火成巖侵入區巷道支護技術探討

康松濤

（大同煤礦集團有限責任公司安監局 山西大同037003）

隨著我國煤礦開采強度與規模顯著增加，以及綜采放頂煤開采技術作為一種主要的高產高效開采方法得到大面積推廣應用，綜采放頂煤工作面要求回采巷道沿煤層底板掘進，巷道頂板是煤層，煤層相對于巖石比較松軟、破碎，顯著增加了巷道的支護難度。此外，隨著煤礦開采強度與產量的大幅度提高，要求的巷道斷面越來越大，給巷道的掘進與支護增加了一定的難度。隨著技術的進步，錨桿支護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用，顯著提高了巷道支護效果，降低了支護成本，為采煤工作面的快速推進，礦井實現高產高效創造了良好的條件[1-2]。但大同礦區石炭系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、高嶺質泥巖、砂質泥巖和炭質泥巖，局部為細粒砂巖或粉砂巖，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，受熱而發生變質、硅化，使煤質疏松易碎、易片幫。巷道沿煤層底板施工，受火成巖侵入體的影響，經常導致頂煤垮落，錨桿錨索錨固困難，極難維護。急需進行受火成巖影響條件的巷道支護研究，為煤礦巷道支護的科學決策提供依據，從而保證采掘工作的正常進行。

1 現場工程技術概況

以永定區煤業公司盤區皮帶巷為研究對象，巷道沿煤層地板掘進，由于服務年限較長，巷道設計為半圓拱形斷面，掘寬4.3 m、凈寬4 m，掘高3.45 m、凈高3.3 m。火成巖床侵入幾乎占據整個區域，基本為串珠狀交錯侵入，對煤層破壞較大，致使有益煤層厚度變為4.0 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，結構致密，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，長石為主，分選性差，孔隙含水，直接頂為粉砂質泥巖、粉砂巖，厚度為2.18 m，參差狀斷口，含石英，泥質膠結，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或硅化，煤層結構趨于復雜化，上部煤層結構疏松、易碎[3]。

2 巷道支護的數值模擬研究

2.1 模擬方案的制定

對巷道基本支護形式進行數值模擬計算和優化。數值計算采用FLAC3D有限差分軟件進行模擬，模擬采用的兩種支護方案分別為：方案一：錨桿間距0.8 m，排距0.7 m，長度2.2 m；錨索長度8 m，間排距為1.6 m×1.4 m。幫錨桿長度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，長度2.4 m；錨索長度6 m，間排距為1.6 m×1.7 m。幫錨桿長度2.0 m，間排距0.8 m×0.85 m。

2.2 模擬計算結果分析

在巷道施工過程中，巷道頂底板位移量的監測，對巷道安全施工非常關鍵，同時也是對支護設計的最直接檢驗。考慮到實際工程進展和施工工藝，結合數值模型的邊界條件與現實情況的差別，選擇模型中巷道中段y=50 m處圍巖為研究對象，記錄該段每天的頂底板移近量。在巷道施工過程中，兩幫收斂量的監測，對巷道安全施工亦非常關鍵，同樣，選擇模型中巷道中段y=50 m處圍巖為研究對象，記錄該段每天的兩幫收斂量。模擬的頂底板移近量曲線如圖1所示，巷道兩幫收斂曲線如圖2所示。

圖1數值模擬的頂底板移近量曲線

圖2數值模擬的巷道兩幫收斂曲線

從頂底板移近量曲線可以發現，頂底板移近量從開始監測就基本上是按線性變化的；開始時掘進施工對巷道的頂底板位移有較大影響，隨著掘進面往遠處推進這種影響也越來越弱，然后逐漸趨于穩定。模擬的結果顯示，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現，短時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，隨著時間的推移，可能出現由影響范圍向影響程度的轉化，這種影響趨勢不利于巷道的長久穩定。

3 現場支護方案的確定及效果分析

3.1 現場實際支護及檢測方案

根據模擬研究的結果最終選擇方案1為現場實際采用的支護方案，即：錨桿間距0.8 m，排距0.7 m，長度2.2 m；錨索長度8 m，間排距為1.6 m×1.4 m。幫錨桿長度2.0 m，間排距0.8 m×0.7 m，為解決火成巖侵入區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現場實際支護方案圖

為檢驗支護效果，在巷道試驗段設置1～5#測站，進行巷道表面位移觀測、巷道頂板離層的監測及錨桿、錨索受力監測和圍巖深部位移監測，重點檢測頂底板移近量和兩幫移近量，各測站間距為30 m。

3.2 檢測結果分析

把五個測站的數據進行整合，將監測結果進行分析研究。檢測的巷道頂底板移近量曲線和巷道兩幫收斂變形曲線如圖4所示。

圖4現場檢測結果分析圖

從圖中可以看出在現有支護方式下，巷道頂底板移近量曲線下降比較平緩，所代表的頂底板相對距離變化比較小，收斂速度較慢。巷道在一個多月的監測過程中，巷道頂底板平均移近速度為3.994 mm/d，巷道兩幫平均收斂速度為1.562 mm/d。檢測結果表明，在此支護方式下，巷道變形受采動影響較小，能夠達到有效控制回采巷道變形和破壞的效果，設計方案較成功。

4 結論

通過上述研究，得到了以下結論：

（1）大同石炭系煤層受火成巖侵入影響，條件極其復雜，靠傳統的支護方法難以取得較好的效果，必須針對性的進行研究，才能得到滿意的結果。

（2）采用數值模擬研究得出的支護方案，在實際應用中得到了較好的驗證，在今后的實際中，可加大數值模擬的應用，為現場的生產提供依據。