煤礦巷道圍巖變形實(shí)測(cè)分析及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

吳力超

（山西省能源職業(yè)學(xué)校， 山西 太原 030006）

0 引言

煤礦生產(chǎn)的安全性在很大程度上受制于對(duì)工作面頂板的管理效果，即對(duì)工作面圍巖的控制效果直接決定生產(chǎn)的效率。多年來，煤礦軟巖巷道由非均勻質(zhì)地的巖體組成，在實(shí)際生產(chǎn)中其對(duì)應(yīng)的巷道變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致工作面出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的離層和失穩(wěn)問題，進(jìn)而造成對(duì)巷道嚴(yán)重的破壞。目前，針對(duì)煤礦軟巖巷道的支護(hù)雖然取得了一定的成果，但是仍然存在成本高、維護(hù)費(fèi)用高以及返修工作量大的問題，主要以軟巖巷道工作面為實(shí)例開展系列研究，對(duì)其支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 支護(hù)現(xiàn)狀分析

11011 回采巷道為某煤礦首采面的巷道，該回采巷道的頂?shù)装鍡l件總結(jié)如下：11011 回采巷道頂板巖層的主要成分為泥巖和砂質(zhì)泥巖，巖層的最大厚度為13.20 m；同時(shí)，在頂板巖層中夾雜碳質(zhì)泥巖，視為偽頂。11011 回采巷道底板巖層主要成分為砂巖，并在砂巖中含有部分泥巖和砂質(zhì)泥巖。

整個(gè)巷道斷面形狀呈現(xiàn)為梯形。目前，巷道在工字鋼對(duì)棚支護(hù)的基礎(chǔ)上采用錨桿和錨索進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，具體支護(hù)參數(shù)如下：

錨桿采用直徑為18 mm、長(zhǎng)度為2 100 mm 的麻花錨桿，錨桿間距為700 mm、間排距為700 mm；錨索采用直徑為15.24 mm、長(zhǎng)度為8 m 的高強(qiáng)度低松弛的鋼絞線，錨索量長(zhǎng)度為3.6 m[1-2]。為真實(shí)掌握上述支護(hù)參數(shù)下對(duì)應(yīng)巷道圍巖的控制效果，分別對(duì)巷道兩幫移近量和頂板下沉量進(jìn)行測(cè)量。

針對(duì)11011 回采巷道當(dāng)前支護(hù)狀態(tài)下巷道圍巖兩幫移近量和頂板下沉量的觀測(cè)需求，本工程采用十字交叉法對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置，如圖1 所示。

圖1 兩幫移近量觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖

如圖1 所示，巷道內(nèi)共設(shè)置有5 組觀測(cè)點(diǎn)，每間隔10 m 設(shè)置一排監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

本次監(jiān)測(cè)對(duì)每個(gè)觀測(cè)位置的最大位移值進(jìn)行記錄，觀測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 巷道圍巖兩幫移近量 單位：cm

2 巷道支護(hù)方案的設(shè)計(jì)及工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)當(dāng)前11011 回采巷道當(dāng)前支護(hù)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的兩幫移近量和頂板下沉量的觀測(cè)結(jié)果，對(duì)巷道的支護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)，以進(jìn)一步提升對(duì)巷道圍巖的控制效果，進(jìn)而保證工作面的生產(chǎn)效率[3]。

2.1 巷道支護(hù)原則

1）對(duì)巷道進(jìn)行有效支護(hù)后，其圍巖狀態(tài)處于彈塑性變形狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的巷道斷面收縮率很小。

2）由于巷道的斷面收縮性小，則對(duì)應(yīng)的巷道斷面變形非常小，即斷面形狀幾乎不會(huì)被改變，從而保證斷面具有較高的利用率。

3）對(duì)巷道進(jìn)行有效支護(hù)后，在實(shí)際生產(chǎn)過程中不會(huì)造成沖擊載荷導(dǎo)致液壓支架受力不均勻等局面，從而確保液壓支架的穩(wěn)定工作。

4）支護(hù)完成后，當(dāng)工作面載荷不發(fā)生突變的工況下不會(huì)對(duì)引起變形現(xiàn)象，即可長(zhǎng)時(shí)間保證穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合11011 工作面煤層所屬三軟煤層，其頂板巖層的強(qiáng)度較小而且呈現(xiàn)裂隙發(fā)育狀態(tài)。總的來講，11011 工作面頂板的管理相對(duì)困難；同時(shí)，考慮到工作面煤層的強(qiáng)度較小且煤層厚度變化范圍大。綜合上述因素，11011 工作面煤層在開采時(shí)期容易受到礦壓沖擊性的影響。因此，需要對(duì)11011 工作面回采巷道根據(jù)不同位置所承受的沖擊性傾向大小和煤層厚度選擇靈活的支護(hù)方案，具體如下：

1）當(dāng)工作面煤層開采時(shí)所承受的沖擊性傾向明顯時(shí)應(yīng)采用O 型棚進(jìn)行支護(hù)，并沿著巷道頂部進(jìn)行掘進(jìn)開采；本工程對(duì)應(yīng)O 型棚支護(hù)在巷道內(nèi)的實(shí)施長(zhǎng)度為15 m，支護(hù)示意如圖2 所示。

圖2 O 型棚支護(hù)示意圖（單位：mm）

2）當(dāng)工作面煤層開采時(shí)所承受的沖擊性傾向不太明顯時(shí)應(yīng)采用外扎腿U 型棚進(jìn)行支護(hù)，并沿著巷道煤層中部進(jìn)行掘進(jìn)開采，支護(hù)示意如圖3所示。

圖3 U 型棚支護(hù)示意圖（單位：mm）

3）當(dāng)所屬區(qū)域煤層厚度較大且其所承受的沖擊性傾向不明顯或者無沖擊性傾向時(shí)應(yīng)采用微拱工字鋼對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，并沿著巷道煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)，可極大提升掘進(jìn)速度的同時(shí)，降低支護(hù)成本。

本工程O 型棚和U 型棚支護(hù)采用的主材料均為U36 型鋼。

3 巷道圍巖支護(hù)效果觀測(cè)結(jié)果

本章對(duì)采用靈活支護(hù)方式后對(duì)工作面圍巖的控制效果進(jìn)行觀測(cè)，重點(diǎn)對(duì)頂板下沉量和兩幫移近量進(jìn)行觀測(cè)。由于O 型棚支護(hù)方案對(duì)應(yīng)在巷道施工的長(zhǎng)度僅為15 m。因此，重點(diǎn)對(duì)U 型棚支護(hù)方式下對(duì)應(yīng)巷道兩幫移近量和頂板下沉量進(jìn)行觀測(cè)。同樣，在本次觀測(cè)中采用十字交叉法對(duì)觀測(cè)站進(jìn)行布置，分別在巷道頂板、底板、左右兩幫各布置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)結(jié)果分析如圖4 所示。

圖4 圍巖控制效果

如圖4 所示，對(duì)于巷道兩幫移近量而言，在支護(hù)方案實(shí)施大約5 d 后，巷道變形趨于穩(wěn)定，而且變形量均小于10 mm/d；對(duì)于頂板下沉量而言，在支護(hù)方案實(shí)施6 d 內(nèi)巷道的頂板下沉速率較大，在第7 天后巷道的下沉速度減小，即變形量非常小。

對(duì)11011 回采巷道采用靈活支護(hù)方案后可其頂板和兩幫的圍巖控制效果非常好；整體來講，巷道的變形量?jī)H為180 mm，小于200 mm 的要求，說明此次支護(hù)方案可行且合理。

4 結(jié)論

1）當(dāng)工作面煤層開采時(shí)所承受的沖擊性傾向明顯時(shí)應(yīng)采用O 型棚進(jìn)行支護(hù)，并沿著巷道頂部進(jìn)行掘進(jìn)開采；當(dāng)工作面煤層開采時(shí)所承受的沖擊性傾向不太明顯時(shí)應(yīng)采用外扎腿U 型棚進(jìn)行支護(hù)，并沿著巷道煤層中部進(jìn)行掘進(jìn)開采；當(dāng)所屬區(qū)域煤層厚度較大且其所承受的沖擊性傾向不明顯或者無沖擊性傾向時(shí)應(yīng)采用微拱工字鋼對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，并沿著巷道煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)。

2）以U 型棚支護(hù)方案為例對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行觀測(cè)，表明對(duì)11011 回采巷道采用靈活支護(hù)方案后可其頂板和兩幫的圍巖控制效果非常好；整體來講，巷道的變形量?jī)H為180 mm，小于200 mm 的要求，說明此次支護(hù)方案可行且合理。