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(lái)，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(wèn)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(wèn)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(guò)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)?？偟膩?lái)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(wú)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(lái)講，巷道的變形量?jī)H為180 mm，小于200 mm 的要求，說(shuō)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(wú)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(lái)講，巷道的變形量?jī)H為180 mm，小于200 mm 的要求，說(shuō)明此次支護(hù)方案可行且合理。