裴 暉

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300）

在我國煤礦開采實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的過程中，厚煤層開采的重要性不言而喻，目前厚煤層的產(chǎn)量、儲量在全國煤炭的產(chǎn)、儲量中所占的百分比高達(dá)40%～50%[1-3]，占據(jù)了我國煤炭生產(chǎn)的半壁江山。為了便于巷道掘進(jìn)，開采設(shè)計(jì)的采區(qū)巷道及回采巷道多布置在煤層中，這可以實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)、早出煤炭、降低成本等優(yōu)勢，且為了實(shí)現(xiàn)巷道的設(shè)備運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等功能，巷道跨度也逐漸增大。而大跨度的區(qū)段平巷，因采掘應(yīng)力擾動、煤體圍巖、斷面較大等不利因素，造成巷道圍巖控制及支護(hù)困難，后期的巷道維護(hù)及維修工作量大，不利于高產(chǎn)高效產(chǎn)能的釋放。針對某礦厚煤層大斷面回采煤巷的支護(hù)難點(diǎn)進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究其巷道寬度對圍巖變形及破壞的影響，進(jìn)而設(shè)計(jì)合理支護(hù)方案，并進(jìn)行支護(hù)效果后期觀測。

1 現(xiàn)場調(diào)研及圍巖破壞機(jī)理

研究過程中調(diào)研了該礦5201工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件，并進(jìn)行了煤巖樣的采集測試及巖性評價，得出該工作面直接頂為砂質(zhì)頁巖巖性，厚度平均1.6 m，層理發(fā)育，巖性較弱；老頂為中粗砂巖巖性，厚度5～8 m，較致密堅(jiān)硬。5201工作面主采煤層平均達(dá)8.5 m，位于井下埋深約215～250m，煤層傾角近水平，運(yùn)輸平巷為矩形巷道，沿煤層底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)寬5.3m，高3.3 m，巷道斷面17.49 m2，為典型大斷面煤巷，且其巷道掘進(jìn)后的煤頂厚度平均達(dá)5.2 m，對支護(hù)影響較大。

通過文獻(xiàn)檢索及分析[4-6]，巷道開挖后，淺部的圍巖會發(fā)生一定程度的變形破壞，圍巖應(yīng)力繼而向深部轉(zhuǎn)移。巷道頂板變形破壞和巷道寬度的關(guān)系，呈四次方成正比關(guān)系，隨著巷道寬度的增大，巷道頂板中部區(qū)域會由于發(fā)生彎沉變形而受拉，裂隙逐漸發(fā)育，并發(fā)生拉裂破壞。分析巷道頂板變形及破壞機(jī)理，厚煤頂大跨度巷道，當(dāng)巷道掘進(jìn)后，巷道變形及破壞過程基本是先發(fā)生離層，再彎沉變形，然后煤體破斷并發(fā)展碎裂，失去自穩(wěn)強(qiáng)度，巷道頂板離層一般發(fā)生在具有不同剛度性質(zhì)的巖層結(jié)合面上，離層發(fā)展到一定程度，彎沉的巖層中部逐漸受拉，裂隙發(fā)育并逐漸破碎，而破壞點(diǎn)往往先發(fā)生在原生裂隙處、軟弱夾層處，并逐步向圍巖深處發(fā)展，破壞了頂板的整體結(jié)構(gòu)，需要借助外界的支護(hù)來維持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如果使用的錨桿索錨固深度不足、或者間排距過大，就容易造成支護(hù)失效而發(fā)生冒頂。

2 巷道跨度對圍巖控制影響

本次數(shù)值模擬根據(jù)5201運(yùn)輸平巷的具體地質(zhì)參數(shù)及圍巖條件參數(shù)建立FLAC 3D的數(shù)值模型，本礦井煤層為近水平煤層，在對現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行簡化和抽象的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)數(shù)值模擬模型為水平模型，盡量規(guī)避無關(guān)因素的影響。模擬計(jì)算中，煤巖體和機(jī)理的物理、幾何參數(shù)是在現(xiàn)場的原巖參數(shù)的基礎(chǔ)上確定的。共設(shè)計(jì)巷道寬度分別為4.5 m、5.5 m、6.5 m、7.5 m的4個數(shù)值模擬方案，巷道高度均設(shè)計(jì)為3.5 m。在模擬過程中在頂?shù)装寮皟蓭椭胁贾脺y線對其位移進(jìn)行監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)，分別統(tǒng)計(jì)其頂板下沉量和兩幫移近量，作圖如下頁圖1所示，分別統(tǒng)計(jì)其圍巖塑性區(qū)發(fā)展破壞情況，作圖如下頁圖2所示。

分析不同巷道寬度巷道圍巖變形曲線可知:隨著巷道寬度增加，巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平烤试鲩L趨勢，當(dāng)巷道寬度為4.5m時，頂板下沉量為155 mm，當(dāng)巷道寬度為5.5 m時，頂板下沉量增大到186 mm，當(dāng)巷道寬度為6.5 m時，頂板下沉量迅速增大到231 mm，當(dāng)巷道寬度為7.5 m時，頂板下沉量更是達(dá)到280 mm，頂板下沉量受巷道寬度的影響較大，尤其是在巷道寬度超過5.5 m時，變化速率更快，而巷道兩幫移近量則隨寬度的增大而逐漸增大，變化速率基本一致。分析不同巷道寬度圍巖塑性區(qū)變化曲線可知，隨巷道寬度增加，巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)展破壞范圍逐漸增大，且頂板的破壞發(fā)展程度更快，塑性區(qū)呈明顯的“拱形”分布，且巷道頂板表面多發(fā)生拉破壞，而深部圍巖則多出現(xiàn)剪破壞，且巷道頂板發(fā)生的拉破壞面積及破壞深度均隨巷道寬度的增大而增大。

圖1 不同巷道寬度巷道圍巖變形曲線

圖2 不同巷道寬度圍巖塑性區(qū)變化曲線

3 圍巖控制對策

根據(jù)以上文獻(xiàn)檢索分析及數(shù)值模擬結(jié)果，得出大斷面煤巷掘進(jìn)后，頂板的塑性變形及破壞發(fā)展程度較大，應(yīng)在巷道掘進(jìn)初期及時支護(hù)，充分利用深部圍巖的自穩(wěn)能力。巷道兩幫煤體破壞深度為1.48 m，巷道頂板冒落高度為4.65 m。并結(jié)合巷道支護(hù)設(shè)計(jì)理念，建議設(shè)計(jì)頂板支護(hù)錨索長度為7 m，排距為3 m；頂板錨桿支護(hù)數(shù)為7根，長度為2 m。

具體支護(hù)方案設(shè)計(jì)為:頂板錨桿長為2 000 mm，直徑為18 mm間、排距為800 mm×1 000 mm，錨固力不小于80 kN/根；實(shí)體煤幫錨桿長為2 000 mm，直徑18 mm，每排3根；回采側(cè)煤幫錨桿長為1800mm，直徑為18 mm，玻璃鋼錨桿，每排3根，間、排距均為1 000 mm×1 000 mm，錨固力不小于 80 kN/根；頂部平行布置兩排預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，長度為7 300 mm，直徑為15.24 mm，間排距為2 400 mm×3 000 mm，使用三卷錨固劑端頭錨固。錨索必須錨固在頂部堅(jiān)硬巖石中1 m以上，并隨頂煤厚度調(diào)整錨索長度，保證有效錨固。

4 結(jié)語

經(jīng)過對巷道支護(hù)后連續(xù)2個月的礦壓觀測，共布置5個測站，每個測站每天觀測一次，觀測并統(tǒng)計(jì)分析圍巖變形，得出試驗(yàn)段內(nèi)巷道頂板變形控制效果較好，頂?shù)装謇塾?jì)移近量控制在70～150 mm范圍內(nèi)，兩幫移近量控制在40～90 mm范圍內(nèi)，圍巖發(fā)生一定程度變形，但整體控制效果較好，斷面收縮率在可控范圍，能保證巷道的安全正常使用。