霍爾辛赫煤礦3 號煤層皮帶巷支護優(yōu)化分析

史 東 鑫

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西長治046600）

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦3 號煤層，下距9 號煤層55.72～79.70m,平均58.04m.煤層厚度4.49～7.17m，平均5.65m，結(jié)構(gòu)較簡單，含0～2 夾矸，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖，底板為黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖，巷道原支護采用“錨桿+U 型鋼”支護，原支護斷面見圖1 所示。巷道在采用原支護方式后，在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)了明顯的變形破壞，雖然進行了多次返修，但從巷道在返修后，在較短的時間內(nèi)仍舊出現(xiàn)了較大的變形，嚴(yán)重影響到巷道正常使用。

圖1 3 號煤層皮帶巷原支護設(shè)計圖

2 3 號煤層皮帶巷變形破壞特征

為深入掌握3 號煤層皮帶巷出現(xiàn)的變形破壞情況，對3 號煤層皮帶巷出現(xiàn)的變形破壞情況進行了現(xiàn)場勘查，得到巷道變形情況特征主要為：

2.1 巷道圍巖自穩(wěn)時間非常短

在3 號煤層皮帶巷開掘后，從巷道暴露到出現(xiàn)大面積的變形破壞，間隔的時間非常短，部分情況下出現(xiàn)了在巷道沒有得到及時支護時，巷道斷面就出現(xiàn)了急劇縮小。這表明，巷道在掘進之后，整體的圍巖結(jié)構(gòu)受到了較大的破壞，特別是巷道來壓相對較快，給巷道的穩(wěn)定性帶來較大的威脅。

2.2 巷道圍巖流變性非常顯著

從現(xiàn)場觀測情況來看，皮帶巷距離巷道表層的5m 范圍內(nèi)甚至更深的位置均出現(xiàn)了明顯的位移，表現(xiàn)出明顯的流變，同時不斷向深部擴展。在巷道掘進后，圍巖趨于穩(wěn)定的時間非常長，甚至超過了30d，由于巷道表現(xiàn)出明顯的流變性，導(dǎo)致巷道多次拉底。

2.3 巷道圍巖整體收斂速度非常快

從現(xiàn)場觀察情況來看，頂板與底板的相對移近量明顯超過了兩幫的相對移近量，特別是底板鼓起的問題非常嚴(yán)重，整個巷道表現(xiàn)出全斷面的收斂變形。觀測表明，皮帶巷圍巖變形規(guī)律為：頂板和底板的相對移近量平均為兩幫收斂量的2 倍以上，頂板也出現(xiàn)了明顯的離層問題，部分鋼架在支護過程中也出現(xiàn)了斷裂實效。分別見圖2（a）（b）所示。

圖2 3 號煤層皮帶巷現(xiàn)場變形破壞圖

3 3 號煤層皮帶巷變形破壞原因

通過現(xiàn)場勘查和理論分析，認(rèn)為導(dǎo)致皮帶巷出現(xiàn)大變形破壞的主要原因有如下幾個方面：

首先，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。從現(xiàn)場勘查情況來看，皮帶巷所處煤層缺失、變薄相對較多，形態(tài)變化較大。同時，從巖性分析來看，圍巖泥巖成分含量較高，包含有較多的膨脹性黏土礦物，例如，高嶺石、蒙脫石的含量明顯較高，這類巖石容易出現(xiàn)風(fēng)化潮解的問題，特別是水穩(wěn)定性較差。在巷道的頂板、底板及煤層中均含有較多的泥質(zhì)巖體，流變性特性非常突出。同時，通過對巖樣進行單軸抗壓試驗來看，圍巖單軸抗壓強度在3～5MPa，這表明圍巖單軸抗壓強度偏低，自承能力較弱，這是導(dǎo)致巷道出現(xiàn)大面積變形破壞的主要原因。

其次，巷道原支護并未形成完整的承載結(jié)構(gòu)。從原支護設(shè)計來看，整個設(shè)計屬于開放式支護結(jié)構(gòu)，底板處于敞開狀態(tài)。同時，原支護下錨桿支護體和U 型鋼支護并沒有實現(xiàn)支護耦合，并沒有形成“圍巖+支護體”形成的完整支護結(jié)構(gòu)，整個支護體系的整體支護效能不能較好發(fā)揮。

第三，圍巖承載能力并為充分發(fā)揮。在對軟巖巷道進行支護時，需要最大限度的提升巷道圍巖松動圈的殘余強度，將圍巖的承載能力充分發(fā)揮出來。但從皮帶巷原有支護情況來看，僅僅在巷道的頂板與兩幫進行了錨桿支護，所支護的范圍也僅僅是巷道的淺部，深部穩(wěn)定圍巖對淺部圍巖的穩(wěn)定作用并沒有充分發(fā)揮出來，這也是導(dǎo)致巷道頂板出現(xiàn)大范圍離層的主要原因。

4 3 號煤層皮帶巷返修支護分析

結(jié)合3 號煤層皮帶巷所處地質(zhì)條件，為最大限度提升圍巖自承能力和支護的整體性，本次返修設(shè)計采用“錨網(wǎng)索+U 型鋼+柔性層”組成的復(fù)合支護方案，設(shè)計返修支護方案見圖3 所示。

圖3 皮帶巷返修支護示意圖

返修支護機理和具體支護方案為：

1）全斷面進行錨桿支護，選擇使用φ22mm×2 400mm 的高強度錨桿，對原支護方案2 000mm 的錨桿進行了針對性的加長，在巷道的淺部形成范圍更大、支護能力更強的淺部圍巖承載結(jié)構(gòu)。同時，設(shè)計全斷面支護的方式，有效克服原支護中底板處于敞開支護狀態(tài)存在的弊端。設(shè)置錨桿預(yù)緊力150kN。設(shè)計采用W 型鋼帶對錨桿進行連接，托盤選擇使用高強度拱形托盤。錨桿間排距設(shè)計為800mm×800mm。

2）全斷面錨索支護。針對原支護設(shè)計中深部穩(wěn)定圍巖在支護中的作用未充分發(fā)揮出來的實際，在返修支護設(shè)計時，在全斷面增加錨索支護，參數(shù)為φ22mm×7300mm，其中，頂板錨索的間距設(shè)計為1.5m，排距設(shè)計為2.4m。同時，在巷道的2 個底角的位置設(shè)計打設(shè)45°錨索，主要是為了將兩幫對底板帶來的壓力有效切斷，降低底板鼓起量。

3）U 型鋼支護。返修支護時，選擇使用U36 型鋼，在型鋼與型鋼之間選擇使用螺桿式卡纜連接，并使用強力拉板將各個支架連接在一起，全面提升支護結(jié)構(gòu)的整體性，設(shè)計支架之間的間距為800mm。

4）柔性層施工。在原支護設(shè)計中，U 型鋼和錨桿支護體之間存在較大的空隙，不均勻支護的問題明顯，在返修支護時，設(shè)計在U 型鋼支架和錨網(wǎng)索支護體之間，加入厚度在60mm 的柔性墊板，主要材質(zhì)為超高分子聚乙烯板。通過將柔性層加入，不僅能較好增強支護體的整體性，同時也給巷道的變形提出了一定的空間，達(dá)到了“先讓后抗、主動支護”的效果。

5 3 號煤層皮帶巷返修支護效果分析

在返修方案實施后，選擇使用“十字交叉法”對巷道返修情況進行了監(jiān)測，得到了巷道變形曲線見圖4所示。

圖4 皮帶巷返修支護圍巖變形曲線

從圖4 可知，在返修方案實施后，巷道圍巖整體取得了較好的支護控制效果，巷道頂板下沉量、底板鼓起量及兩幫收斂量等均相對于先前有了明顯的降低，這表明返修支護方案實現(xiàn)了對巷道穩(wěn)定性的較好控制。

6 結(jié)束語

1）從深部巷道支護實踐來看，在淺部巷道支護中能夠取得較好支護效果的支護方案，在深部巷道支護時，表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)性，支護效果較差。

2）深部巷道支護需充分考慮巷道所處的復(fù)雜地質(zhì)條件、圍巖巖性、支護體之間的耦合性等因素，特別是考慮“工程軟巖”條件下，應(yīng)當(dāng)充分調(diào)動深部巷道圍巖與支護體形成一個完整的支護結(jié)構(gòu)，全面提升支護整體性，才能更好滿足深部巷道支護要求。