寺家莊礦煤巷幫頂協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)研究

石成濤 程 蓬 楊小軍 何 杰 馮友良

(1. 陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司寺家莊礦，山西省陽(yáng)泉市，045000；2. 天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

寺家莊礦煤巷幫頂協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)研究

石成濤1程 蓬2,3楊小軍1何 杰2,3馮友良2,3

(1. 陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司寺家莊礦，山西省陽(yáng)泉市，045000；2. 天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

針對(duì)以往煤巷圍巖控制研究中幫頂協(xié)同支護(hù)的問題，選取寺家莊礦15117工作面回風(fēng)巷作為工程背景，綜合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試、理論分析與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐相結(jié)合的方法，研究煤巷協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)。研究成果表明，巷道圍巖是由頂板、兩幫及底板共同構(gòu)成的整體，兩幫一旦發(fā)生變形破壞，巷道整體依然會(huì)失穩(wěn)；開挖卸載使得巷道圍巖發(fā)生變形破壞，協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)能夠一定程度上改善圍巖受力狀態(tài)，減輕其變形破壞程度。礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐效果良好，煤巷幫頂協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

煤層巷道 開挖卸荷 幫頂協(xié)同 強(qiáng)力支護(hù)

AbstractAiming at the problems of roof and coal side incoordination support in coal roadway, the paper selected the return airway of 15117 work face at Sijiazhuang Mine as engineering background, using field survey, geological mechanics parameters test of surrounding rock, theoretical analysis and field engineering practice, the synergistic strength support technology of coal roadway was studied. The result showed that the surrounding rock of roadway was the integration of roof, two sides and floor, the whole section of the roadway would be destabilized when two sides were destroyed. The excavation load caused deformation and damage to the surrounding rock of roadway, the stress state of surrounding rock could be improved by synergistic strong support technology, and the degree of deformation and damage was reduced. The monitoring data showed that the field engineering practice was favorable, and the synergistic strength support technology of coal roadway had certain popularization and application value.

Keywordscoal seam roadway, excavation unloading, synergistic support technology, strength support

煤巷圍巖穩(wěn)定性對(duì)于保證礦井安全和高產(chǎn)高效具有至關(guān)重要的作用，一直是煤炭行業(yè)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。許多學(xué)者已對(duì)煤巷圍巖變形破壞機(jī)理與控制技術(shù)開展了深入的研究。但以往研究絕大多數(shù)關(guān)注煤巷頂板與底板，巷幫往往被忽略。事實(shí)上，煤巷圍巖是由頂板、兩幫及底板所組成的統(tǒng)一體，一旦巷幫發(fā)生變形破壞，巷道整體依然會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。因此，為實(shí)現(xiàn)較好的圍巖控制效果，必須考慮幫頂協(xié)同加固技術(shù)。

目前，有些學(xué)者已逐漸認(rèn)識(shí)到加固幫部在煤巷圍巖整體控制中的重要作用，進(jìn)行了一系列卓有成效的探索。馬念杰等闡述了煤巷幫部錨桿作用機(jī)理，通過研究深部煤巷幫部變形破壞特征，發(fā)現(xiàn)巷道開挖后，圍巖破壞是按照幫、底逐漸向頂板的方向發(fā)展，加固兩幫對(duì)于頂板的穩(wěn)定性具有重要的作用。單仁亮等通過研究煤巷幫部破壞與加固機(jī)制，闡述了強(qiáng)幫護(hù)頂概念設(shè)計(jì)，并在理論層面對(duì)煤巷強(qiáng)幫支護(hù)理論展開論證，最終成功應(yīng)用于多個(gè)工程實(shí)踐。褚曉威選取典型工程背景，針對(duì)高煤幫巷道兩幫的大變形問題進(jìn)行分析，得出其煤幫破壞機(jī)制為在圍巖壓力下產(chǎn)生壓剪破壞，四角產(chǎn)生強(qiáng)剪切區(qū)，連接成似“C”形剪切帶，上部煤體斜向滑移，巷幫中部變形最大，并據(jù)此提出煤幫層次化支護(hù)技術(shù)。

本文選取寺家莊煤礦15117工作面為工程背景，協(xié)同考慮煤巷幫部與頂板，利用多手段相結(jié)合的方法，深入研究煤巷圍巖變形破壞機(jī)制，提出具體控制技術(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，具有重要的理論與實(shí)用價(jià)值，可為類似條件下的煤巷圍巖控制提供一定的參考。

1 工程背景

寺家莊煤礦15117工作面位于15#煤層中央盤區(qū)，除南部有4條已掘中央盤區(qū)準(zhǔn)備巷道外，東、西及北部均無(wú)采掘工作面，地面標(biāo)高916.5～1116 m，井下標(biāo)高480～570 m，巷道平均埋深為490 m。15117工作面回風(fēng)巷沿15#煤層頂板掘進(jìn)，全長(zhǎng)1371 m，巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬度4.8 m，高度3.9 m。15#煤層平均厚度4.85 m，平均傾角7°，頂?shù)装寰C合柱狀圖見圖1。

2 支護(hù)現(xiàn)狀及地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試

2.1 支護(hù)現(xiàn)狀及存在的問題

(1)原支護(hù)方案及參數(shù)。15117回風(fēng)巷原始支護(hù)方案為：頂板采用錨桿+錨索+波紋鋼帶+經(jīng)緯網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)；幫部采用錨桿+錨索+鋼筋鋼帶+經(jīng)緯網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。詳細(xì)支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

(2)原支護(hù)方案巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研階段，15117回風(fēng)巷已掘1150 m，由于目前周邊沒有相關(guān)采掘活動(dòng)，巷道掘進(jìn)過程中未受相關(guān)采掘動(dòng)壓活動(dòng)的影響，圍巖應(yīng)力較為穩(wěn)定，對(duì)巷道受力變形分析比較有利。通過對(duì)頂板和兩幫變形量進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)15117回風(fēng)巷整體變形破壞較小，但局部地段受地質(zhì)構(gòu)造影響，頂板和兩幫存在鼓包現(xiàn)象，煤壁破碎現(xiàn)象比較普遍，這是由于巷道較高，兩幫煤體破碎的情況下，巷幫控制難度將持續(xù)加大。根據(jù)礦方現(xiàn)場(chǎng)施工情況，錨桿(索)初期預(yù)緊力并不高。

圖1 15#煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

(3)同類型巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。15116工作面目前正在回采，其回風(fēng)巷沿15#煤層底板進(jìn)行布置，支護(hù)參數(shù)與15117工作面回風(fēng)巷一致，井下調(diào)研發(fā)現(xiàn)，巷道整體變形和破壞較小，圍巖完整，工作面回采期間頂?shù)装逡平吭?00～450 mm之間，兩幫變形量在200～500 mm之間，工作面巷道超前段25 m打設(shè)3排單體液壓支柱進(jìn)行維護(hù)，回采階段無(wú)需二次維護(hù)。

15106工作面回風(fēng)巷為小煤柱沿空掘巷，煤柱寬度為7 m，頂板采用全錨索+波紋鋼帶支護(hù)，錨索直徑21.6 mm，長(zhǎng)度7.2 m，巷幫采用錨桿+錨索+鋼筋托梁聯(lián)合支護(hù)，幫部采用麻花圓鋼錨桿，鋼號(hào)235，直徑18 mm，長(zhǎng)度2.4 m，幫錨索直徑17.8 mm，長(zhǎng)度4.2～6.2 m，錨桿排距為0.8 m。錨桿預(yù)緊力矩120～150 N·m，錨索預(yù)緊力一般為80～120 kN。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖整體變形量較大，巷道掘進(jìn)期間頂?shù)装逡平吭?.6～1.0 m之間，兩幫變形量在0.8～1.5 m之間，靠近鄰近工作面瓦斯鉆場(chǎng)附近，巷道變形尤其嚴(yán)重，后續(xù)需采用噴水泥漿封閉，木點(diǎn)柱加固及注化學(xué)漿液進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)加固，巷道返修耗費(fèi)大量的人力和物力。

圖2 15117工作面回風(fēng)巷原始支護(hù)參數(shù)

(4)當(dāng)前圍巖控制技術(shù)存在的問題。分析原支護(hù)方案下15117回風(fēng)巷及同類型巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，可知當(dāng)前圍巖控制主要存在以下幾方面問題：

重視頂板而忽略幫部，頂板支護(hù)強(qiáng)度較高，但巷幫采用圓鋼錨桿，支護(hù)強(qiáng)度低，錨固力在80～100 kN之間，預(yù)緊力偏低，主動(dòng)性支護(hù)較差。錨桿(索)托盤結(jié)構(gòu)不合理，拱高較低，承載能力弱；孔口直徑小，錨桿易受扭、剪、彎等綜合應(yīng)力作用而發(fā)生破斷；缺少調(diào)心球墊及減磨墊片，孔口無(wú)倒角，與調(diào)心球墊不匹配，無(wú)法發(fā)揮調(diào)節(jié)錨桿偏心的作用。

2.2 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試與分析

全面、系統(tǒng)的巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)可為圍巖控制技術(shù)的提出提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為此，在寺家莊礦開展了3個(gè)測(cè)點(diǎn)的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試工作，內(nèi)容主要包括地應(yīng)力、煤巖體強(qiáng)度與圍巖結(jié)構(gòu)，其中3號(hào)測(cè)點(diǎn)位于15117進(jìn)風(fēng)巷300 m處。

(1)地應(yīng)力測(cè)試與分析。3號(hào)測(cè)點(diǎn)埋深502 m，測(cè)試結(jié)果顯示，最大水平主應(yīng)力14.99 MPa，最小水平主應(yīng)力8.07 MPa，垂直主應(yīng)力12.07 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼?7.4°。地應(yīng)力場(chǎng)類型為σHV，最大水平主應(yīng)力>垂直應(yīng)力>最小水平主應(yīng)力，即σH>σV>σh，為中等量值應(yīng)力場(chǎng)，構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)。

(2)圍巖強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)測(cè)試與分析。對(duì)巷道頂板以上及巷幫10 m范圍內(nèi)煤巖體進(jìn)行了原位強(qiáng)度測(cè)試與結(jié)構(gòu)窺視，統(tǒng)計(jì)、換算煤巖體強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)，得到寺家莊礦頂板和巷幫煤巖體強(qiáng)度分布情況如圖3和圖4所示。

圖3 巷幫煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖4 頂板巖體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

巷道頂幫煤巖體強(qiáng)度測(cè)試與結(jié)構(gòu)窺視結(jié)果表明，測(cè)試地點(diǎn)頂板以上0～3.6 m范圍內(nèi)為泥巖，巖層抗壓強(qiáng)度平均值為41.07 MPa，3.6～8.1 m范圍內(nèi)為泥質(zhì)砂巖，巖層呈深灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，巖層抗壓強(qiáng)度平均值為41.52 MPa，8.1～10 m范圍內(nèi)為細(xì)砂巖，巖層抗壓強(qiáng)度平均值為52.83 MPa；煤幫淺部0～0.8 m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，0.8～2.1 m范圍內(nèi)煤體相對(duì)比較完整，3.2～6.2 m范圍內(nèi)煤層有少量微裂隙存在，6.2～9.9 m范圍內(nèi)煤體較為完整，煤幫淺部存在弱面，深部比較完整，15#煤層強(qiáng)度平均值為15.61 MPa。

3 煤巷幫頂協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)原理

煤巷圍巖是由頂板、幫部以及底板所共同構(gòu)成的整體，巷道開挖之前圍巖應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，而其開挖可視為一個(gè)卸載的過程。煤巷開挖之后，頂板一定范圍內(nèi)煤巖體垂直應(yīng)力減小，水平應(yīng)力增加；巷道幫部一定范圍內(nèi)垂直應(yīng)力增加，水平應(yīng)力減小；正是由于這二者之間的差值不斷加大，導(dǎo)致煤巷頂幫變形破壞的發(fā)生。巷道采取錨桿支護(hù)后，通過對(duì)其施加較高預(yù)應(yīng)力，能夠在圍巖內(nèi)部產(chǎn)生一定范圍壓應(yīng)力場(chǎng)，頂幫煤巖體一定程度上又恢復(fù)到三向受壓相對(duì)平衡的狀態(tài)。

為更好地控制圍巖變形與破壞程度，錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)遵循如下原則：一次支護(hù)原則；高預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則；高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性及低支護(hù)密度原則；臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則；各構(gòu)件相互匹配原則；可操作性與經(jīng)濟(jì)合理性原則；幫頂協(xié)同原則。

4 現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐

4.1 幫頂協(xié)調(diào)支護(hù)設(shè)計(jì)方法

(1)錨桿錨索布置方式優(yōu)化。原有頂板支護(hù)錨桿錨索采用同排布置，錨桿錨索受力不均衡，后續(xù)調(diào)整為錨桿錨索分開布置，錨桿和錨索受力穩(wěn)定均衡，相互協(xié)調(diào)，能夠形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，支護(hù)狀態(tài)比較理想。

(2)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)。通過采用扭矩倍增器和大功率錨索張拉機(jī)具，錨桿預(yù)緊力矩從原有40～120 N·m提高至300～400 N·m，錨索預(yù)緊力從120 kN提高至250 kN，實(shí)現(xiàn)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)。

(3)支護(hù)材料優(yōu)化。將原有頂板波紋鋼帶調(diào)整為W鋼帶。巷幫鋼筋托梁調(diào)整為W鋼護(hù)板。錨桿錨索托板調(diào)整為高強(qiáng)度可調(diào)心拱形托板。提高支護(hù)材料力學(xué)性能，增大護(hù)表面積，提高預(yù)應(yīng)力傳遞效果。

(4)頂幫協(xié)調(diào)支護(hù)。在保證巷道安全穩(wěn)定的前提下，減少錨索密度和長(zhǎng)度，增加頂錨桿數(shù)量，增大巷幫錨桿的強(qiáng)度，減小頂幫錨桿長(zhǎng)度。

4.2 具體支護(hù)參數(shù)

根據(jù)寺家莊礦圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果與煤巷幫頂協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)原理，最終初步確定15117工作面回風(fēng)巷正常及特殊地段具體支護(hù)參數(shù)如圖5所示。

圖5 15117工作面回風(fēng)巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

錨桿采取樹脂加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力距不小于300 N·m，不大于550 N·m；頂板錨索采取樹脂加長(zhǎng)錨固，初始張拉力不低于250 kN。

4.2 圍巖控制效果

為驗(yàn)證煤巷幫頂協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)的合理性，評(píng)價(jià)圍巖控制效果，優(yōu)化調(diào)整控制技術(shù)，在巷道掘進(jìn)期間分別布置錨桿(索)受力與圍巖表面位移測(cè)站，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)錨桿(索)受力特征及圍巖變形情況。

(1)錨桿(索)受力特征分析。錨桿(索)受力情況如圖6所示。

由圖6可以看出，同樣大小預(yù)緊力矩，頂錨桿初始預(yù)緊力基本能夠達(dá)到60 kN以上；幫錨桿初始預(yù)緊力除個(gè)別數(shù)值較高外，其余基本在40 kN左右。其主要原因是頂板為相對(duì)堅(jiān)硬平整的巖石，而幫部為較軟的煤體，受力容易變形，故而相較于頂板，煤幫錨桿預(yù)緊力距轉(zhuǎn)化效率相對(duì)要低。

由錨桿(索)受力變化趨勢(shì)可以看出，錨桿(索)施加較高的預(yù)應(yīng)力后，其受力受巷道掘進(jìn)影響不大，錨桿(索)受力變化不大，基本趨于穩(wěn)定。以上說(shuō)明高預(yù)應(yīng)力、幫頂協(xié)同強(qiáng)力錨桿(索)能夠有效控制錨固區(qū)內(nèi)圍巖離層、滑動(dòng)、裂隙張開及新裂紋產(chǎn)生等不連續(xù)變形，保證了錨固區(qū)的完整性與強(qiáng)度。

圖6 錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)曲線

(2)圍巖變形控制效果。巷道圍巖表面位移量如圖7所示。

圖7 圍巖表面位移監(jiān)測(cè)曲線

由圖7可知，在測(cè)站滯后掘進(jìn)工作面6 m范圍內(nèi)，圍巖表面變形增長(zhǎng)較快，兩幫收斂要大于頂?shù)装逡平朔秶鷥?nèi)巷道掘進(jìn)對(duì)圍巖擾動(dòng)較大；滯后掘進(jìn)工作面6～80 m范圍內(nèi)，圍巖表面變形。增長(zhǎng)逐步放緩，兩幫收斂依然大于頂?shù)装逡平S著測(cè)站不斷遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面，掘進(jìn)擾動(dòng)作用逐漸減弱；滯后距離超過80 m后，圍巖表面變形趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笠平考s為93 mm，兩幫收斂變形量約為213 mm。巷道圍巖整體變形得到有效控制，煤巷幫頂協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)取得了較好效果。

5 結(jié)論

(1)巷道圍巖是由頂板、幫部及底板所共同構(gòu)成的整體，如要取得較好的圍巖控制效果，絕不能重頂輕幫，一旦幫部發(fā)生變形破壞，依然會(huì)使得巷道整體失穩(wěn)，加固圍巖時(shí)必須幫頂協(xié)同考慮。

(2)巷道開挖卸載之后，頂板一定范圍內(nèi)垂直應(yīng)力減小，水平應(yīng)力增加；巷幫一定范圍內(nèi)垂直應(yīng)力增加，水平應(yīng)力減小；二者之間的差值不斷加大，將導(dǎo)致煤巷頂幫變形破壞的發(fā)生。采取幫頂協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)后，錨桿較高的預(yù)應(yīng)力能夠在圍巖內(nèi)部產(chǎn)生一定范圍壓應(yīng)力場(chǎng)，頂幫煤巖體一定程度上又恢復(fù)到三向受壓相對(duì)平衡的狀態(tài)。

(3)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：相較于頂板，煤幫錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化效率要低；錨桿(索)受力趨于穩(wěn)定，掘進(jìn)對(duì)其影響相對(duì)較小；頂?shù)装遄畲笠平糠€(wěn)定在93 mm左右，兩幫最大收斂變形穩(wěn)定在213 mm左右。煤巷幫頂協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果較好，體現(xiàn)了其合理性與可靠性，可在同類型巷道中加以推廣應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

ResearchonsynergisticstrongsupporttechnologyofroadwayroofandsidesinSijiazhuangMine

Shi Chengtao1, Cheng Peng2,3, Yang Xiaojun1, He Jie2,3, Feng Youliang2,3

(1. Sijiazhuang Mine, Yangquan Coal Minging Group, Yangquan, Shanxi 045000, China; 2. Coal Mining and Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China; 3. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization, Chaoyang, Beijing 100013, China)

TD353

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石成濤，程蓬，楊小軍等. 寺家莊礦煤巷幫頂協(xié)同強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(9)：63-67. Shi Chengtao, Cheng Peng, Yang Xiaojun, et al. Research on synergistic strong support technology of roadway roof and sides in Sijiazhuang Mine [J]. China Coal，2017,43(9)：63-67.

石成濤(1970-)，男，遼寧莊河人，碩士，采礦工程師，主要從事煤礦巷道支護(hù)管理與技術(shù)工作。