伯方煤礦3209 工作面回風(fēng)巷松軟圍巖控制技術(shù)研究

蘇 晨

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

山西蘭花科創(chuàng)集團(tuán)伯方煤礦3209 工作面位于二盤區(qū)的左翼，北部為3211 工作面（已采），南部為3207 工作面（已采），東部為二盤區(qū)回風(fēng)及軌道巷，西部為實體煤。工作面主采3#煤層，煤層均厚為4.71m，傾角為2～6°，平均4°。煤層節(jié)理裂隙較為發(fā)育，屬于松軟煤層。煤層直接頂為黑灰色泥巖，均厚3.68m；基本頂為深灰色中粒砂巖，均厚8.36m；直接底為黑灰色細(xì)砂巖，均厚2.29m；基本底為灰黑色砂質(zhì)泥巖，均厚1.05m。

3209 工作面回風(fēng)巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)寬度為4.4m，掘進(jìn)高度為4.0m。由于巷道圍巖為松軟圍巖，采用普通的錨網(wǎng)索支護(hù)不能保障巷道圍巖的穩(wěn)定，尤其在巷道肩角的位置處易出現(xiàn)垮落、兩幫片幫、圍巖變形量大的問題。故為充分保障巷道圍巖的穩(wěn)定，現(xiàn)針對3209 工作面回風(fēng)巷的具體特征，擬采用讓壓高強(qiáng)錨桿支護(hù)技術(shù)。

2 松軟圍巖穩(wěn)定性控制原理

根據(jù)松軟圍巖的特征可知，隨著巷道圍巖所受載荷的增大，會使得圍巖內(nèi)原本存在的節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，使得巷道圍巖內(nèi)部的節(jié)理裂隙相互貫通，大幅度地降低圍巖的整體承載能力，出現(xiàn)頂?shù)装寮皟蓭鸵平看蟮膯栴}，無法保障圍巖的穩(wěn)定。松軟圍巖巷道頂板、兩幫及肩角位置的破壞機(jī)理及控制對策如下：

（1）巷道頂板。在巷道圍巖所受的水平應(yīng)力較大時，巷道幫部淺部圍巖會在拉應(yīng)力作用下出現(xiàn)明顯的破壞，進(jìn)而使得幫部深部圍巖體由處于受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化為受拉狀態(tài)。隨著巷道圍巖所受載荷的增大，巷道幫部的破壞深度及塑性區(qū)范圍會逐漸增大，進(jìn)而使得幫部的承載能力大范圍降低，致使頂板巖層的裂隙進(jìn)一步發(fā)育，頂板下沉量進(jìn)一步增大，導(dǎo)致頂板失穩(wěn)。巷道頂板直接頂穩(wěn)定的準(zhǔn)則如下：

式中：

Mmax-頂板巖層承受的最大彎矩值；

[σ] -頂板巖層所能承受的最大拉應(yīng)力；

Iz-頂板巖層的慣性矩；

hi-頂板巖層的厚度。

（2）巷道幫部。在巷道煤幫受到的水平應(yīng)力大于巷道頂板與煤體的內(nèi)摩擦角時，若采取巷幫的支護(hù)，則幫部會出現(xiàn)明顯的片幫內(nèi)移現(xiàn)象，增大煤幫的支護(hù)強(qiáng)度，使煤幫由單向受力的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S受力狀態(tài)，進(jìn)而有效增大幫部圍巖體的穩(wěn)定性。在巷道所受應(yīng)力增大時，必須提升幫部的支護(hù)強(qiáng)度，有效控制幫部圍巖淺部圍巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育。

（3）巷道肩角。巷道頂板受到的最大彎矩值一般會出現(xiàn)在巷道肩角位置處，因此在巷道頂板出現(xiàn)失穩(wěn)時，巷道肩角一般會先出現(xiàn)大范圍的破壞現(xiàn)象。故為保障巷道頂板及肩角圍巖體的穩(wěn)定，需保障巷道頂板所受到的彎矩的最大值應(yīng)小于頂板巖層所能承受的最大彎矩值。故針對松軟破碎圍巖進(jìn)行支護(hù)設(shè)計時，需在合理范圍內(nèi)盡可能地增大巷道肩角處的支護(hù)強(qiáng)度，能夠有效減小巷道頂板的下沉量，保障肩角圍巖的穩(wěn)定。

具體松軟圍巖巷道在載荷作用下，圍巖裂隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度如圖1 所示。

圖 1 松軟圍巖裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育示意圖

針對松軟圍巖巷道的變形破壞特征，為保障圍巖的穩(wěn)定，需采用“強(qiáng)幫護(hù)頂”的支護(hù)方式，同時需提供給圍巖一定的變形空間，即采用“強(qiáng)幫護(hù)頂”讓壓高強(qiáng)錨桿支護(hù)技術(shù)。該支護(hù)原理為：通過提升巷道幫部的支護(hù)強(qiáng)度和剛度，能夠有效地控制住幫部圍巖體的裂隙發(fā)育，頂板錨桿與錨索間形成層次的梯次支護(hù)。“強(qiáng)幫護(hù)頂”的支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 “強(qiáng)幫護(hù)頂”支護(hù)方式示意圖

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)方案

3209 工作面的巷道松動圈為3.4～3.6m，確定在巷道頂板采用高強(qiáng)錨桿與讓壓錨索結(jié)合的支護(hù)方式。結(jié)合巷道圍巖的具體特征，進(jìn)行具體支護(hù)方案的設(shè)計。具體支護(hù)方案如下：

（1）頂板支護(hù)。錨桿采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ20mm×2400mm，每排布置6 根，間排距為800mm×700mm。錨桿采用端頭錨固的方式，理論錨固力為120kN，設(shè)置錨桿的預(yù)緊力矩大于300N·m。在靠近兩頂角處的錨桿與巷道頂板成75°布置，其余錨桿均與巷道頂板垂直布置。在施加錨桿預(yù)緊力時需保障預(yù)緊力矩的數(shù)值，需進(jìn)行兩次或多次預(yù)緊力的施加來保障其效果。頂板錨索采用讓壓錨索，規(guī)格為Φ21.6mm×8000mm，采用3-2-3布置的方式，設(shè)置間排距為1300mm×700mm，錨固方式同樣采用端頭錨固，設(shè)置預(yù)緊力為200kN，錨索的外露長度為300mm，錨索托盤采用配合的讓壓托盤。在頂板使用M 型鋼帶，將高強(qiáng)錨桿與讓壓錨索有效連接為一個整體，提升錨桿和錨索預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散面積，另外掛設(shè)11#鐵絲經(jīng)緯網(wǎng)。

（2）巷幫支護(hù)。幫部錨桿采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ20mm×2400mm，每排布置3 根錨桿，設(shè)置間排距為1700mm×700mm，靠近頂角及底角的錨桿與幫部成15°布置，中部錨桿與幫部垂直布置，幫部錨桿預(yù)緊力矩不小于200N·m，錨桿采用端頭錨固的方式。錨索采用讓壓錨索，規(guī)格為Φ18.9mm×4800mm，每排布置3 根短讓壓錨索，間排距為1700mm×700mm，錨索預(yù)緊力不小于150kN，同樣采用M 型鋼帶和鐵絲經(jīng)緯網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫作業(yè)。

3209 工作面回風(fēng)巷“強(qiáng)幫護(hù)頂”讓壓高強(qiáng)度錨桿支護(hù)方式的各項參數(shù)如圖3 所示。

圖3 3209 工作面回風(fēng)巷支護(hù)方式示意圖

3.2 支護(hù)效果

為充分保障3209 工作面掘進(jìn)期間圍巖的穩(wěn)定，同時為驗證“強(qiáng)幫護(hù)頂”讓壓高強(qiáng)錨桿支護(hù)技術(shù)的效果，在巷道200m 的位置處布置測站，進(jìn)行巷道表面位移量和頂板離層量的觀測作業(yè)。

采用測槍對巷道掘進(jìn)后不同時間下圍巖的變形量進(jìn)行持續(xù)90d 的觀測作業(yè)。根據(jù)巷道表面位移的觀測結(jié)果能夠繪制出巷道頂板下沉量、底板鼓起量及兩幫移近量與監(jiān)測時間之間的關(guān)系曲線，具體如圖4 所示。

通過具體分析圖4 可知，在巷道掘出后，隨著巷道掘出時間的增大，頂板下沉量、底鼓量及兩幫變形量基本呈現(xiàn)出相同的變形規(guī)律。隨著時間的增大，圍巖的變形量逐漸增大。在90d 的觀測期內(nèi)，巷道圍巖表現(xiàn)為前期圍巖變形速率較大，后期圍巖變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖中能夠看出，兩幫移近的主要變形在巷道掘出后的40d 內(nèi)，在40d 時，兩幫移近量達(dá)到53mm；頂板下沉主要變形在巷道掘出后30d 內(nèi)，在30d 時，下沉量達(dá)到37mm；底鼓主要在巷道掘出后24d 內(nèi)，在24d 時，底鼓量達(dá)到44mm。基于上述分析可知，巷道圍巖在掘出40d 后，圍巖的變形量基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂板最大下沉量、兩幫最大移近量和底鼓量最大值分別為40.4mm、55.4mm 和47.6mm。

圖4 3209 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間圍巖變形曲線圖

為監(jiān)測巷道頂板在掘進(jìn)期間是否會出現(xiàn)離層現(xiàn)象，在巷道頂板布置離層儀監(jiān)測站，安設(shè)深部基點(diǎn)為7.5m，淺部基點(diǎn)為2.5m。根據(jù)頂板離層測站的監(jiān)測結(jié)果，繪制出淺部和深部基本離層量與監(jiān)測天數(shù)之間的關(guān)系曲線，如圖5 所示。

圖5 巷道頂板離層量變化曲線圖

通過具體分析圖5 可知，在巷道掘進(jìn)期間，淺部基點(diǎn)和深部基點(diǎn)的離層量分別為26.6mm 和17.6mm，淺部基點(diǎn)和深部基點(diǎn)的離層分別主要出現(xiàn)在0～25d 和0～30d。在監(jiān)測天數(shù)大于30d 時，淺部基點(diǎn)和深部基點(diǎn)基本均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，頂板離層速率也變?yōu)榱恪?/p>

基于上述分析可知，3209 工作面采用“強(qiáng)幫護(hù)頂”讓壓高強(qiáng)錨桿支護(hù)技術(shù)后，保障了頂板巖層的整體性，有效控制了巷道圍巖變形。

4 結(jié)論

通過分析3209 工作面回風(fēng)巷頂板巖層的特征，結(jié)合松軟圍巖的變形特點(diǎn)，確定對巷道采用“強(qiáng)幫護(hù)頂”讓壓高強(qiáng)錨桿支護(hù)技術(shù)，結(jié)合巷道的具體地質(zhì)條件進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的設(shè)計。根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果可知，巷道掘進(jìn)期間頂板巖層間保持了較好的整體性，頂板最大下沉量、兩幫最大移近量和底鼓量最大值分別為40.4mm、55.4mm 和47.6mm。