大埋深高應(yīng)力回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

史 智 元

（1. 煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013）

0 引 言

汾西礦業(yè)集團(tuán)曙光煤礦現(xiàn)平均開采深度已超過500m，巷道在掘進(jìn)及回采階段礦壓現(xiàn)象明顯，對于兩側(cè)均為實體煤的回采巷道而言，在本工作面回采超前動壓影響下，巷道所受壓力增大，兩幫及底板變形明，平均底鼓變形量可達(dá)到500mm 左右；對于一側(cè)采空一側(cè)實體巷道而言，受上區(qū)段工作面?zhèn)认驓堄嘀С袎毫捅竟ぷ髅婊夭蓜訅旱碾p重影響，巷道圍巖的變形更為劇烈，幫部頂?shù)捉清^桿發(fā)生破斷事件，巷道變形進(jìn)一步加劇，局部地段巷道底鼓變形量可達(dá)到2000mm，需要經(jīng)常進(jìn)行臥底返修工作，嚴(yán)重影響回采工作面的正常推進(jìn)，阻礙了礦井安全高效生產(chǎn)。

針對曙光煤礦大埋深高應(yīng)力巷道變形破壞特征，亟需探索研究控制巷道胃炎大變形破壞的技術(shù)，該項研究的順利推進(jìn)已成為礦井急需解決的生產(chǎn)難題。基于上述背景，以一采區(qū)1228 工作面運輸巷為研究對象，開展地質(zhì)力學(xué)測試分析與評估、原有巷道支護(hù)設(shè)計分析、1228 運輸巷支護(hù)設(shè)計及現(xiàn)場礦壓監(jiān)測等試驗。通過1228 運輸巷道的井下試驗，探索尋求解決曙光煤礦類似地質(zhì)條件下，大變形回采巷道有效的錨桿支護(hù)技術(shù)，解決制約影響工作面安全快速回采的技術(shù)難題。

1 工程地質(zhì)條件

1228 工作面運輸巷地表標(biāo)高+950～+1035m，煤層底板標(biāo)高+460～+510m，1228 工作面運輸巷位于井下一采區(qū)西翼，其南側(cè)為1226 運輸巷，北側(cè)為1232 材料巷，東側(cè)與一采區(qū)集中軌道巷相鄰，1228 運輸巷掘進(jìn)區(qū)域無回采工作面，屬于兩側(cè)實體煤巷，巷道設(shè)計長度為1666m。由1228 運輸巷附近的鉆孔資料可知，8- 2# 鉆孔顯示煤層埋深為469m、7- 5# 鉆孔顯示煤層埋深為539m，同時結(jié)合井上下對照圖與煤層底板等高線圖，綜合確定巷道由掘進(jìn)開口位置至切眼位置埋深逐漸增加，切眼處的巷道埋深最大，最深處超過600m，巷道圍巖控制難度也由開口向切眼處逐漸增大，1228 工作面平面布置圖如圖1 所示。

1228 運輸巷屬于沿頂掘進(jìn)巷道，沿著2# 煤層頂板掘進(jìn)，2# 煤層平均厚度為2.82m，煤層傾角為2～5°，煤層中含2 層夾矸，夾矸主要成分為泥巖或炭質(zhì)泥巖，偽頂為均厚0.3m 的灰黑色炭質(zhì)泥巖、直接頂為均厚2.56m 的灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、基本頂為均厚7m 的深灰色砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖、直接底為均厚1.2m的淺黑色粉砂巖、基本底為均厚6.08m 的黑灰色粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，圍巖綜合柱狀圖如圖2 所示。

圖1 1228 工作面平面布置圖

圖2 圍巖綜合柱狀圖

2 巷道圍巖地質(zhì)評估與分析

對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計前，首先需要進(jìn)行巷道圍巖地質(zhì)評估與分析，除收集分析礦井基礎(chǔ)地質(zhì)資料外，還需進(jìn)行相關(guān)地質(zhì)參數(shù)測試，主要包括：地應(yīng)力測試、巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀察、巷道圍巖強(qiáng)度測試等，通過掌握巷道基礎(chǔ)資料，為巷道支護(hù)方案確定提供依據(jù)。

2.1 地應(yīng)力分析

曙光煤礦進(jìn)行了6 個測點的地應(yīng)力測量工作，測點主要分布于2# 煤層主采區(qū)，第1 和第2 測點位于1226 材料巷 150m 和 1100m 位置，1226 材巷沿 2# 煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面寬4.7m，高3.2m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，測點位置埋深分別為467.0m 和480.0m。第3和第4 測點位于采區(qū)集中軌道巷4050m 和4300m 位置，巷道斷面直墻半圓拱，拱高2.2m，墻高1.8m，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，測點位置埋深為425.0m 和435.0m。第5 和第6 測點位于1216 材料巷220m 和450m 位置，巷道斷面寬度4.7m，高度3.2m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，測點位置埋深為490.0m 和510.0m。

表1 曙光煤礦水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果

地應(yīng)力測量結(jié)果見表1 所列，根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析地應(yīng)力的分布規(guī)律。

1）地應(yīng)力量級。曙光煤礦6 個測點最大主應(yīng)力介于10.91～15.88MPa，屬于中等水平應(yīng)力量級。

2）地應(yīng)力場類型。曙光煤礦6 個測點均表現(xiàn)為最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力大于最小水平主應(yīng)力，形成型地應(yīng)力場，表明礦區(qū)主采煤層以構(gòu)造應(yīng)力為主。

3）地應(yīng)力方向。曙光煤礦6 個測點最大水平主應(yīng)力方向均呈NW 向，主要為N31.8°W～N86.0°W。

4）巷道支護(hù)指導(dǎo)意義。根據(jù)地應(yīng)力測試基本結(jié)論，對1228 工作面運輸巷支護(hù)設(shè)計具有以下指導(dǎo)作用：①曙光礦主采2# 煤層采煤區(qū)域最大水平主應(yīng)力最大值為15.88MPa，未超過18MPa，屬于中等應(yīng)力量級，對巷道圍巖穩(wěn)定性會產(chǎn)生較大影響；②形成型應(yīng)力場，屬于構(gòu)造型應(yīng)力場，水平應(yīng)力占主導(dǎo)地位。對于型構(gòu)造應(yīng)力場，依據(jù)地應(yīng)力場與巷道巷道布置相關(guān)理論，得到巷道軸向與水平最大主應(yīng)力方向的理想夾角為41°～72°；③結(jié)合曙光煤礦采掘工程平面布置圖知，所有綜采工作面巷道均沿N90°W 布置，主采煤層區(qū)域水平最大主應(yīng)力方向為N32°W～N86.0°W，兩者夾角在4°～58°，說明重合區(qū)域41°～58°間順槽布置方位最佳，巷道掘進(jìn)受到水平應(yīng)力方向影響最小；而非重合區(qū)域4°～40°間順槽布置方位并非最佳，巷道掘進(jìn)受到水平應(yīng)力方向影響很大；④因1228 工作面沿北偏西向N90°W 布置，由此判斷屬于A 類型，巷道左上幫頂板和左下幫底板位置受到水平應(yīng)力作用非常大，這些部位是應(yīng)力集中區(qū)域，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，需加強(qiáng)支護(hù)。

曙光煤礦1228 工作面埋深大，最大深度超過600m，垂直應(yīng)力易于巷道兩幫形成應(yīng)力集中，煤層強(qiáng)度低，裂隙發(fā)育，容易導(dǎo)致煤幫偏幫，需要加強(qiáng)幫部支護(hù)。

2.2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)分析

1）巷道頂板圍巖結(jié)構(gòu)分析。采用鉆孔窺視儀對巷道頂板圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行窺視，以掌握巖層結(jié)構(gòu)特征，選擇1 號測點進(jìn)行描述，頂板窺視鉆孔深度為21m、巷幫窺視鉆孔深度為10m，通過鉆孔窺視可了解錨桿（索）控制范圍內(nèi)巖層巖性及節(jié)理、裂隙等發(fā)育情況。巷道頂板10m 范圍內(nèi)巖層主要為砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育程度較低，巖層整體性較為完整；巷道頂板3m 范圍內(nèi)巖層主要為砂質(zhì)泥巖，并無明顯的節(jié)理裂隙發(fā)育，巷道所選用的錨桿長度小于3m，有利于發(fā)揮錨桿錨固效果；3～7m 范圍為細(xì)砂巖，而錨索長度常選用4～6m，屬于錨索錨固層位，有利于發(fā)揮錨索錨固力，控制巷道圍巖變形。

2）巷道幫圍巖結(jié)構(gòu)分析。第1 測點煤幫鉆孔成像觀察結(jié)果顯示，0～2.7m 范圍煤層松散裂隙發(fā)育，完整性差，在 0～0.8m 范圍煤層破碎嚴(yán)重；2.7～5.9m 范圍煤層完整性好，6.0m 以內(nèi)深度煤體破碎塌孔。第2 測點煤層觀察結(jié)果顯示，8m 范圍內(nèi)煤層裂隙發(fā)育程度高，破碎程度大。

2.3 圍巖強(qiáng)度測試與分析

對1 號測點頂板及巷幫鉆孔內(nèi)圍巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試，得到如下結(jié)果：0～3.0m 巖層巖性為砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度平均為43.32MPa；3.0～4.5m 巖層巖性為細(xì)砂巖，抗壓強(qiáng)度平均為53.50MPa；4.5- 10.3m 巖層巖性為砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度平均為38.35MPa；2# 煤層抗壓強(qiáng)度平均為13.03MPa。

3 原有支護(hù)設(shè)計剖析

3.1 原錨桿支護(hù)設(shè)計

1228 運輸巷選用矩形斷面，巷道高度為3.5m、寬度為5.0m，巷道原支護(hù)方案中，錨桿與錨索同排進(jìn)行布置，具體支護(hù)方案如下：

1）頂板首排錨桿（索）布置方式：布置3 根錨桿、3 根錨索，選用直徑為20mm、長度為2400mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1800mm×1000mm；錨索選用直徑為21.6mm、長度為13000mm 的1×7 故鋼絞線錨索，間排距為1800mm×1000mm；托盤均選用寬度300mm、厚度12mm 的平鋼板；鋼帶選用長度為4800mm、寬度為280mm 的W 鋼帶，除巷幫角錨桿與頂板呈75°傾斜布置外，其余錨桿（索）均垂直于巷道頂板布置。

2）頂板第二排錨桿（索）布置方式：布置4 根錨桿、2 根錨索，選用錨桿及錨索規(guī)格不變，錨桿間排距仍為1800mm×1000mm，錨索裝位置距巷中偏北450mmm，以及距巷道右側(cè)幫250mm 位置，排距為1000mm，兩排依次循環(huán)。

3）巷幫錨桿布置方式：巷道兩幫各布置4 根直徑為20mm、長度為2400mm 的左旋螺紋鋼錨桿，均垂直于巷幫布置，上部3 根錨桿配合使用長度為2000mm 的鋼筋梯子梁，最下部錨桿配合使用400×280mm 的W 鋼帶，最上部錨桿與巷道頂板距離為400mm，錨桿間排距為900mm×1000mm。

4）金屬網(wǎng)采用12# 鐵絲編織的菱形網(wǎng)，規(guī)格頂板為1100mm×5000mm，兩幫為1100mm×2800mm，網(wǎng)間搭接100mm，間隔150mm 采用16# 鉛絲聯(lián)網(wǎng)。

圖3 巷道原支護(hù)方案示意圖

3.2 原有支護(hù)方式存在問題

針對1228 運輸巷現(xiàn)支護(hù)方案及現(xiàn)場使用中存在的問題進(jìn)行分析，其支護(hù)效果不佳，主要存在如下幾方面問題：

1）錨桿錨索布置方式，曙光煤礦現(xiàn)有巷道支護(hù)方式中錨桿及錨索采用同排布置的方式，該種布置方式與現(xiàn)有支護(hù)理念相違背。錨桿和錨索設(shè)計長度懸殊過大，通常情況下錨桿支護(hù)長度小于3.0m，通過錨桿支護(hù)對巷道淺部圍巖形成有效控制，進(jìn)而防止巷道圍巖的深部擴(kuò)容變形；錨索設(shè)計支護(hù)長度一般在4～6m 范圍，在巷道中深部對巷道圍巖形成有效承載，與淺部錨桿相配合形成有效承載體，由此可知，當(dāng)錨桿與錨索同排進(jìn)行布置時，不但沒提高圍巖的承載能力，反而弱化了錨桿支護(hù)區(qū)域的支護(hù)效果。

2）錨桿錨索預(yù)緊力，錨桿錨索預(yù)緊力大小對巷道圍巖的支護(hù)效果起著重要作用，一般情況下，預(yù)應(yīng)力值不小于其破斷載荷的10%～70%，曙光礦使用的錨索破斷載荷為520kN，預(yù)緊力為200kN，已達(dá)到下限值。

3）錨桿錨索托盤，曙光礦主要使用斜托盤和蝶形托盤，該型托盤具有如下缺陷，托盤口徑較小，容易發(fā)生卡口而導(dǎo)致錨桿破斷，托盤的偏心調(diào)節(jié)作用較差，安裝后容易發(fā)生偏載現(xiàn)象，造成桿體破斷；基于此建議采用高強(qiáng)度拱形托盤，其長寬為150mm、厚度為10mm，然而其承載能力可達(dá)到450kN，通過孔口的倒角可實現(xiàn)偏心角度調(diào)節(jié)，其拱形高度可達(dá)到36mm，有良好的讓壓效果。錨索使用平托盤同樣會造成錨索受力不均，因此將平托盤改為拱形托盤，以提高其承載能力及適應(yīng)性。

4 新支護(hù)方案

1）頂板支護(hù)：錨桿仍選用直徑為22mm、長度為2400mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，托板采用可調(diào)心拱型高強(qiáng)度托盤配減摩墊片，規(guī)格為150×150×10mm，承載能力不低于250kN，每排布置6 根錨桿，其間排距為1000mm×1000mm；錨索選用直徑為21.8mm、長度為6300mm 的鋼絞線錨索，錨索托盤改為300×300×14mm 的高強(qiáng)度拱形托盤，采用 “三三”布置方式，間排距為1800mm×2000mm，上述錨桿錨索均垂直于巷道頂板布置。

2）兩幫支護(hù)：幫錨桿選擇直徑為22mm、長度為2400mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿托盤采用可調(diào)心拱型高強(qiáng)度托盤配減摩墊片，每幫布置4 根錨桿，最上部幫錨桿距離巷道頂板300mm，最下部錨桿距離巷道底板500mm，幫錨桿間距為900mm、排距為1000m，改進(jìn)后的支護(hù)方案如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后的巷道支護(hù)示意圖

5 巷道支護(hù)效果分析

1228 運輸巷改進(jìn)支護(hù)方案后，進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗，在試驗巷道內(nèi)布置礦壓觀測站，對巷道圍巖變形進(jìn)行觀測，巷道圍巖變形曲線如圖5 所示。

圖5 巷道圍巖變形曲線

由圖5 可得，距掘進(jìn)迎頭100m 范圍內(nèi)，頂板下沉量增長較快，距掘進(jìn)迎頭100m 之后，頂板基本上穩(wěn)定，測站1 頂板最終下沉量為11mm。

距掘進(jìn)迎頭125m 范圍內(nèi)，兩幫移近量基本上呈線性增長；距迎頭125m 之后，兩幫趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時兩幫移近量14mm 左右。

6 結(jié) 論

1）曙光煤礦1228 工作面埋深大，最大深度超過600m，垂直應(yīng)力易于巷道兩幫形成應(yīng)力集中，煤層強(qiáng)度低，裂隙發(fā)育，容易致煤幫偏幫，需加強(qiáng)幫部支護(hù)。

2）巷道原有支護(hù)方案存錨桿錨索同排布置、錨桿錨索預(yù)緊力小及托盤形狀及承載能力不足的問題，因而導(dǎo)致了巷道圍巖的大變形。

3）改進(jìn)后的支護(hù)方案現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，巷道頂板及兩幫變形量較小，有效控制了巷道圍巖變形，可為同類礦井巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計提供一定參考借鑒。