赵晓慧

(同煤集团忻州窑矿)

1　工程概况

忻州窑矿北二5#煤层胶带输送机下山(图1)是5#煤层北二采区的准备巷道，服务年限长，是该采区生产的咽喉巷道[1-2]。北二5#煤层胶带输送机下山沿5#煤层直接顶掘进，5#煤层底板标高167～191.5 m，平均深度为668.44 m，巷道沿270°方位角掘进。沿北二5#煤层胶带输送机下山方向北侧为北二5#煤层轨道下山，现未掘进，后期沿5#煤层直接顶掘进，两巷之间的保护煤柱宽约25 m。该输送机下山后期还将受到上部3#煤层12305等工作面回采后形成的煤柱影响，长期处于高应力状态，对该巷道维护影响较大。

图1　北二5#煤层胶带输送机下山布置示意

北二5#煤层胶带输送机下山所处区域的5-1#煤层直接顶为粉砂岩，厚5～20 m，结构较稳定；5-1#煤层伪顶为薄层状泥岩，厚0.5～1 m，较破碎；5-1#煤层厚度为0.5～4.05 m，平均为3.45 m，煤层厚度变化较大，其中一般含有1～2层夹矸，厚0～3.8 m，平均为2.8 m；5-1#煤层底板为薄层状粉砂质泥岩，平均厚度约8 m。3#煤层与5#煤层间距为25.68 m，3#煤层工作面尚未采完。北二5#煤层胶带输送机下山沿5#煤层直接顶掘进，煤层厚度变化较大，煤体强度低，该类因素给北二5#煤层胶带输送机下山支护带来了较大难度。

2　试验段支护方案

根据北二5#煤层胶带输送机下山的实际工程地质条件，本研究采用高强度稳定型锚杆锚索联合支护方案进行巷道稳定性控制[3-7]。在北二5#煤层胶带输送机下山与北二皮带输送机大巷交叉处沿北二5#煤层胶带输送机下山方向220 m处开始连续设立3个长为40 m的试验段(试验段1、2、3)，即北二5#煤层胶带输送机下山为新掘巷道，自北二5#煤层胶带输送机下山与北二胶带运输机大巷交叉处向内220 m为传统支护段，往内220～260 m段为试验段1，260～300 m为试验段2、300～340 m为试验段3。3个试验段相应支护方案(方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)的锚杆(索)排距分别为1 000，800，600 mm。在支护施工后，对各试验段巷道围岩变形进行监测，以便确定合理的锚网支护参数[8-9]。

2.1　试验段1

试验段1巷道顶部采用小孔径高强度预应力锚索，一方面可以确保顶板围岩形成的组合梁具有良好的抗弯能力，提高巷道浅部岩体稳定性；另一方面能够有效发挥深部稳定岩体的被动承载能力，有利于形成“刚性梁”结构。

试验段1选取的锚索规格为φ17.8 mm×6 000 mm，材质为1860型钢绞线，锚索间排距为1 100 mm× 1 000 mm。已有研究表明，顶角锚索能够有效控制巷道顶板下沉，维护顶板锚网支护承载结构稳定，顶角锚索向外扎角约15°，要求每个锚索孔使用1支K2370和1支Z2370树脂锚固剂，锚索预紧力不宜小于135 kN。帮部采用全长自旋锚杆进行支护，均采用φ22 mm×3 500 mm全长自旋锚杆，锚杆间排距为800 mm×1 000 mm，锚杆垫板规格为110 mm×300 mm(长×宽)铸铁托板，帮角锚杆向下扎角约15°。巷道顶部和帮部配合使用高强度护表构件，采用高强度金属网护表。较菱形网而言，金属网不仅强度高，而且更易拉紧拉直，同时垂直于巷道轴向布置高强度W型钢带和槽钢，有利于提高支护结构的整体强度，充分发挥锚杆锚索联合支护效果[10-11]。具体来讲：①巷道顶部铺设1 100 mm× 1 800 mm 冷拔丝网，帮部铺设1 100 mm× 1 500 mm冷拔丝网，冷拔丝直径0.55 mm，网孔规格为45 mm×45 mm，网间搭接100 mm，每200 mm联接一次，使用双股14#铁丝双排联接；②巷道顶部配合锚索使用4 500 mm 长W型钢带，帮部使用2 800 mm长14#槽钢。

2.2　试验段2

试验段2巷道顶部采用的小孔径高强度预应力锚索规格、材质与方案Ⅰ一致，锚索间排距为1 100 mm×800 mm，顶角锚索向外扎角约15°左右。各锚索孔使用1支K2370和1支Z2370树脂锚固剂，锚索预紧力不宜小于135 kN。巷道帮部采用规格为φ22 mm×3 500 mm全长自旋锚杆进行支护，锚杆间排距为800 mm×800 mm，锚杆垫板规格、帮角锚杆向下扎角与方案Ⅰ一致。巷道顶部铺设900 mm×1 800 mm冷拔丝网，帮部铺设900 mm×1 500 mm 冷拔丝网，冷拔丝直径为0.55 mm，网孔规格为50 mm×50 mm，网间搭接100 mm，每200 mm 联接1次，使用双股14#铁丝双排联接[12-14]；巷道顶部配合锚索使用4 500 mm长高凸钢带，帮部使用2 800 mm长14#槽钢。

2.3　试验段3

试验段3巷道顶部采用的小孔径高强度预应力锚索规格、材质与方案Ⅰ、Ⅱ一致，锚索间排距为1 100 mm×600 mm，顶角锚杆向外扎角约15°，各锚索孔使用1支K2370和1支Z2370树脂锚固剂，锚索预紧力不宜小于135 kN。帮部采用规格为φ22 mm×3 500 mm全长自旋锚杆进行支护，锚杆间排距为800 mm×600 mm。锚杆垫板规格、帮角锚杆向下扎角与方案Ⅰ、Ⅱ一致。巷道顶部支护参数取值与方案Ⅱ一致。

3　巷道稳定性监测分析

本研究对试验段1、试验段2、试验段3分别采用方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ进行支护。在试验段1中设置了1#、2#测站，在试验段2中设置了3#、4#测站，在试验段3中设置了5#、6#测站。各测站设置1个观测面，采用中腰线十字布点法[15-18]。垂直于围岩表面钻进φ42 mm、深350 mm孔，将φ42 mm、长400 mm 木桩打入孔中。顶部和上帮木桩端部打入钩形测钉，下帮和底板木桩端部打入平头测钉。

3.1　巷道表面位移

3.1.1试验段1

试验段1中1#、2#测站观测的巷道表面位移如图2所示。

图2　试验段1巷道表面位移变化特征

分析图2可知：在监测时间段内，1#测站处巷道顶底板未发生位移，表明试验段1顶底板支护方案及参数具有良好的适用性；1#测站处巷道两帮位移量在巷道支护施工完毕后20 d(2017-08-28～2017-09-17)内未发生变形，第21 d开始巷道两帮突出量逐渐增加至20 mm，随着观测时间推移，巷道两帮突出量增长速度放缓，最终达到22 mm并保持稳定；2#测站处巷道两帮在巷道支护施工后10 d(2017-08-28～2018-09-07)内的位移量为0，随后以0.38 mm/d 速度增加，13 d(2017-09-20)后逐渐达到最大位移量5 mm；2#测站处巷道顶底板位移量在巷道支护施工完毕后20 d(2017-08-28～2017-09-17)内的位移量为0，之后15 d(2017-09-17～2017-10-02)内巷道顶底板位移量逐渐增大至5 mm。综合分析可知：当锚杆(索)间排距为1 000 mm时，巷道围岩应力重新分布达到稳定状态约需3个月，之后巷道表面位移基本趋于稳定。

3.1.2试验段2

试验段2中3#、4#测站观测的巷道表面位移如图3所示。

分析图3可知：3#测站处巷道顶底板及两帮位移量在15 d(2018-09-18～2018-10-03)内呈增大趋势，之后处于稳定状态，此时巷道顶底板及两帮的最大位移量分别为5，10 mm；4#测站处巷道两帮位移量在15 d(2018-09-18～2018-10-03)内逐渐增大至5 mm，巷道顶底板位移量增加速度相对于两帮较慢，当巷道围岩应力达到稳定状态时，巷道顶底板变形量也逐渐达到5 mm。

图3　试验段2巷道表面位移变化特征

进一步分析图3可知：锚杆(索)排距为800 mm时，开挖巷道围岩应力重新分布达到稳定状态约需2个月，3#测站处巷道两帮最大位移量(10 mm)大于顶底板最大位移量(5 mm)，4#测站处巷道稳定时的两帮最大位移量与顶底最大位移量相等，即锚杆(索)排距由1 000 mm降为800 mm时，顶底板位移量增加5 mm，反应出锚杆(索)间排距对于巷道围岩变形控制效果的影响较显著。

3.1.3试验段3

试验段3中5#、6#测站观测的巷道表面位移如图4所示。分析图4可知：监测开始后14 d(2017-10-13～2017-10-26)内，5#、6#测站处巷道顶底板及两帮位移量由0分别增大至5，10 mm。

图4　试验段3巷道表面位移变化特征

综上所述，采用3种支护方案(锚杆(索)排距分别为1 000，800，600 mm时)均能够有效控制巷道围岩变形，但综合考虑巷道变形持续时间及最大变形量等指标后，本研究认为锚杆(索)排距设置为800 mm即可满足支护需求。

3.2　巷道顶板离层

本研究通过对3个试验段巷道顶板离层进行2个月的观测，发现除了试验段1顶板浅部3.8 m范围内在巷道支护施工完毕40 d后出现5 mm的位移外，其余试验段顶板离层量均较小，说明3个试验段的巷道顶板变形均得到了有效控制。考虑到北二5#煤层胶带输送机下山后期会受到北二5#煤层轨道下山掘进和上部3#煤层回采的影响，因此仍需进一步观测该段巷道顶板离层。

3.3　锚杆受力分析

3个试验段巷道帮部自旋锚杆受力监测表明：①试验段1中的锚杆所受轴力为0～3 t，平均达到1.83 t，锚杆杆体轴力均有所变化，锚杆所受轴力差别较大，但很快都趋于稳定，是由于开挖巷道造成围岩应力重新分布，围岩体发生变形，但之后围岩位移趋于稳定；②试验段2支护施工完毕15 d后，锚杆杆体受力均趋于稳定，该试验段锚杆所受轴力为0～3.5 t，平均达到2 t，锚杆所受轴力集中程度较好，可以有效避免同一巷道断面上锚杆、锚索支护效果差异较大而导致围岩承载结构发生灾变；③试验段3支护施工完毕1个月后，锚杆所受轴力趋于稳定，该试验段锚杆所受轴力为0～4 t，平均达到1.67 t，锚杆所受轴力差别大，同一巷道断面上锚杆、锚索锚固效果差异性最大，加大了巷道围岩支护系统发生灾变的可能性。

4　结　语

对山西忻州窑矿北二5#煤层胶带输送机下山的3个试验段设计了锚杆锚索联合支护方案，并对相应的支护参数取值进行了讨论。通过对支护施工后各试验段的巷道表面位移、顶板离层、锚杆受力进行监测分析，可知当锚杆(索)排距为800 mm时，采用本研究设计的锚杆锚索联合支护方案可以有效控制巷道顶底板及两帮围岩变形，降低巷道返修工作量，有助于进一步降低巷道开拓施工及支护成本。

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