火成巖侵入?yún)^(qū)巷道支護(hù)技術(shù)探討

康松濤

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司安監(jiān)局 山西大同037003）

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采強(qiáng)度與規(guī)模顯著增加，以及綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)作為一種主要的高產(chǎn)高效開(kāi)采方法得到大面積推廣應(yīng)用，綜采放頂煤工作面要求回采巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂板是煤層，煤層相對(duì)于巖石比較松軟、破碎，顯著增加了巷道的支護(hù)難度。此外，隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度與產(chǎn)量的大幅度提高，要求的巷道斷面越來(lái)越大，給巷道的掘進(jìn)與支護(hù)增加了一定的難度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，錨桿支護(hù)在一般條件下的大斷面巷道、煤頂和全煤巷道、沿空掘巷、松軟破碎圍巖巷道等困難條件得到成功應(yīng)用，顯著提高了巷道支護(hù)效果，降低了支護(hù)成本，為采煤工作面的快速推進(jìn)，礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效創(chuàng)造了良好的條件[1-2]。但大同礦區(qū)石炭系3-5#煤層屬特厚煤層，受火成巖侵入范圍占其面積的將近二分之一，煤層受煌斑巖侵入后受熱變質(zhì)硅化，造成煤層有益厚度變薄，正常情況下煤層頂、底板巖性一般為高嶺巖、高嶺質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖，局部為細(xì)粒砂巖或粉砂巖，受到火成巖侵入后，煤層被熔融，附近未被直接侵入的煤層則受到高溫烘烤，受熱而發(fā)生變質(zhì)、硅化，使煤質(zhì)疏松易碎、易片幫。巷道沿煤層底板施工，受火成巖侵入體的影響，經(jīng)常導(dǎo)致頂煤垮落，錨桿錨索錨固困難，極難維護(hù)。急需進(jìn)行受火成巖影響條件的巷道支護(hù)研究，為煤礦巷道支護(hù)的科學(xué)決策提供依據(jù)，從而保證采掘工作的正常進(jìn)行。

1 現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)概況

以永定區(qū)煤業(yè)公司盤(pán)區(qū)皮帶巷為研究對(duì)象，巷道沿煤層地板掘進(jìn)，由于服務(wù)年限較長(zhǎng)，巷道設(shè)計(jì)為半圓拱形斷面，掘?qū)?.3 m、凈寬4 m，掘高3.45 m、凈高3.3 m?；鸪蓭r床侵入幾乎占據(jù)整個(gè)區(qū)域，基本為串珠狀交錯(cuò)侵入，對(duì)煤層破壞較大，致使有益煤層厚度變?yōu)?.0 m～18 m，火成巖侵入的夾石有3～10層，厚度為0.1 m～1.0 m，巖性大多為煌斑巖，結(jié)構(gòu)致密，硬度大。其3-5#煤層老頂為含粒粗砂巖，厚度21.4 m，成分以石英，長(zhǎng)石為主，分選性差，孔隙含水，直接頂為粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，厚度為2.18 m，參差狀斷口，含石英，泥質(zhì)膠結(jié)，直接底為粉砂巖、粗砂巖，厚度7.76 m，石英為主，分選差。由于火成巖的侵入破壞，上部煤層遭受熱變質(zhì)或硅化，煤層結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，上部煤層結(jié)構(gòu)疏松、易碎[3]。

2 巷道支護(hù)的數(shù)值模擬研究

2.1 模擬方案的制定

對(duì)巷道基本支護(hù)形式進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和優(yōu)化。數(shù)值計(jì)算采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行模擬，模擬采用的兩種支護(hù)方案分別為：方案一：錨桿間距0.8 m，排距0.7 m，長(zhǎng)度2.2 m；錨索長(zhǎng)度8 m，間排距為1.6 m×1.4 m。幫錨桿長(zhǎng)度2.0 m，間排距0.8 m×0.7 m。方案二：錨桿間距0.8 m，排距0.85 m，長(zhǎng)度2.4 m；錨索長(zhǎng)度6 m，間排距為1.6 m×1.7 m。幫錨桿長(zhǎng)度2.0 m，間排距0.8 m×0.85 m。

2.2 模擬計(jì)算結(jié)果分析

在巷道施工過(guò)程中，巷道頂?shù)装逦灰屏康谋O(jiān)測(cè)，對(duì)巷道安全施工非常關(guān)鍵，同時(shí)也是對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)的最直接檢驗(yàn)。考慮到實(shí)際工程進(jìn)展和施工工藝，結(jié)合數(shù)值模型的邊界條件與現(xiàn)實(shí)情況的差別，選擇模型中巷道中段y=50 m處圍巖為研究對(duì)象，記錄該段每天的頂?shù)装逡平?。在巷道施工過(guò)程中，兩幫收斂量的監(jiān)測(cè)，對(duì)巷道安全施工亦非常關(guān)鍵，同樣，選擇模型中巷道中段y=50 m處圍巖為研究對(duì)象，記錄該段每天的兩幫收斂量。模擬的頂?shù)装逡平壳€如圖1所示，巷道兩幫收斂曲線如圖2所示。

圖1數(shù)值模擬的頂?shù)装逡平壳€

圖2數(shù)值模擬的巷道兩幫收斂曲線

從頂?shù)装逡平壳€可以發(fā)現(xiàn)，頂?shù)装逡平繌拈_(kāi)始監(jiān)測(cè)就基本上是按線性變化的；開(kāi)始時(shí)掘進(jìn)施工對(duì)巷道的頂?shù)装逦灰朴休^大影響，隨著掘進(jìn)面往遠(yuǎn)處推進(jìn)這種影響也越來(lái)越弱，然后逐漸趨于穩(wěn)定。模擬的結(jié)果顯示，方案一的垂直位移變形量要小于方案二。而從巷道兩幫的收斂曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間看方案水平位移的最大變化量接近一致，但方案二的水平變形影響范圍更大，隨著時(shí)間的推移，可能出現(xiàn)由影響范圍向影響程度的轉(zhuǎn)化，這種影響趨勢(shì)不利于巷道的長(zhǎng)久穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案的確定及效果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際支護(hù)及檢測(cè)方案

根據(jù)模擬研究的結(jié)果最終選擇方案1為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用的支護(hù)方案，即：錨桿間距0.8 m，排距0.7 m，長(zhǎng)度2.2 m；錨索長(zhǎng)度8 m，間排距為1.6 m×1.4 m。幫錨桿長(zhǎng)度2.0 m，間排距0.8 m×0.7 m，為解決火成巖侵入?yún)^(qū)域錨索難以正常打注的難題，采用新型中空注漿錨索，采用水泥-水玻璃注漿，水泥采用425#硅酸鹽水泥，波美度0.45的水玻璃。如圖3所示。

圖3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際支護(hù)方案圖

為檢驗(yàn)支護(hù)效果，在巷道試驗(yàn)段設(shè)置1～5#測(cè)站，進(jìn)行巷道表面位移觀測(cè)、巷道頂板離層的監(jiān)測(cè)及錨桿、錨索受力監(jiān)測(cè)和圍巖深部位移監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)檢測(cè)頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平?，各測(cè)站間距為30 m。

3.2 檢測(cè)結(jié)果分析

把五個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析研究。檢測(cè)的巷道頂?shù)装逡平壳€和巷道兩幫收斂變形曲線如圖4所示。

圖4現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果分析圖

從圖中可以看出在現(xiàn)有支護(hù)方式下，巷道頂?shù)装逡平壳€下降比較平緩，所代表的頂?shù)装逑鄬?duì)距離變化比較小，收斂速度較慢。巷道在一個(gè)多月的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，巷道頂?shù)装迤骄平俣葹?.994 mm/d，巷道兩幫平均收斂速度為1.562 mm/d。檢測(cè)結(jié)果表明，在此支護(hù)方式下，巷道變形受采動(dòng)影響較小，能夠達(dá)到有效控制回采巷道變形和破壞的效果，設(shè)計(jì)方案較成功。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究，得到了以下結(jié)論：

（1）大同石炭系煤層受火成巖侵入影響，條件極其復(fù)雜，靠傳統(tǒng)的支護(hù)方法難以取得較好的效果，必須針對(duì)性的進(jìn)行研究，才能得到滿意的結(jié)果。

（2）采用數(shù)值模擬研究得出的支護(hù)方案，在實(shí)際應(yīng)用中得到了較好的驗(yàn)證，在今后的實(shí)際中，可加大數(shù)值模擬的應(yīng)用，為現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)提供依據(jù)。