寺家莊礦煤巷幫頂協(xié)同強力支護技術(shù)研究

石成濤 程 蓬 楊小軍 何 杰 馮友良

(1. 陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司寺家莊礦，山西省陽泉市，045000；2. 天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)，100013)

寺家莊礦煤巷幫頂協(xié)同強力支護技術(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. 陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司寺家莊礦，山西省陽泉市，045000；2. 天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)，100013)

針對以往煤巷圍巖控制研究中幫頂協(xié)同支護的問題，選取寺家莊礦15117工作面回風(fēng)巷作為工程背景，綜合運用現(xiàn)場調(diào)研、圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試、理論分析與現(xiàn)場工程實踐相結(jié)合的方法，研究煤巷協(xié)同強力支護技術(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，巷道整體依然會失穩(wěn)；開挖卸載使得巷道圍巖發(fā)生變形破壞，協(xié)同強力支護技術(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)測數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)場工程實踐效果良好，煤巷幫頂協(xié)同強力支護技術(shù)具有一定的推廣應(yīng)用價值。

煤層巷道 開挖卸荷 幫頂協(xié)同 強力支護

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)研究的熱點與難點。許多學(xué)者已對煤巷圍巖變形破壞機理與控制技術(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，巷道整體依然會發(fā)生失穩(wěn)。因此，為實現(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)識到加固幫部在煤巷圍巖整體控制中的重要作用，進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制，闡述了強幫護頂概念設(shè)計，并在理論層面對煤巷強幫支護理論展開論證，最終成功應(yīng)用于多個工程實踐。褚曉威選取典型工程背景，針對高煤幫巷道兩幫的大變形問題進行分析，得出其煤幫破壞機制為在圍巖壓力下產(chǎn)生壓剪破壞，四角產(chǎn)生強剪切區(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制，提出具體控制技術(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)場工程實踐，具有重要的理論與實用價值，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，全長1371 m，巷道斷面為矩形，掘進寬度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 支護現(xiàn)狀及地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試

2.1 支護現(xiàn)狀及存在的問題

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

(2)原支護方案巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。在現(xiàn)場調(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，巷道掘進過程中未受相關(guān)采掘動壓活動的影響，圍巖應(yīng)力較為穩(wěn)定，對巷道受力變形分析比較有利。通過對頂板和兩幫變形量進行觀測，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#煤層底板進行布置，支護參數(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排單體液壓支柱進行維護，回采階段無需二次維護。

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，錨索直徑21.6 mm，長度7.2 m，巷幫采用錨桿+錨索+鋼筋托梁聯(lián)合支護，幫部采用麻花圓鋼錨桿，鋼號235，直徑18 mm，長度2.4 m，幫錨索直徑17.8 mm，長度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，木點柱加固及注化學(xué)漿液進行二次補強加固，巷道返修耗費大量的人力和物力。

圖2 15117工作面回風(fēng)巷原始支護參數(shù)

(4)當(dāng)前圍巖控制技術(shù)存在的問題。分析原支護方案下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，頂板支護強度較高，但巷幫采用圓鋼錨桿，支護強度低，錨固力在80～100 kN之間，預(yù)緊力偏低，主動性支護較差。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，孔口無倒角，與調(diào)心球墊不匹配，無法發(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個測點的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試工作，內(nèi)容主要包括地應(yīng)力、煤巖體強度與圍巖結(jié)構(gòu)，其中3號測點位于15117進風(fēng)巷300 m處。

(1)地應(yīng)力測試與分析。3號測點埋深502 m，測試結(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)力方向為北偏西57.4°。地應(yīng)力場類型為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，構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢。

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

圖3 巷幫煤體強度測試結(jié)果

圖4 頂板巖體強度測試結(jié)果

巷道頂幫煤巖體強度測試與結(jié)構(gòu)窺視結(jié)果表明，測試地點頂板以上0～3.6 m范圍內(nèi)為泥巖，巖層抗壓強度平均值為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#煤層強度平均值為15.61 MPa。

3 煤巷幫頂協(xié)同強力支護技術(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。巷道采取錨桿支護后，通過對其施加較高預(yù)應(yīng)力，能夠在圍巖內(nèi)部產(chǎn)生一定范圍壓應(yīng)力場，頂幫煤巖體一定程度上又恢復(fù)到三向受壓相對平衡的狀態(tài)。

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

4 現(xiàn)場工程實踐

4.1 幫頂協(xié)調(diào)支護設(shè)計方法

(1)錨桿錨索布置方式優(yōu)化。原有頂板支護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)，支護狀態(tài)比較理想。

(2)高強預(yù)應(yīng)力支護。通過采用扭矩倍增器和大功率錨索張拉機具，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，實現(xiàn)高預(yù)應(yīng)力強力支護。

(3)支護材料優(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鋼護板。錨桿錨索托板調(diào)整為高強度可調(diào)心拱形托板。提高支護材料力學(xué)性能，增大護表面積，提高預(yù)應(yīng)力傳遞效果。

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

4.2 具體支護參數(shù)

根據(jù)寺家莊礦圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果與煤巷幫頂協(xié)同強力支護技術(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參數(shù)如圖5所示。

圖5 15117工作面回風(fēng)巷錨桿支護設(shè)計示意圖

錨桿采取樹脂加長錨固，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錨固，初始張拉力不低于250 kN。

4.2 圍巖控制效果

為驗證煤巷幫頂協(xié)同強力支護技術(shù)的合理性，評價圍巖控制效果，優(yōu)化調(diào)整控制技術(shù)，在巷道掘進期間分別布置錨桿(索)受力與圍巖表面位移測站，動態(tài)監(jiān)測錨桿(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)緊力基本能夠達到60 kN以上；幫錨桿初始預(yù)緊力除個別數(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堅硬平整的巖石，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)化效率相對要低。

由錨桿(索)受力變化趨勢可以看出，錨桿(索)施加較高的預(yù)應(yīng)力后，其受力受巷道掘進影響不大，錨桿(索)受力變化不大，基本趨于穩(wěn)定。以上說明高預(yù)應(yīng)力、幫頂協(xié)同強力錨桿(索)能夠有效控制錨固區(qū)內(nèi)圍巖離層、滑動、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)的完整性與強度。

圖6 錨桿錨索受力監(jiān)測曲線

(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)測曲線

由圖7可知，在測站滯后掘進工作面6 m范圍內(nèi)，圍巖表面變形增長較快，兩幫收斂要大于頂?shù)装逡平?，此范圍?nèi)巷道掘進對圍巖擾動較大；滯后掘進工作面6～80 m范圍內(nèi)，圍巖表面變形。增長逐步放緩，兩幫收斂依然大于頂?shù)装逡平S著測站不斷遠(yuǎn)離掘進工作面，掘進擾動作用逐漸減弱；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)同強力支護技術(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，依然會使得巷道整體失穩(wěn)，加固圍巖時必須幫頂協(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?。欢咧g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)同強力支護技術(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，頂幫煤巖體一定程度上又恢復(fù)到三向受壓相對平衡的狀態(tài)。

(3)礦壓監(jiān)測結(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，掘進對其影響相對較??；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)同強力支護技術(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

A

石成濤，程蓬，楊小軍等. 寺家莊礦煤巷幫頂協(xié)同強力支護技術(shù)研究 [J]. 中國煤炭，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管理與技術(shù)工作。