正益煤業(yè)11-102運(yùn)輸巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

李建平

（山西焦煤集團(tuán)介休正益煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032099）

1 工程概況

正益煤業(yè)11-102工作面，主采11#煤層，地面標(biāo)高+1220.6～+1266.1，井下標(biāo)高+1007～+1055m。煤層厚度2.6～3.0m，平均為2.8m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角7°～15°，平均傾角10°。工作面運(yùn)輸巷斷面形狀為3.8m×2.7m的矩形，巷道總長(zhǎng)度為426m。11號(hào)煤層基本頂為砂質(zhì)泥巖，均厚2.55m；直接頂為泥巖細(xì)砂巖互層，均厚0.82m；直接底為石灰?guī)r，均厚0.4m；基本底為泥巖，均厚2.35m，煤層頂?shù)装鍘r層具體情況如表1所示。巷道原錨索桿支護(hù)強(qiáng)度不足，巷道頂板拉裂、離層，煤幫鼓出、塌落，巷道破壞情況如圖1所示，急需采取有效措施提高圍巖穩(wěn)定性。

表1 頂?shù)装鍘r層性質(zhì)

圖1 巷道破壞情況

2 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 巷道圍巖變形規(guī)律

圖2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)在運(yùn)輸巷布置一處礦壓監(jiān)測(cè)站，得到了初期支護(hù)后20d圍巖基本變形規(guī)律如圖2所示。由圖2（a）、圖2（b）可知，運(yùn)輸巷在原支護(hù)下頂板和兩幫的變形量具有明顯的時(shí)效性，隨時(shí)間呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，并在20d左右趨于穩(wěn)定。其中，兩幫移進(jìn)量達(dá)到117mm，頂板下沉量達(dá)到180mm，巷道在原支護(hù)下不能滿足安全生產(chǎn)要求。

2.2 巷道頂板穩(wěn)定性分析

11-102運(yùn)輸巷直接頂為泥巖細(xì)砂巖互層，巷道上覆巖層平均容重為γ=25kN/m3，將直接頂視為兩層獨(dú)立的巖梁[1]。上層為厚度為h1=0.42m的細(xì)砂巖，泊松比ν1=0.22，彈性模量為E1=2.4×103MPa，對(duì)于上層直接頂有：

下層為厚度h2=0.4m的泥巖，泊松比ν2=0.12，彈性模量為E2=3.2×103MPa，下層直接頂有：

由于直接頂為上下兩層巖體構(gòu)成，我們可以通過(guò)錨桿（索）將兩層巖體加固成組合梁結(jié)構(gòu)，加固后直接頂?shù)膹椥阅Ａ亢筒此杀葧?huì)顯著提高：

組合梁結(jié)構(gòu)：

由上式可知，11-102運(yùn)輸巷在加固前存在頂板離層現(xiàn)象，通過(guò)錨桿（索）加固后，直接頂形成組合梁結(jié)構(gòu)，可以大大的提高頂板巖層的穩(wěn)定性[2]。但是在原支護(hù)下，錨索長(zhǎng)度不足，錨索不能發(fā)揮承載能力，難以將直接頂形成組合梁結(jié)構(gòu)，巷道頂板出現(xiàn)拉裂、離層的情況。選用長(zhǎng)度較長(zhǎng)的錨索可以頂板的穩(wěn)定性可以得到保障，但是同時(shí)也需要考慮節(jié)省材料。由于直接頂為泥巖細(xì)砂巖互層，錨索應(yīng)將整個(gè)直接頂固定為一個(gè)整體，再將軟弱巖層錨固在上部穩(wěn)定巖層上，共同承受巷道上部壓力。

2.3 巷道幫部穩(wěn)定性分析

已知巷道高度為h=2.7m，設(shè)頂板與幫部的摩擦角φ0=18°，粘聚力c0=0.3MPa，上覆巖層平均容重γ=26kN/m3，應(yīng)力集中系數(shù)k=2，煤體與頂板界面的切向剛度系數(shù)β=0.14，支護(hù)反力P=31.3MPa，得幫部極限平衡區(qū)寬度為[3]：

幫部破裂區(qū)寬度為：

幫部塑性區(qū)寬度為：

由上式可知，11-102運(yùn)輸巷幫部幫部極限平衡區(qū)寬度為4.0m，幫部破裂區(qū)寬度為1.92m，幫部塑性區(qū)寬度為2.08m?？梢源_定巷幫需要加固深度至少為1.92m，錨桿對(duì)破裂區(qū)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行加固，經(jīng)過(guò)破裂區(qū)后前端進(jìn)入塑性區(qū)，使破壞區(qū)與塑性區(qū)形成一個(gè)整體，來(lái)共同承受幫部壓力，抵抗圍巖變形[4]。

3 圍巖控制效果分析

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)巷道圍巖變形規(guī)律及穩(wěn)定性分析，為防止巷道圍巖劇烈變形，應(yīng)制定相應(yīng)的圍巖支護(hù)方案。根據(jù)11-102工作面運(yùn)輸巷的具體情況，再結(jié)合巷道圍巖穩(wěn)定性分析，對(duì)巷道圍巖支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)：①巷道頂板錨桿規(guī)格為Φ20mm×L2000mm，每排5根，間排距為850×800mm，兩端錨桿與水平方向呈75°夾角，并鋪設(shè)800×800mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔為50×50mm；②巷道頂板單體錨索選用Φ17.8mm×L7000mm的高預(yù)應(yīng)力錨索，錨索拉力不低于30MPa，錨索排間距為2400×1600mm，每排兩根；③由2.3節(jié)可知巷道幫部錨桿至少為1.92m，因此巷道兩幫選用規(guī)格為Φ20mm×L2000mm的錨桿，錨固力不低于80kN，間排距為850×800mm，兩幫各3根，上、下兩端錨桿與水平方向夾角為15°錨索托板采用300mm×300mm×16mm的鼓形鐵托板，并鋪設(shè)800×800mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔為50×50mm。

3.2 圍巖控制效果分析

為了檢驗(yàn)巷道圍巖支護(hù)效果，優(yōu)化錨桿設(shè)計(jì)方案，在試驗(yàn)段巷道每隔5m布置一個(gè)礦壓監(jiān)測(cè)站，對(duì)11-102工作面圍巖表面變形量持續(xù)監(jiān)測(cè)直至數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

對(duì)巷道圍巖位移量進(jìn)行了40d的監(jiān)測(cè)，巷道圍巖隨時(shí)間變形趨勢(shì)基本相同，在30d后頂板累計(jì)下沉量穩(wěn)定在30mm，累計(jì)底臌量達(dá)到39mm，兩幫移進(jìn)量累計(jì)達(dá)到24mm?？梢钥闯觯锏绹鷰r的變形破壞程度得到了明顯改善。

圖3 巷道圍巖礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

同時(shí)，在試驗(yàn)段圍巖布置鉆孔并安裝多點(diǎn)位移計(jì)，對(duì)圍巖不同深度位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到巷道頂板的礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示，巷道幫部圍巖的礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示，巷道底板的的礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖4 巷道頂板深部位移曲線

圖5 巷道幫部深部位移曲線

圖6 巷道底板深部位移曲線

由圖5可得，在支護(hù)后的10d內(nèi)，頂板下沉量不斷增加，在50d時(shí)頂板各深度位移量基本穩(wěn)定，深度為 1.2m、1.6m、2.0m、2.5m、3.0m、6.0m 處頂板下沉量分別為 14.9mm、22mm、27.1mm、31.7mm、35.9mm 及39.7mm，隨著頂板深度的不斷增加，相對(duì)圍巖變形位移量逐漸減少，也就是說(shuō)越淺的位置所受到擾動(dòng)越大，圍巖變形量越大[5]，最大變形量發(fā)生在0～1.2m內(nèi)，變形量達(dá)到14.9mm，占總變形位移量的38%，頂板變形得到有效控制。

由圖6可知，在支護(hù)后的15d內(nèi)，兩幫移進(jìn)量不斷增加，之后在50d時(shí)幫部各深度位移量基本穩(wěn)定，深度為0.8m、1.2m、1.6m、2.0m處兩幫移進(jìn)量分別為12.2mm、15.7mm、18.2mm及19.8mm，最大變形量發(fā)生在0～0.8m內(nèi)，變形量達(dá)到12.2mm，占總變形位移量的62%，表明在幫部錨桿作用下，幫部圍巖的位移變形穩(wěn)定在較小的范圍內(nèi)。

由圖7可得，在支護(hù)后的25d內(nèi)，底臌量不斷增加，之后在50d時(shí)底板各深度位移量基本穩(wěn)定，深度為 1.2m、1.6m、2.0m、2.5m、3.0m、6.0m 處底臌量分別為 13.4mm、20.4mm、26.7mm、31.5mm、34.5mm 及37.2mm，最大變形量發(fā)生在0～1.2m內(nèi)，變形量達(dá)到13.4mm，占總變形位移量的45%，現(xiàn)支護(hù)對(duì)巷道底臌起到了積極作用。

4 結(jié) 論

針對(duì)正益煤業(yè)11-102運(yùn)輸巷的具體情況，通過(guò)對(duì)巷道圍巖變形規(guī)律及穩(wěn)定性分析，提出了針對(duì)11-102工作面運(yùn)輸巷道的支護(hù)方案，并結(jié)合工作面實(shí)際情況對(duì)圍巖控制措施進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在現(xiàn)有支護(hù)方式下，巷道頂板累計(jì)下沉量為30mm，底臌量為39mm，兩幫移進(jìn)量為24mm，且圍巖深部位移穩(wěn)定在較小范圍內(nèi)，可知該種支護(hù)手段極大地改善了圍巖穩(wěn)定性，滿足了安全生產(chǎn)要求。