基于圍巖分類結(jié)果煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

趙文生

（陽(yáng)泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045060）

1 工程概況

燕龕煤炭有限責(zé)任公司程莊煤礦現(xiàn)開采的15#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單～復(fù)雜，15#煤層頂?shù)装鍘r性特征如圖1 所示。15310 工作面煤層厚度為6.5～8.65m，平均厚度為6.8m，為三采區(qū)北翼第五個(gè)工作面，埋藏深度304.6～376.8m。工作面東部為15308 設(shè)計(jì)工作面，西部為15312 設(shè)計(jì)工作面實(shí)體煤，南部為15#煤層主要大巷，北部為山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)盂縣恒泰皇后煤業(yè)有限公司，15310 工作面停掘位置距程莊煤礦礦界20m。采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，回采巷道受到采動(dòng)影響劇烈，為確保巷道服務(wù)期間圍巖的穩(wěn)定性，以15310 進(jìn)風(fēng)順槽的掘進(jìn)為背景展開研究。

2 15310 工作面巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

2.1 水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量

為具體了解程莊煤礦15310 進(jìn)風(fēng)順槽圍巖地應(yīng)力的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)在15310 工作面臨近的15308 進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)。采用SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)記錄圍巖壓裂過程中的壓力隨時(shí)間的變化，根據(jù)測(cè)到的水力壓裂曲線分析得到圍巖的破裂壓力、重張壓力和瞬時(shí)關(guān)閉壓力[1-2]，通過相應(yīng)的公式換算得到圍巖的最大、最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力，結(jié)合電子指南針北向與印模器基線夾角，計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)各個(gè)應(yīng)力的方向。本次測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置在15308 工作面進(jìn)風(fēng)順槽150m 處，水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如圖2 和表1 所示，壓裂鉆孔距離巷道底板1.1m，測(cè)試位置距孔口13.7m。

第一測(cè)點(diǎn)水力壓裂曲線經(jīng)水壓致裂數(shù)據(jù)處理軟件分析計(jì)算得出：破裂壓力：Pb=10.61MPa；重張壓力：Pr=6.81MPa；瞬時(shí)關(guān)閉壓力：Ps=5.66MPa。

水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試段埋深約為370.2m，由此可計(jì)算出：最大水平主應(yīng)力：σH=9.83MPa；最小水平主應(yīng)力：σh=5.49MPa；垂直主應(yīng)力：

σv=9.25MPa。

圖 1 15#煤層頂?shù)装鍘r性特征

圖 2 測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力定向結(jié)果（北偏東40.0°）

表1 程莊煤礦水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

2.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試結(jié)束后，在測(cè)試鉆孔內(nèi)安裝WQCZ-56 型圍巖強(qiáng)度測(cè)試儀[3]，對(duì)巷幫深度10m 范圍內(nèi)煤體的強(qiáng)度進(jìn)行了原位測(cè)試，并在測(cè)點(diǎn)附近對(duì)頂板施工鉆孔，對(duì)頂板上方10m 范圍內(nèi)巖體的原位強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。通過對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的整理、換算，得到15308 進(jìn)風(fēng)順槽頂板和煤幫煤巖體的強(qiáng)度隨深度的變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3（a）所示結(jié)果為巷道幫部煤體強(qiáng)度隨深度變化曲線，可以看出，巷幫淺部（0～2m）煤體強(qiáng)度較低，深度大于2m 后煤體的強(qiáng)度存在較小的波動(dòng)，總體而言幫部煤體的強(qiáng)度平均約為12.55MPa。圖3（b）所示結(jié)果為巷道頂板煤巖體強(qiáng)度隨鉆孔深度的變化，可以看出，巷道上部首先為厚度約為4.0m的煤體，頂板煤體強(qiáng)度約為11.23MPa，上部各個(gè)巖層的平均強(qiáng)度已在圖中標(biāo)注。從測(cè)試結(jié)果分析，15308 進(jìn)風(fēng)順槽150m 處頂板10m 范圍內(nèi)與錨桿錨索支護(hù)直接相關(guān)的煤巖體巖性主要為預(yù)留頂煤、泥巖、石灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖。根據(jù)以上研究結(jié)果表明，測(cè)點(diǎn)附近巷道圍巖內(nèi)最大水平主應(yīng)力為9.83MPa，最小水平主應(yīng)力值為5.49MPa，垂直應(yīng)力值為9.25MPa，按照相關(guān)地應(yīng)力量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0～10MPa 為低應(yīng)力區(qū)[4]，由此可知，15308 進(jìn)風(fēng)順槽圍巖的應(yīng)力在量值上屬于低應(yīng)力值區(qū)域。

圖 3 圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

3 圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)設(shè)計(jì)

15310 工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)斷面尺寸寬5.0m，高3.3m，矩形斷面。15310 工作面進(jìn)風(fēng)順槽在15#煤層北回風(fēng)大巷開口處至60m 處的范圍內(nèi)，沿15#煤層頂板掘進(jìn)，再以俯角7°掘進(jìn)20m，改為沿15#煤層底板掘進(jìn)，直至開切眼處。參考臨近的15308進(jìn)風(fēng)順槽地應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度測(cè)試的結(jié)果，并充分考慮掘進(jìn)面平均留4m 頂煤這一現(xiàn)狀，對(duì)15310 工作面進(jìn)風(fēng)順槽圍巖進(jìn)行了分類，分類結(jié)果為Ⅳ級(jí)，為不穩(wěn)定圍巖。根據(jù)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范推薦的Ⅳ類巷道錨桿支護(hù)基本形式為：錨桿+W 鋼帶+網(wǎng)，或增加錨索+桁架+網(wǎng)。

15310 進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)斷面尺寸為寬5.0m，高3.3m，設(shè)計(jì)其支護(hù)方式：W 鋼帶+錨桿+錨索+網(wǎng)。頂板支護(hù)：錨桿采用Ф22×2400mm 左旋螺紋鋼，材料為25#錳鋼，頂錨桿鉆孔深度2350mm，錨固劑為K2360 樹脂藥卷一支，間排距為1100mm×1000mm，最外側(cè)的錨桿距離巷幫300mm，每排五根錨桿，沿豎直方向施工，預(yù)緊扭矩不小于200N·m，錨桿采用10mm 厚的穹形托盤，頂板錨桿間采用W 型鋼帶連接，鋼帶型號(hào)為BHW-280-4-4700。頂板錨索規(guī)格為Ф21.6×7200mm，錨索鉆孔深度為7000mm，錨索間距為1600mm，排距為2000mm，采用“二二”布置，兩根錨索均垂直頂板施工，沿巷道中心線對(duì)稱布置，距離巷幫1700mm，錨固劑為K23120 樹脂藥卷和Z2360 樹脂藥卷各一支，錨索托盤采用厚14mm 的穹形托盤，預(yù)緊力不小于250kN。幫部支護(hù)：錨桿桿體采用規(guī)格為Ф18×2400mm 左旋螺紋鋼，錨桿間距為900mm，排距為1000mm，每排4 根錨桿均垂直巷幫施工，錨固劑采用K2360 樹脂藥卷一支，最上部錨桿距離巷道頂板300mm。金屬網(wǎng)：12#鐵絲編制的網(wǎng)孔為40mm 的菱形網(wǎng)，用14#鉛絲連接，每隔100mm 聯(lián)網(wǎng)兩道。15310 回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間支護(hù)詳情如圖4 所示。

圖 4 15310 進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)詳情

4 應(yīng)用效果分析

采用上述支護(hù)方案對(duì)15310 進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)行掘進(jìn)，在巷道掘進(jìn)初期采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道表面的位移情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。共布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距20m，共進(jìn)行為期90d 的巷道表面位移監(jiān)測(cè)，整理得到巷道表面位移曲線如圖5 所示。由圖可知，巷道成巷初期圍巖位移量不大，成巷10～30d 內(nèi)，巷道表面位移增長(zhǎng)速度最快，成巷約50d 后，巷道表面的位移量趨于穩(wěn)定。三個(gè)測(cè)點(diǎn)中，1#測(cè)點(diǎn)頂板下沉量最大，最終穩(wěn)定在75mm以下，2#測(cè)站兩幫移近量最大，最終穩(wěn)定在150mm 以下?？傮w而言，掘進(jìn)期間巷道表面位移量很小，圍巖穩(wěn)定性良好，取得了良好的應(yīng)用效果。

圖 5 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

通過對(duì)臨近15308 進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量和圍巖強(qiáng)度測(cè)試獲知，圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力為9.25MPa，幫部煤體強(qiáng)度平均值為12.55MPa，頂板預(yù)留頂煤強(qiáng)度平均值為11.23MPa。據(jù)此對(duì)15310 進(jìn)風(fēng)順槽圍巖進(jìn)行了分類，分類結(jié)果為Ⅳ級(jí)，為不穩(wěn)定圍巖。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，設(shè)計(jì)了W 鋼帶+錨桿+錨索+金屬網(wǎng)支護(hù)方式，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，頂板下沉量最終穩(wěn)定在75mm 以下，兩幫移近量最終穩(wěn)定在150mm 以下，取得了良好的圍巖效果。