大變形巷道支護(hù)優(yōu)化效果考察分析

李 強(qiáng)

（汾西礦業(yè)集團(tuán)公司賀西煤礦， 山西 柳林 033300）

1 工程背景

某礦井西回風(fēng)大巷設(shè)計(jì)總長(zhǎng)770.9 m，其中風(fēng)井井筒以276°9′11″方位向西平巷施工147.1 m后變?yōu)?5°下山施工53.5 m，然后再變?yōu)槠绞┕?70.26 m。根據(jù)風(fēng)井井檢孔綜合柱狀圖西回風(fēng)大巷位于-426.5 m水平位置，布置在厚度為20.39 m的中粒砂巖中，上部是厚度為8.4 m的細(xì)粒砂巖，下部是厚度為9.31 m的“二-1”煤，中間有厚度為1.02 m的夾矸。

西回風(fēng)大巷受區(qū)域滑動(dòng)構(gòu)造及井田內(nèi)大的逆斷層的影響，井田內(nèi)大的靳寨逆斷層距離西回風(fēng)井大約750 m左右，巷道主要受構(gòu)造應(yīng)力影響。逆斷層是地震構(gòu)造中斷層的一種，為上盤(pán)上升，下盤(pán)相對(duì)下降的斷層，主要由水平擠壓而形成[1-2]。從現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)揭露情況來(lái)看巷道圍巖受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，巖體松軟破碎，節(jié)理、層理發(fā)育明顯，巖面呈鏡面有明顯的滑動(dòng)跡象，存在小的斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造[3]。最終導(dǎo)致巷道掘進(jìn)后巷道變形嚴(yán)重，不到一個(gè)月巷道頂板和兩幫變形達(dá)到500～600 mm，底臌量大，支護(hù)維護(hù)非常困難，前掘后修，局部冒頂問(wèn)題不斷出現(xiàn)，嚴(yán)重影響進(jìn)度和安全生產(chǎn)。表明該區(qū)域以水平應(yīng)力為主，應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)型[4]。

2 巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 支護(hù)方案確定

結(jié)合巷道圍巖地質(zhì)參數(shù)并結(jié)合理論計(jì)算，回風(fēng)大巷采用支護(hù)參數(shù)確定：錨桿采用MSGLD-335/22×3000等強(qiáng)螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿，2卷Z2350型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，間排距750 mm×750 mm，采用150 mm×150 mm的托盤(pán)。錨索采用Φ17.8 mm×6300 mm的鋼絞線，間排距1500 mm×1500 mm，每排3根。單根錨索配4根Z2350型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，托盤(pán)采用15 mm厚鋼板，規(guī)格300 mm×300 mm。

2.2 支護(hù)方案優(yōu)化

針對(duì)滑動(dòng)破碎圍巖巷道非對(duì)稱(chēng)變形特征，對(duì)理論計(jì)算出的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)巷道下幫肩部淺部圍巖及底臌量的控制措施。通過(guò)減少巷道下幫錨桿間距，采用剛度較大的底角錨桿對(duì)底板易破壞等關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)，轉(zhuǎn)移底臌塑性滑移作用力，減小底臌分力。支護(hù)方式最終確定為“長(zhǎng)錨桿頂錨索不對(duì)稱(chēng)聯(lián)合支護(hù)”，其不對(duì)稱(chēng)體現(xiàn)在左右兩幫的錨桿及左右兩側(cè)底腳錨桿的參數(shù)不對(duì)稱(chēng)[5]。

優(yōu)化后西回風(fēng)大巷仍采用直墻半圓拱斷面，斷面設(shè)計(jì)預(yù)留了一定的變形量巷道規(guī)格調(diào)整為凈寬5100 mm，凈高 4350 mm，墻高 1800 mm，噴砼厚150 mm，基礎(chǔ)100 mm。巷道水溝設(shè)計(jì)規(guī)格：凈斷面400 mm×400 mm，壁厚100 m，鋪底100 mm。

2.2.1 一次支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

一次支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨桿支護(hù)方式，利用錨網(wǎng)噴支護(hù)保護(hù)巷道淺部圍巖（松動(dòng)圈范圍內(nèi)的圍巖）。針對(duì)圍巖破碎層理發(fā)育，巷道成型差，巷道開(kāi)挖后，先打臨時(shí)錨桿控制圍巖，再噴射混凝土封閉圍巖（初噴）找平，為鋪設(shè)金屬網(wǎng)創(chuàng)造條件，然后施加預(yù)應(yīng)力錨桿，實(shí)施主動(dòng)支護(hù)，通過(guò)預(yù)緊力使錨噴網(wǎng)耦合作用于巷道淺部圍巖，最后再進(jìn)行第二次噴漿。如此巷道淺部圍巖就開(kāi)挖后的二維受力狀態(tài)變成三維受力狀態(tài)，從而了避免松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大，使錨桿、網(wǎng)和圍巖相互作用形成承載拱，適時(shí)保護(hù)了巷道的淺部圍巖。

2.2.2 二次支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

錨網(wǎng)噴施工支護(hù)后，在巷道的關(guān)鍵部位（頂部和左右肩窩），通過(guò)施加預(yù)緊力錨索，調(diào)動(dòng)深部圍巖強(qiáng)度，將錨桿、網(wǎng)和圍巖相互作用形成承載拱牢固的錨固在巷道深部穩(wěn)定的圍巖上，控制好巷道頂板。二次支護(hù)方式：“錨索+W型鋼帶”加強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)采用珩架支護(hù)。

錨索參數(shù)：Φ17.88 mm×6300 mm錨索（鋼鉸線），錨固長(zhǎng)度1500 mm，錨固力300 kN。

布置方式：錨索滯后迎面20 m，只在拱部布置，間排距1500 mm×1500 mm。

3 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果考察

根據(jù)試驗(yàn)巷道圍巖變形量的大小、頂板離層情況、錨桿（索）受力狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)的反饋，對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)并根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)適時(shí)的調(diào)整巷道支護(hù)參數(shù)以及合理的支護(hù)時(shí)間。為此，在距離風(fēng)井約276.6～476.6 m處進(jìn)行距離為200 m的工程試驗(yàn)巷道，并進(jìn)行了為期90 d的巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)、巷道松動(dòng)圈測(cè)試、頂板離層狀態(tài)監(jiān)測(cè)和錨桿（索）受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)應(yīng)在距掘進(jìn)工作面3～4 m范圍內(nèi)安設(shè)，為了避免受放炮及噴砼影響，在巷道頂部、肩部、幫部打0.6～0.8 m深的鉆孔，安設(shè)一根1 m錨桿并用半卷錨固劑進(jìn)行錨固，使測(cè)點(diǎn)堅(jiān)固穩(wěn)定不能脫落，基本不受現(xiàn)場(chǎng)放炮影響，底板以軌道面為準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 1號(hào)測(cè)點(diǎn)巷道變形觀測(cè)結(jié)果分析

1號(hào)測(cè)點(diǎn)布置時(shí)間為2月22號(hào)，到4月15號(hào)累計(jì)觀測(cè)46天，布置時(shí)距迎頭2～3 m，距離風(fēng)井360 m。由于巷道排矸影響，幫部點(diǎn)于2012.3.9開(kāi)始布置；移耙矸機(jī)后開(kāi)始布置底部測(cè)點(diǎn)并以軌道面為準(zhǔn)，底部測(cè)點(diǎn)也于2012.3.9開(kāi)始布置并連續(xù)觀測(cè)巷道底臌量。具體觀測(cè)情況如圖1、圖2曲線圖所示：

圖1 西回風(fēng)大巷1號(hào)測(cè)點(diǎn)巷道變形量曲線圖

圖2 西回風(fēng)大巷1號(hào)測(cè)點(diǎn)巷道左、右肩變形量對(duì)比曲線圖

1）從巷道左右肩變形量觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，1～10 d內(nèi)受工作面開(kāi)挖影響巷道變形處于劇烈變形階段，變形量達(dá)到 114 mm，平均 11.4 mm/d；10～25 d內(nèi)隨著支護(hù)體承載和耦合處于變形趨緩階段，變形量達(dá)到35 mm，平均2.3 mm/d；25 d以后支護(hù)體達(dá)到完全耦合處于穩(wěn)定變形階段，巷道左右肩變形幾乎沒(méi)有什么變化。在觀測(cè)的46 d內(nèi)肩部測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形量達(dá)到154 mm。

2）從頂板下沉量觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在1～10 d內(nèi)處于劇烈變形階段，變形量較大，總變形量達(dá)到65 mm，平均6.5 mm/d；10～25 d變形速度變慢處于變形趨緩階段，變形量達(dá)到16 mm，平均1.1 mm/d。25 d以后處于穩(wěn)定變形階段，頂板下沉量幾乎沒(méi)有變化。在觀測(cè)的46 d內(nèi)頂部測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉量91 mm。

3）由于左右?guī)筒键c(diǎn)較晚，巷道變形已基本趨于穩(wěn)定，因此巷道兩幫變形量不大，觀測(cè)的30 d內(nèi)變形量累計(jì)達(dá)到39 mm。

4）由于井下需要拉低移耙矸機(jī)后才能布置底部測(cè)點(diǎn)，布置底部測(cè)點(diǎn)較晚，在觀測(cè)的30 d內(nèi)底板底臌量達(dá)到51 mm，平均1.7 mm/d。

5）從巷道左、右肩變形量對(duì)比曲線可以看出，巷道左右肩變形曲線趨于一致；巷道左肩、右肩在1～10 d都屬于劇烈變形階段，相對(duì)來(lái)說(shuō)左肩變形量較大；10～25 d內(nèi)左右肩都進(jìn)入變形趨緩階段左肩平均1.3 mm/d，右肩平均1.1 mm/d，變形速度趨于一致；25 d后都進(jìn)入穩(wěn)定變形階段，觀測(cè)的46 d內(nèi)左肩總變形累計(jì)量達(dá)到81 mm，右肩總變形累積量達(dá)到73 mm，左右肩總變形量相差不大，說(shuō)明改進(jìn)后的不對(duì)稱(chēng)支護(hù)方式適應(yīng)了構(gòu)造應(yīng)力作用下滑動(dòng)破碎圍巖巷道的非對(duì)稱(chēng)變形，起到了很好的支護(hù)效果。

3.3 2號(hào)測(cè)點(diǎn)巷道變形觀測(cè)結(jié)果分析

2號(hào)測(cè)點(diǎn)布置時(shí)間為2月26號(hào)，到4月15號(hào)共累計(jì)觀測(cè)42 d，布置時(shí)距迎頭5 m左右，距離風(fēng)井380 m。由于矸石影響，幫部點(diǎn)和底部測(cè)點(diǎn)于2012年3月14日開(kāi)始布置。具體觀測(cè)情況如圖3、圖4曲線圖所示：

圖3 西回風(fēng)大巷2號(hào)測(cè)點(diǎn)巷道變形量曲線圖

1）從巷道左右肩變形量觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，1～12 d內(nèi)受工作面開(kāi)挖影響巷道變形處于劇烈變形階段，變形量達(dá)到120 mm，平均10 mm/d；12～25 d內(nèi)隨著支護(hù)體承載和耦合處于變形趨緩階段，變形量達(dá)到41 mm，平均2.9 mm/d；25 d以后支護(hù)體達(dá)到完全耦合處于穩(wěn)定變形階段，巷道左右肩變形幾乎沒(méi)有什么變化。在觀測(cè)的42 d內(nèi)肩部測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形量達(dá)到150 mm。

圖4 西回風(fēng)大巷2號(hào)測(cè)點(diǎn)巷道左、右肩變形量對(duì)比曲線圖

2）從頂板下沉量觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在1～10 d內(nèi)處于劇烈變形階段，變形量較大，總變形量達(dá)到47 mm，平均4.7 mm/d；10～25 d變形速度變慢處于變形趨緩階段，變形量達(dá)到12 mm，平均0.8 mm/d。25 d以后處于穩(wěn)定變形階段，頂板下沉量幾乎沒(méi)有變化。在觀測(cè)的42 d內(nèi)頂部測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉量78 mm。

3）由于左右?guī)筒键c(diǎn)較晚，巷道變形已基本趨于穩(wěn)定，因此巷道兩幫變形量不大，觀測(cè)的25 d內(nèi)變形量累計(jì)達(dá)到50 mm，平均2 mm/d。

4）由于井下需要拉低移耙矸機(jī)后才能布置底部測(cè)點(diǎn)，布置底部測(cè)點(diǎn)較晚，在觀測(cè)的25 d內(nèi)底板底臌量達(dá)到58 mm，平均2.3 mm/d。

5）從巷道左、右肩變形量對(duì)比曲線可以看出，巷道左、右肩變形曲線趨于一致；巷道左肩、右肩在1～12 d都處于劇烈變形階段，左肩相對(duì)變形量較大；12～25 d內(nèi)左右肩都進(jìn)入變形趨緩階段左肩平均0.9 mm/d，右肩平均0.9 mm/d，變形速度趨于一致；25 d后都進(jìn)入穩(wěn)定變形階段，觀測(cè)的42 d內(nèi)左肩總變形累計(jì)量達(dá)到83 mm，右肩總變形累積量達(dá)到67 mm，左右肩總變形量相差不大，說(shuō)明改進(jìn)后的不對(duì)稱(chēng)支護(hù)方式起到了很好的支護(hù)效果。

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1）巷道開(kāi)挖后1～10d處于變形劇烈階段，10～25 d處于變形趨緩階段，25 d以后逐漸進(jìn)入穩(wěn)定變形階段。

2）改進(jìn)后的支護(hù)方案巷道圍巖松動(dòng)圈內(nèi)巖體的破碎程度明顯好轉(zhuǎn)，淺部圍巖得到了很好的控制，增強(qiáng)了巖體的整體承載能力。

3）巷道頂部錨索和錨索錨桿之間沒(méi)有明顯離層現(xiàn)象發(fā)生，在錨桿控制的范圍之內(nèi)有約12 mm的離層現(xiàn)象發(fā)生，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4）改進(jìn)后的巷道布置和支護(hù)方式，能夠適應(yīng)滑動(dòng)破碎圍巖等地質(zhì)條件下巷道支護(hù)，能保證巷道的安全使用。

[1]奚家米.沿空掘巷合理煤柱寬度綜合分析與確定[J].煤田地質(zhì)與勘探，2008，36（4）：42-45.

[2]謝福星.大采高沿空掘巷小煤柱穩(wěn)定性分析及合理尺寸研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2010.

[3]王琳，李樹(shù)剛.沿空掘巷窄煤柱合理寬度確定[J].煤炭技術(shù)，2013，32（3）：86-88.

[4]梁興旺，王連國(guó).沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2007，27（2）：29-31.

[5]齊中立，柏建彪.沿空掘巷窄煤柱合理寬度研究與應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理，2009（2）：10-12.