伯方煤礦3209 工作面回風巷松軟圍巖控制技術研究

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；直接底為黑灰色細砂巖，均厚2.29m；基本底為灰黑色砂質泥巖，均厚1.05m。

3209 工作面回風巷沿煤層底板掘進，巷道掘進寬度為4.4m，掘進高度為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 工作面回風巷的具體特征，擬采用讓壓高強錨桿支護技術。

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理及控制對策如下：

（1）巷道頂板。在巷道圍巖所受的水平應力較大時，巷道幫部淺部圍巖會在拉應力作用下出現(xiàn)明顯的破壞，進而使得幫部深部圍巖體由處于受壓狀態(tài)轉化為受拉狀態(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一步發(fā)育，頂板下沉量進一步增大，導致頂板失穩(wěn)。巷道頂板直接頂穩(wěn)定的準則如下：

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，則幫部會出現(xiàn)明顯的片幫內(nèi)移現(xiàn)象，增大煤幫的支護強度，使煤幫由單向受力的狀態(tài)轉變?yōu)槿S受力狀態(tài)，進而有效增大幫部圍巖體的穩(wěn)定性。在巷道所受應力增大時，必須提升幫部的支護強度，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行支護設計時，需在合理范圍內(nèi)盡可能地增大巷道肩角處的支護強度，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，圍巖裂隙結構的發(fā)育程度如圖1 所示。

圖 1 松軟圍巖裂隙結構發(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“強幫護頂”的支護方式，同時需提供給圍巖一定的變形空間，即采用“強幫護頂”讓壓高強錨桿支護技術。該支護原理為：通過提升巷道幫部的支護強度和剛度，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。“強幫護頂”的支護結構示意圖如圖2 所示。

圖2 “強幫護頂”支護方式示意圖

3 圍巖控制技術

3.1 支護方案

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錨桿與讓壓錨索結合的支護方式。結合巷道圍巖的具體特征，進行具體支護方案的設計。具體支護方案如下：

（1）頂板支護。錨桿采用高強螺紋鋼錨桿，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，設置錨桿的預緊力矩大于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。在施加錨桿預緊力時需保障預緊力矩的數(shù)值，需進行兩次或多次預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，設置間排距為1300mm×700mm，錨固方式同樣采用端頭錨固，設置預緊力為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，將高強錨桿與讓壓錨索有效連接為一個整體，提升錨桿和錨索預應力的擴散面積，另外掛設11#鐵絲經(jīng)緯網(wǎng)。

（2）巷幫支護。幫部錨桿采用高強螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ20mm×2400mm，每排布置3 根錨桿，設置間排距為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，錨索預緊力不小于150kN，同樣采用M 型鋼帶和鐵絲經(jīng)緯網(wǎng)進行護幫作業(yè)。

3209 工作面回風巷“強幫護頂”讓壓高強度錨桿支護方式的各項參數(shù)如圖3 所示。

圖3 3209 工作面回風巷支護方式示意圖

3.2 支護效果

為充分保障3209 工作面掘進期間圍巖的穩(wěn)定，同時為驗證“強幫護頂”讓壓高強錨桿支護技術的效果，在巷道200m 的位置處布置測站，進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后不同時間下圍巖的變形量進行持續(xù)90d 的觀測作業(yè)。根據(jù)巷道表面位移的觀測結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，下沉量達到37mm；底鼓主要在巷道掘出后24d 內(nèi)，在24d 時，底鼓量達到44mm?；谏鲜龇治隹芍锏绹鷰r在掘出40d 后，圍巖的變形量基本達到穩(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 工作面回風巷掘進期間圍巖變形曲線圖

為監(jiān)測巷道頂板在掘進期間是否會出現(xiàn)離層現(xiàn)象，在巷道頂板布置離層儀監(jiān)測站，安設深部基點為7.5m，淺部基點為2.5m。根據(jù)頂板離層測站的監(jiān)測結果，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，在巷道掘進期間，淺部基點和深部基點的離層量分別為26.6mm 和17.6mm，淺部基點和深部基點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，淺部基點和深部基點基本均達到穩(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“強幫護頂”讓壓高強錨桿支護技術后，保障了頂板巖層的整體性，有效控制了巷道圍巖變形。

4 結論

通過分析3209 工作面回風巷頂板巖層的特征，結合松軟圍巖的變形特點，確定對巷道采用“強幫護頂”讓壓高強錨桿支護技術，結合巷道的具體地質條件進行支護參數(shù)的設計。根據(jù)礦壓監(jiān)測結果可知，巷道掘進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。