以往被動(dòng)支護(hù)情況下巷道變形破壞的原因，提出了有針對(duì)性的全錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，為類似條件下的煤巷圍巖控制提供了參考。

1 工程地質(zhì)概況

古漢山礦為煤與瓦斯突出礦井，水文地質(zhì)類型為極復(fù)雜。主采二疊系山西組二1煤層，煤層傾角10°～19°，平均厚度5.0m。開(kāi)采水平-450m，最大開(kāi)采深度707m。礦井因地質(zhì)條件復(fù)雜、構(gòu)造多、底板水壓大，長(zhǎng)期以來(lái)受高地應(yīng)力影響。17采區(qū)西翼采用分層開(kāi)采工藝，上分層采煤工作面17021工作面和17041工作面分別于2017年1月份和2019年2月份回采結(jié)束，回采高度2.6m，剩余煤厚平均2.4m。設(shè)計(jì)的17042工作面為下分層采煤工作面，位于已回采結(jié)束的17021工作面和17041工作面采空區(qū)下方。17042運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為463m，內(nèi)錯(cuò)式布置，沿上分層回采期間鋪設(shè)的人工假頂掘進(jìn)，采用綜掘工藝。巷道設(shè)計(jì)斷面為矩形，巷寬4.8m，巷高2.9m。研究區(qū)域工作面相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。煤層頂?shù)装鍘r性如圖2所示。

圖1 工作面相對(duì)位置

圖2 工作面頂?shù)装迕簩又鶢顖D

2 巷道變形原因分析

2020年以前，礦井下分層煤巷一直采用“工鋼棚+抬棚”的支護(hù)形式。受綜掘機(jī)和二運(yùn)長(zhǎng)度的影響，抬棚支護(hù)滯后迎頭25m以上，造成該段巷道掘進(jìn)期間頂板支護(hù)強(qiáng)度低，尚未打上抬棚，工鋼棚已受壓彎曲變形，巷道斷面縮小、面貌差，為后期工作面回采設(shè)備布置及其超前支護(hù)管理帶來(lái)不利影響?；夭汕靶枰M織大量人力對(duì)變形地段進(jìn)行擴(kuò)幫蹬柱，標(biāo)準(zhǔn)化水平低，安全生產(chǎn)被動(dòng)。經(jīng)分析，巷道變形原因主要有以下幾方面：

1)下分層煤巷圍巖受上分層回采期間采動(dòng)影響，煤體結(jié)構(gòu)遭到破壞，巷幫煤體整體性較差、裂隙較多。且受煤層自身賦存條件影響，靠近底板0.5～1m的位置為粉狀煤，煤體強(qiáng)度低。

2)下分層煤巷頂板為再生膠結(jié)頂板，頂板較為松軟、破碎，穩(wěn)定性差。

3)架棚支護(hù)采用梯形斷面，綜掘機(jī)截割后，巷幫上部煤體不易留存，片幫嚴(yán)重，架棚后棚腿接幫不實(shí)造成空幫。

4)工鋼棚支護(hù)不可能緊貼圍巖或全部緊貼圍巖，只有當(dāng)圍巖破碎、離層后，隨著圍巖變形的增加，工鋼棚支護(hù)阻力隨之增加，才能發(fā)揮自身的支撐作用。而頂板因缺少主動(dòng)支撐易產(chǎn)生離層、下沉，當(dāng)工鋼棚上方離層巖石重量超過(guò)工鋼棚梁抗彎強(qiáng)度時(shí)，便出現(xiàn)彎曲變形。

5)頂板淋水造成圍巖強(qiáng)度弱化。根據(jù)礦井多條下分層煤巷施工經(jīng)驗(yàn)，巷道開(kāi)口掘進(jìn)初期頂板并不淋水，現(xiàn)場(chǎng)觀察膠結(jié)頂板處于干燥狀態(tài)，一旦頂板出現(xiàn)彎曲下沉、頂網(wǎng)墜兜，往往緊跟著就會(huì)出現(xiàn)頂板淋水，且變形越嚴(yán)重、掘進(jìn)速度越慢，淋水越大。這說(shuō)明，本身壓實(shí)的膠結(jié)頂板具有隔水性，不存在導(dǎo)水裂隙，一旦頂板因支護(hù)不及時(shí)或強(qiáng)度不夠產(chǎn)生離層、破斷、下沉，在膠結(jié)頂板內(nèi)產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，與水源溝通便造成淋水。而持續(xù)的淋水一方面會(huì)造成圍巖強(qiáng)度弱化、頂板流矸；另一方面工人因冒雨作業(yè)施工困難造成掘進(jìn)速度慢、空頂時(shí)間長(zhǎng)，頂板下沉更嚴(yán)重。

針對(duì)工鋼棚支護(hù)存在的缺點(diǎn)，礦井也采取了一些增大支護(hù)強(qiáng)度的措施，如：采用工鋼對(duì)棚支護(hù)、架U型鋼棚支護(hù)等舉措，但受工鋼對(duì)棚、U型鋼棚施工復(fù)雜、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、支護(hù)成本高、棚后不易褙實(shí)、后期回采期間替棚換棚工序多等因素影響，一直未大面積使用。

3 錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)

3.1 錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)方案

鑒于以上幾種下分層煤巷支護(hù)方式存在的不足，礦井不斷嘗試支護(hù)形式變革，在前期15采區(qū)下分層煤巷注漿鉆場(chǎng)試驗(yàn)全錨網(wǎng)索支護(hù)形式的基礎(chǔ)上，提出了17042運(yùn)輸巷全錨網(wǎng)索支護(hù)方案。具體支護(hù)參數(shù)為：頂板采用?18.9mm×8000mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索，頂板每排5根錨索，錨索排距為800mm，錨索預(yù)緊力不小于200kN，設(shè)計(jì)錨固力不小于400kN；巷幫上部煤體段采用?18.9mm×4300mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索，下部破底矸段采用?18.9mm×2500mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索，上下幫每排各4根，排距800mm，錨索預(yù)緊力不小于150kN，錨索托盤(pán)采用蝶形托盤(pán)配合鋼絲繩梯使用；頂板中間錨索梁采用2400mm長(zhǎng)的12#工鋼組合對(duì)梁配合蝶形托盤(pán)使用，頂板兩側(cè)采用800mm長(zhǎng)的12#工鋼短梁，錨索梁上沿巷道走向方向鋪設(shè)2根Φ18.5mm鋼絲繩作為柔性支護(hù)，鋼絲繩間距為1500mm，允許誤差±200mm。支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)方案(mm)

3.2 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

1)巷道斷面形式優(yōu)化。由以往梯形斷面變更為目前矩形斷面，解決了兩幫由于斜扎腳造成的上部煤體易片幫難題，錨網(wǎng)過(guò)程中不再填空幫，提高了巷道圍巖整體穩(wěn)定性和斷面利用率。

2)通過(guò)頂板窺視和鉆屑分析，合理選擇錨索長(zhǎng)度。根據(jù)三帶理論[21]，井下煤體開(kāi)采后，引起上覆巖層破壞，從下而上分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。其中，垮落帶可分為下部不規(guī)則垮落帶和上部規(guī)則垮落帶，上部規(guī)則垮落帶巖層雖然呈巨塊垮落而失去連續(xù)性，但大體上還保持原有層次。根據(jù)頂板鉆孔窺視和打鉆過(guò)程中排渣情況分析，不規(guī)則垮落帶最大發(fā)育高度為5m，5m往上鉆孔孔壁趨于完整，裂隙較少，推測(cè)進(jìn)入規(guī)則垮落帶內(nèi)。選擇8m長(zhǎng)的頂板錨索，可將錨索末端錨固在垮落帶上部或裂隙帶下部呈巨塊狀破斷的砂質(zhì)泥巖層內(nèi)，從而確保著力點(diǎn)牢固。

3)改進(jìn)錨索梁結(jié)構(gòu)，使用工鋼對(duì)梁。根據(jù)錨桿支護(hù)的組合梁理論和懸吊理論[5]，針對(duì)下分層煤巷膠結(jié)頂板強(qiáng)度低特點(diǎn)，通過(guò)使用抗彎剛度大的工鋼對(duì)梁配合鋼筋網(wǎng)，將膠結(jié)頂板擠緊并懸掛在深部較穩(wěn)定巖層上。利用鋼材的抗拉強(qiáng)度和延展性遠(yuǎn)大于巖石的力學(xué)特性，通過(guò)工鋼對(duì)梁與深部堅(jiān)硬巖層形成組合梁結(jié)構(gòu)，減少膠結(jié)頂板受到的彎曲應(yīng)變和應(yīng)力，將最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力點(diǎn)轉(zhuǎn)移給最下部的工鋼對(duì)梁來(lái)承受，從而避免膠結(jié)頂板的整體性在上覆巖層荷載作用下遭到破壞。同時(shí)配合8m長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力錨索，通過(guò)對(duì)每根頂板錨索施加不小于200kN的預(yù)緊力，最大限度地增加層間摩擦阻力，避免出現(xiàn)層間離層，將錨固范圍內(nèi)的砂巖與砂質(zhì)泥巖等薄層狀頂板“裝訂”成一個(gè)整體組合梁，從而增加錨固范圍內(nèi)上部巖層的承載能力和抵抗變形的剛度，同時(shí)將荷載向巷道兩幫深部轉(zhuǎn)移，減輕對(duì)下部膠結(jié)頂板和兩幫淺部煤體的壓力。而下部膠結(jié)頂板的整體穩(wěn)定，也最大限度地減少了上部破斷巖層的回轉(zhuǎn)空間，從而避免了因巖層移動(dòng)或錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，間接導(dǎo)致圍巖或支護(hù)體破壞。同時(shí)，兩幫通過(guò)錨索加固，能控制破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，增加兩幫對(duì)頂板的支撐作用，提高巷道穩(wěn)定性。使用不開(kāi)孔的工鋼對(duì)梁，既可以增大支護(hù)體與頂板的接觸面積，使頂板受力更均勻，同時(shí)也方便開(kāi)孔位置調(diào)整，滿足設(shè)計(jì)孔位不成孔情況下的補(bǔ)孔需要。

4)布置巷道走向鋼絲繩，增強(qiáng)頂網(wǎng)整體性，防止因金屬網(wǎng)搭接處強(qiáng)度低而出現(xiàn)炸網(wǎng)狀況。

5)幫部錨索錨固段避開(kāi)軟分層煤。因?yàn)榭拷锏赖装宀课淮嬖诜蹱蠲?，因此巷道兩幫最下邊兩排錨索施工時(shí)，錨索打設(shè)角度要下扎10°，確保錨固在底板巖層中。

6)“小斷面擴(kuò)刷施工+超前錨索”施工工藝。在下分層煤巷掘進(jìn)過(guò)程中，必須做到及時(shí)支護(hù)，否則將會(huì)造成：頂板下沉墜兜導(dǎo)致鉆孔施工困難；頂板離層造成錨固劑輸送困難；離層、裂隙和水源連通導(dǎo)致頂板淋水，錨索錨固力降低。因此，在實(shí)踐中堅(jiān)持“小斷面擴(kuò)刷施工+超前錨索”施工工藝，即沿煤層假頂小斷面掏槽掘進(jìn)，打設(shè)巷中3根頂板錨索并掛梁褙網(wǎng)拉緊后，再兩邊擴(kuò)刷成巷，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)掘過(guò)程中的及時(shí)支護(hù)。

7)加工錨固劑輸送輔助裝置。礦井采空區(qū)下煤巷頂板錨索施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：頂板往上3m范圍內(nèi)，圍巖破碎，鉆孔塌孔嚴(yán)重；3m以上范圍內(nèi)存在頂板離層和破斷裂隙，鉆孔孔壁彎曲不直。以上兩種情況造成鉆孔成孔后錨固劑輸送困難。針對(duì)這些問(wèn)題，實(shí)踐中采取了以下措施：一是利用PVC管制作錨固劑投送通道，解決淺部塌孔段錨固劑輸送難題；二是利用鉆桿和細(xì)鋼筋加工錨固劑輔助投送裝置，實(shí)現(xiàn)錨固劑往深部的順利輸送。

4 工程應(yīng)用

17042運(yùn)輸巷按照設(shè)計(jì)方案實(shí)施后，目前已施工成巷400m，設(shè)計(jì)的全錨網(wǎng)索支護(hù)形式有效地維護(hù)了巷道的穩(wěn)定，取得了預(yù)期的效果。

1)提高了巷道支護(hù)強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)圍巖變形及頂板離層儀觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，巷道變形量較小，未出現(xiàn)前掘后修情況。經(jīng)過(guò)連續(xù)5個(gè)月的觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)頂板最大下沉量20mm，底板最大鼓起量90mm，兩幫最大移近量115mm，頂板最大離層量20mm。為掌握膠結(jié)頂板條件下現(xiàn)場(chǎng)頂板錨索實(shí)際工作載荷，對(duì)測(cè)點(diǎn)處頂板錨索工作載荷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，截止目前測(cè)點(diǎn)頂板錨索工作載荷穩(wěn)定在130kN，且未出現(xiàn)明顯波動(dòng)。

2)實(shí)現(xiàn)了大斷面采空區(qū)下煤巷一次支護(hù)成巷，巷道有效斷面由10.4m2提升至13.9m2，為后期工作面回采期間設(shè)備選型布置、輔助運(yùn)輸和通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了更大空間。

3)支護(hù)成本降低。相同斷面下，工鋼棚支護(hù)單價(jià)6798元/m，錨網(wǎng)索支護(hù)單價(jià)3045元/m，每米減少投入3753元。

4)勞動(dòng)組織優(yōu)化。相較于工鋼棚支護(hù)，每班減少后巷蹬棚、挖底落道等維護(hù)人員2-3人，且降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

1)分析了以往采空區(qū)下煤巷變形破壞的原因，指出圍巖受上分層工作面采動(dòng)影響，煤體結(jié)構(gòu)遭到破壞，再生膠結(jié)頂板強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，被動(dòng)支護(hù)不能及時(shí)有效支護(hù)頂板，造成頂板離層、淋水進(jìn)而導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度弱化是造成巷道變形破壞的主要原因。

2)基于覆巖破壞規(guī)律和膠結(jié)再生頂板特征，結(jié)合錨桿支護(hù)的組合梁理論和懸吊理論，提出了有針對(duì)性的全錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐。

3)頂板不規(guī)則垮落帶最大發(fā)育高度為5m，“小斷面擴(kuò)刷+超前錨索”施工工藝，可有效控制綜掘機(jī)截割期間頂板下沉。

4)采空區(qū)下全錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了礦井下分層煤巷支護(hù)形式由被動(dòng)支護(hù)向主動(dòng)支護(hù)的轉(zhuǎn)變。提高了巷道支護(hù)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了大斷面一次支護(hù)成巷，且支護(hù)效果良好，能有效控制巷道圍巖變形，解決了以往前掘后修問(wèn)題，可為類似條件下的回采巷道圍巖控制提供參考。