大斷面靜壓煤層大巷支護(hù)優(yōu)化研究

湯林虎

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046600）

近年來，煤層巷道圍巖控制問題成為影響煤礦安全生產(chǎn)的井工煤礦開采的重要因素之一[1]。由于開拓大巷承擔(dān)任務(wù)重、使用時(shí)間長(zhǎng)，故大巷圍巖控制尤為重要[2]。但由于煤層強(qiáng)度普遍較弱，若回采工作面超前支承壓力影響范圍波及大巷，則大巷圍巖控制難度增加[3]。我國(guó)眾多煤炭科研學(xué)者針對(duì)這一問題，進(jìn)行了深入研究。徐青云[4]針對(duì)陳四樓礦運(yùn)輸大巷破碎圍巖控制問題，采用數(shù)值模擬與理論計(jì)算結(jié)合的方法，運(yùn)用傳統(tǒng)“錨索網(wǎng)噴”聯(lián)合支護(hù)形式，以增加支護(hù)強(qiáng)度為主要方向，對(duì)巷道支護(hù)形式進(jìn)行了重新優(yōu)化，并成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用。史靜[5]以淮北礦區(qū)某礦南翼運(yùn)輸大巷支護(hù)問題為背景，采用ABAQUS數(shù)值模擬方法，對(duì)工作面超前支承壓力影響下的巷道失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出了新的支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)效果較好。同時(shí)，由于礦井生產(chǎn)工程地質(zhì)條件變化較大，必須結(jié)合礦井甚至某條巷道的具體條件具體分析，提出合理安全經(jīng)濟(jì)的巷道支護(hù)方案。

本文依托霍爾辛赫煤礦西回風(fēng)大巷工程實(shí)際，對(duì)大巷附近回采工作面超前支承壓力影響范圍進(jìn)行了分析；同時(shí)采用秦巴列維奇理論對(duì)巷道圍巖最大破壞深度進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)了巷道支護(hù)參數(shù)，在巷道掘進(jìn)完成后，巷道圍巖穩(wěn)定、巷道表面位移得到了有效控制。

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦西回風(fēng)大巷東側(cè)為西郭村，西側(cè)為泊里村，南側(cè)為鮑莊村和長(zhǎng)子-長(zhǎng)治的一級(jí)路，北側(cè)為陳家莊村,工作面上部除農(nóng)作物外，還有西郭村磚廠、養(yǎng)殖場(chǎng)等小型建筑物。村莊均都在保護(hù)煤柱線內(nèi)，回采對(duì)其無影響。西回風(fēng)大巷西側(cè)為3305運(yùn)輸順槽、南側(cè)為3303回采工作面(正在回采)、北側(cè)為西主運(yùn)集中巷、東側(cè)為礦井的四條主要大巷。設(shè)計(jì)長(zhǎng)度359.7m，西回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱30m，巷道在3#煤層中掘進(jìn)，3#煤層煤質(zhì)為黑色，塊狀，細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu)，中下部夾薄層泥巖，巖性為炭質(zhì)泥巖，煤層厚度為5.5～5.7m平均5.6m，煤層傾角2°～10°平均6°，煤層硬度0.3～1，煤層層理為中等發(fā)育，煤層節(jié)理為中等發(fā)育，大巷掘進(jìn)范圍平均埋深450m，巷道頂?shù)装搴穸扰c巖性見表1。由根據(jù)三維地震勘探結(jié)果可知，西回風(fēng)大巷掘進(jìn)范圍內(nèi)地質(zhì)條件與水文地質(zhì)情況簡(jiǎn)單。

表1 煤層頂?shù)装逄匦员?/p>

西回風(fēng)大巷巷道設(shè)計(jì)斷面為矩形，設(shè)計(jì)毛斷面為（寬）5.5×（高）5.6m，凈斷面為（寬）5.2×（高）5.2m，掘進(jìn)時(shí)大巷沿底掘進(jìn)，采用全斷面一次掘進(jìn)方法，主要擔(dān)負(fù)西翼采區(qū)各個(gè)工作面的乏風(fēng)排出任務(wù)。

2 工作面超前支承壓力影響范圍

工作面回采超前支承壓力是影響大巷穩(wěn)定的主要原因，所以要對(duì)工作面超前支承壓力影響范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，防止工作面采動(dòng)對(duì)于大巷圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)影響。本文以正在回采的3303工作面對(duì)西回風(fēng)大巷的影響為主要研究對(duì)象。依據(jù)我國(guó)華北地區(qū)長(zhǎng)期實(shí)踐，超前支承壓力峰值見式（1）[6]，假設(shè)工作面前方煤體為各向同性的彈性體，則工作面超前支承壓力的分布公式見式（2）、（3）、（4）[7]，超前支承壓力分布見圖 1。

式中：σmax為超前支承壓力峰值，MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取3；H為工作面最大埋深，450m；γ為上覆巖層平均容重，24.5kN/m3；σ為超前支承壓力值，MPa；N0為煤體自承能力，MPa；C為煤層單軸抗壓強(qiáng)度，7.2MPa；φ為煤層內(nèi)摩擦角，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量為29°36′；ξ為煤層三軸壓力系數(shù)；f為煤層普氏系數(shù)，取0.7；x為超前支承壓力值距煤壁距離，m；m為工作面采高，5.6m；

由于煤體主要破壞為壓裂破壞，故認(rèn)為只要超前應(yīng)力到達(dá)了抗壓強(qiáng)度較低的煤體的單軸抗壓強(qiáng)度，則煤體完全破壞，失去承載能力。

代入數(shù)據(jù)，由式（1）可知，工作面超前支承壓力峰值為 33.075MPa，將該值代入式（2）、（3）、（4）可知，3303工作面超前支承壓力峰值位于工作面前方6.5m處。帶入工作面原巖應(yīng)力值，計(jì)算公式見式（5）。

帶入式（2）、（3）、（4）可知，超前支承壓力在工作面前方25m，恢復(fù)到原巖應(yīng)力值。故回采工作面超前支承壓力的影響范圍為工作面前方25m，現(xiàn)有大巷保護(hù)煤柱為30m，可以判定，回采工作面超前支承壓力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性沒有任何影響。西回風(fēng)大巷為典型的靜壓巷道。

圖1 工作面超前支承壓力分布

3 破碎圍巖巷道破壞特征

由上文可知西回風(fēng)大巷為靜壓巷道，則巷道在無支護(hù)強(qiáng)度下的最大破壞深度，為巷道的所需控制的最大塑性區(qū)寬度。結(jié)合上文可知巷道沿煤層底板掘進(jìn)，毛高為5.6m，卻巷道頂部為厚度為3.55m的泥巖，綜合可知巷道圍巖較為軟弱，自承能力較差，在受到地應(yīng)力作用后，極易處于散體狀態(tài)，呈現(xiàn)自然“拱”狀垮落，此時(shí)應(yīng)當(dāng)使用“秦巴列維奇”理論對(duì)巷道在無支護(hù)條件下的最大破壞深度進(jìn)行計(jì)算[8]，見圖2。

圖2 秦巴列維奇理論力學(xué)模型圖

由圖2可知，井下巷道受到三個(gè)方向上的載荷，分別為巷道頂板、巷道兩幫。在巷道頂板方向，巷道受到鉛直載荷，由于頂板強(qiáng)度較弱，依據(jù)“秦巴列維奇”理論可知，頂板呈現(xiàn)“拱”狀破壞；在巷道兩幫方向，巷道受到垂直于巷幫，方向向巷道內(nèi)部的載荷，巷道兩幫呈現(xiàn)三角形破壞，且隨著兩幫高度的增高，破壞深度逐漸增大。兩幫最大破壞深度b與巷道頂板最大破壞深度h計(jì)算見下式。

巷道兩幫最大破壞深度b可根據(jù)式（1）、（2）計(jì)算[8]。

式中：H為巷道掘進(jìn)高度，取5.6m；θ為煤自然塌陷角，°；φ為煤內(nèi)摩擦角，取28°；

巷道頂板最大冒落高度h可根據(jù)式（3）計(jì)算[8]。

式中：a為巷道掘進(jìn)寬度，取5.5m；RC為頂板泥巖單軸抗壓強(qiáng)度，取12.2MPa；

帶入公式可得，巷道兩幫最大破壞深度b為3.36m，巷道頂板最大冒落高度h為5.01m。

4 巷道優(yōu)化支護(hù)形式及效果

4.1 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮上述理論計(jì)算中的兩幫深度為3.36m以及頂板破壞深度為5.01m，單純采用普通的“頂板錨桿+頂板錨索+兩幫錨桿”聯(lián)合支護(hù)措施，已經(jīng)不能滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度要求，故考慮“頂板錨桿+頂板錨索+兩幫錨桿+兩幫錨索”的全斷面強(qiáng)化支護(hù)形式。設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)見表2。巷道支護(hù)斷面圖見圖3。

表2 巷道優(yōu)化支護(hù)參數(shù)

圖3 巷道支護(hù)斷面圖

4.2 巷道支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

巷道掘進(jìn)完成后，為有效對(duì)巷道支護(hù)體的支護(hù)作用進(jìn)行直觀檢測(cè)，同時(shí)對(duì)圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育情況進(jìn)行分析，對(duì)西回風(fēng)大巷進(jìn)行了井下原位專控窺視，見圖4；對(duì)巷道表面位移進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)見圖5。

圖4 巷道表面0～2m鉆孔窺視結(jié)果

圖5 巷道表面位移隨時(shí)間變化圖

結(jié)合圖4，巷道表面0～2m鉆孔窺視結(jié)果圖可知在西回風(fēng)大巷表面0～2m范圍之內(nèi)，強(qiáng)度較弱的泥巖頂板內(nèi)部巖層完整、無明顯裂隙擴(kuò)展以及無巖層錯(cuò)動(dòng)，可見“頂板錨桿+頂板錨索+兩幫錨桿+兩幫錨索”的全斷面強(qiáng)化支護(hù)形式為巷道提供了較大的支護(hù)強(qiáng)度，保證了西回風(fēng)大巷圍巖的穩(wěn)定性。

結(jié)合圖5，巷道表面位移隨時(shí)間變化圖可知，西回風(fēng)大巷表面位移在巷道掘進(jìn)完成22天時(shí)，巷道頂?shù)装逡平颗c巷道兩幫移近量到達(dá)最大值，分別為35.7mm、79.2mm。巷道表面位移量較小，處于安全范圍之內(nèi)。在巷道掘進(jìn)22天后，巷道表面位移變化趨于平緩，可見此時(shí)巷道圍巖與巷道支護(hù)體共同形成了巷道的穩(wěn)定支護(hù)體，說明“頂板錨桿+頂板錨索+兩幫錨桿+兩幫錨索”的全斷面強(qiáng)化支護(hù)形式對(duì)西回風(fēng)大巷巷道圍巖穩(wěn)定起到了有效的保護(hù)效果。

5 結(jié) 語

1）回采工作面超前支承壓力擾動(dòng)范圍為25m小于大巷保護(hù)煤柱30m，可知霍爾辛赫煤礦西回風(fēng)大巷不受工作面采動(dòng)影響，為典型靜壓巷道。

2）同時(shí)采用秦巴列維奇理論，結(jié)合西回風(fēng)大巷圍巖地質(zhì)條件對(duì)巷道圍巖最大破壞深度進(jìn)行計(jì)算，確定兩幫最大片幫深度為3.36m，頂板最大冒落高度為5.01m。

3）提出了“頂板錨桿+頂板錨索+兩幫錨桿+兩幫錨索”的全斷面強(qiáng)化支護(hù)形式，設(shè)計(jì)了巷道支護(hù)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，巷道表面0～2m圍巖穩(wěn)定，西回風(fēng)大巷表面位移在掘進(jìn)完成后的22天達(dá)到最大值，頂?shù)装遄畲笠平繛?5.7mm；兩幫移近量最大為79.2mm?？梢娫撝ёo(hù)形式保證了西回風(fēng)大巷圍巖的穩(wěn)定性。