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[摘 要]泊江海子矿是鄂尔多斯地区首个大埋深矿井，煤层结构较为复杂、裂隙发育，该地区浅部煤巷的矩形断面+锚网索支护施工工艺已经不能满足现场需要。基于这种现状，本文通过工程实践的研究方法，研究了平顶微拱形+锚网索支护对泊江海矿煤巷围岩稳定的影响，从而对我矿煤巷施工工艺进行了优化，取得了良好的效果。
[关键词]大埋深、断面、平顶微拱形、优化
中图分类号：TD353.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0066-01
1、工程概况
泊江海子矿属于正在建设的特大型现代化矿井，设计年产量3Mt/a，位于鄂尔多斯东胜煤田西北边缘。目前，在鄂尔多斯地区泊江海子矿属于最大埋深矿井，3-1煤为矿区主采煤层，煤层埋深约600m 。
113101工作面为泊江海子矿首采面，工作面南高北低，煤层标高+805～+849m，地面标高+1372～+1385m，南北向条带布置。该工作面北起西翼大巷保护煤柱，南至109国道保护煤柱线，东至西翼一盘区边界，西邻设计的113102工作面。3-1煤为主采煤层，煤层埋藏平坦，倾角1～3°，平均采高5.3m，煤质较硬，f系数平均为1.82；煤层结构复杂，含1～5层夹矸，夹矸为泥岩及砂质泥岩，为煤层软弱夹层；煤层内生裂隙发育。
113101工作面辅运顺槽设计长度2757m，作为首采面安装、回采时辅助运输使用，设计巷道规格为5×4.1m，属大断面巷道。施工时，辅运顺槽沿煤层顶板掘进，为全煤巷道。
老顶：细砂岩，3～16.31m，以石英为主，泥质胶结，半坚硬。
直接顶：砂质泥岩，0～12.7m，巨厚层状，砂泥质结构状层理。裂隙发育，水平及微波状层理。
直接底：砂质泥岩，2.03～6.59m， 砂泥质结构，半坚硬。
老底：粉、细砂岩、砂质泥岩，8.49～8.95m，水平纹理，钙质胶结，半坚硬（见图1）。
工作面岩性柱状图见图1。
2、前期巷道支护特点
根据泊江海子矿113101首采面煤巷工程实践，3-1煤层巷道支护具有如下基本特点：
2.1 虽然泊江海子矿3-1煤硬度大，但煤层内生裂隙、特别是纵向裂隙发育（迎头常听到煤帮炸裂声），当煤层较厚时，煤层常呈块状片帮，部分巷道段片帮深度达500-800mm，从而造成巷道成型差。
2.2 顶板岩石强度低、性脆，且分层多。根据泊江海子矿J04钻孔岩性力学参数观测结果，3-1煤层顶板砂质泥岩的抗压强度一般介于9.4 MPa～25.3MPa范围内，岩石强度低、分层多，不仅易离层、风化破碎，而且也加剧了顶板岩层的不稳定性。因此顶板离层，特别是高位离层是巷道的最大安全隐患。
2.3 3-1煤层直接顶砂质泥岩相变大，最厚达12.7m，平均6.59m，直接顶砂质泥岩厚不仅使锚索难以生根到稳定岩层内，而且还易使顶板产生高位离层。
2.4 顶板砂岩层含水。当顶板有裂隙、构造或锚索孔通达砂岩层时，顶板淋水，不仅影响锚索的内锚效果，而且还会造成顶板砂质泥岩及泥岩膨胀和强度弱化，同时顶板淋水还会使锚杆和锚索发生锈蚀，降低锚杆和锚索的承载力。
2.5 巷道断面大，服务时间长，因此对巷道围岩的长期稳定性要求较高。
2.6 打钻放水对顶板产生了新的附加应力。在打钻放水过程中所造成的高压水侧向渗透，不仅软化了顶板围岩，而且在顶板围岩中还形成了附加应力，从而造成顶板岩梁所承受的载荷增加。
3 113101工作面辅运顺槽施工所采取的主要技术对策
根据巷道的地质采矿条件及巷道支护技术难点分析，在113101辅运顺槽后续巷道施工中采取了以下技术对策和措施：
3.1 优化顺槽巷道断面形状，将顺槽巷道断面由矩形调整为平顶微拱形。因为矩形巷道的拐角处是应力集中点，将巷道断面由矩形调整为平顶微拱形，不仅可改善巷道围岩的受力状况，实现顶板压力向巷帮深部转移，而且还可避免肩窝锚杆出现剪切现象。
3.2 提高锚杆的初始预紧力，防止顶板低位岩层出现早期离层。因为顶板离层都是由浅部向深部发展的，提高锚杆的初始预紧力不仅可以消除岩层内原始的裂缝空隙，使各个岩层锁紧为一个整体，而且高预紧力通过钢带、托板的有效扩散，可有效提高锚固体的整体刚度，从而有利于防止顶板低位岩层出现早期离层，避免高位岩层出现离层。
3.3 顶、帮锚杆采用组合整体支护结构。将顶、帮锚杆通过W钢带和梯子梁搭接布置形成一整体结构，不仅可提高顶板肩窝抹角处围岩的稳定性，而且还有利于控制巷道断面，避免巷道超挖。
3.4 大跨度断面防止顶板沿煤帮整体跨落措施。为了防止顶板沿煤帮整体跨落，应通过改进顶板锚索的布置方式，使顶板支护结构体形成一类似于桁架的斜拉结构，从而可避免顶板沿煤帮整体跨落。目前主要是通过在顶板两侧施工向巷道两帮外扎750～800的走向槽钢组合锚索形成斜拉结构。
3.5 有效的减跨加固措施。由材料力学知识可知，对于两端固支的岩梁，其最大弯矩发生在梁的中部，且弯矩与梁长呈平方关系增大存在。若巷道跨度增加，则巷道所受的弯矩呈平方关系增大。为了提高岩梁的承载能力必须要对岩梁进行减跨，若采用锚索减跨，根据自然冒落拱原理，减跨锚索长度必须要大于巷道的跨度，若减跨锚索长度小于巷道跨度，则应考虑多级减跨，同时并应配合有形支护进行加固。
3.6 锚索锚固力增强技术措施。目前采用两种办法，一是在距锚索内锚端头1400mm设置一个橡胶挡环。橡胶挡环规格：内径Φ17.5mm、外径Φ25mm，长度50～60mm；二是在锚索内锚端头加装扎丝。
3.7 钻场区域打钻放水期间的加固措施。为避免因打钻放水过程中所造成的高压水侧向渗透对顶板的破坏，在打钻放水期间除应采取在钻场边缘加补走向槽钢组合锚索进行减跨、防顶板沿煤帮整体跨落等措施及软岩区段锚索锚固力增强技术措施外，还应在顺槽巷中及钻场边缘增设单体支柱走向挑棚，以平衡高压水侧向渗透所增加的顶板围岩附加应力。
4、施工工艺优化后施工效果
经过长时间的矿压观测显示，泊江海子矿113101工作面辅运顺槽煤巷施工工艺优化后，控制了巷道片帮，并且调整了支护参数，强化了锚索支护作用，因此巷道成形及支护效果明显改善，在掘进期间内巷道顶底板和两帮移近量均小于50mm，除局部区域顶板离层超过10mm外，多数区段顶板都没有出现离层现象，并且頂帮锚杆及锚索载荷没有显著变化，基本上维持在初始预紧力状态下工作，说明上述巷道支护参数有一定富裕。
5、 结束语
5.1 泊江海子矿113101工作面辅运顺槽施工工艺优化的探索表明，鄂尔多斯地区深部煤巷采用平顶微拱形断面和锚网梁索支护等措施，能改善巷道应力分布，增强承载能力、减少巷道变形，优化后巷道矿压显现较平缓，顶板离层量一般为原设计支护巷道段的20%左右。
5.2 优化后支护方案具有较高的经济效益。支护方案优化后施工巷道整体稳定性强，未发生大的围岩变形，巷道未进行任何加固措施即可保证后期回采使用。较原支护方案巷道补打锚索、架棚等加固措施相比具有明显的经济效益。
5.3 实践表明，泊江海子矿在该地区深部煤巷断面及支护参数等方面做的大量细致的研究工作，能指导鄂尔多斯地区的深部煤巷断面及支护设计水平，能切实指导鄂尔多斯地区其他深部矿井的开采生产实践，使深部煤巷支护与断面设计提高到一个新的理论水平。
张福成，男，（1987-），山东济南人，助理工程师，现在内蒙古银宏能源开发有限公司工作。
[关键词]大埋深、断面、平顶微拱形、优化
中图分类号：TD353.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0066-01
1、工程概况
泊江海子矿属于正在建设的特大型现代化矿井，设计年产量3Mt/a，位于鄂尔多斯东胜煤田西北边缘。目前，在鄂尔多斯地区泊江海子矿属于最大埋深矿井，3-1煤为矿区主采煤层，煤层埋深约600m 。
113101工作面为泊江海子矿首采面，工作面南高北低，煤层标高+805～+849m，地面标高+1372～+1385m，南北向条带布置。该工作面北起西翼大巷保护煤柱，南至109国道保护煤柱线，东至西翼一盘区边界，西邻设计的113102工作面。3-1煤为主采煤层，煤层埋藏平坦，倾角1～3°，平均采高5.3m，煤质较硬，f系数平均为1.82；煤层结构复杂，含1～5层夹矸，夹矸为泥岩及砂质泥岩，为煤层软弱夹层；煤层内生裂隙发育。
113101工作面辅运顺槽设计长度2757m，作为首采面安装、回采时辅助运输使用，设计巷道规格为5×4.1m，属大断面巷道。施工时，辅运顺槽沿煤层顶板掘进，为全煤巷道。
老顶：细砂岩，3～16.31m，以石英为主，泥质胶结，半坚硬。
直接顶：砂质泥岩，0～12.7m，巨厚层状，砂泥质结构状层理。裂隙发育，水平及微波状层理。
直接底：砂质泥岩，2.03～6.59m， 砂泥质结构，半坚硬。
老底：粉、细砂岩、砂质泥岩，8.49～8.95m，水平纹理，钙质胶结，半坚硬（见图1）。
工作面岩性柱状图见图1。
2、前期巷道支护特点
根据泊江海子矿113101首采面煤巷工程实践，3-1煤层巷道支护具有如下基本特点：
2.1 虽然泊江海子矿3-1煤硬度大，但煤层内生裂隙、特别是纵向裂隙发育（迎头常听到煤帮炸裂声），当煤层较厚时，煤层常呈块状片帮，部分巷道段片帮深度达500-800mm，从而造成巷道成型差。
2.2 顶板岩石强度低、性脆，且分层多。根据泊江海子矿J04钻孔岩性力学参数观测结果，3-1煤层顶板砂质泥岩的抗压强度一般介于9.4 MPa～25.3MPa范围内，岩石强度低、分层多，不仅易离层、风化破碎，而且也加剧了顶板岩层的不稳定性。因此顶板离层，特别是高位离层是巷道的最大安全隐患。
2.3 3-1煤层直接顶砂质泥岩相变大，最厚达12.7m，平均6.59m，直接顶砂质泥岩厚不仅使锚索难以生根到稳定岩层内，而且还易使顶板产生高位离层。
2.4 顶板砂岩层含水。当顶板有裂隙、构造或锚索孔通达砂岩层时，顶板淋水，不仅影响锚索的内锚效果，而且还会造成顶板砂质泥岩及泥岩膨胀和强度弱化，同时顶板淋水还会使锚杆和锚索发生锈蚀，降低锚杆和锚索的承载力。
2.5 巷道断面大，服务时间长，因此对巷道围岩的长期稳定性要求较高。
2.6 打钻放水对顶板产生了新的附加应力。在打钻放水过程中所造成的高压水侧向渗透，不仅软化了顶板围岩，而且在顶板围岩中还形成了附加应力，从而造成顶板岩梁所承受的载荷增加。
3 113101工作面辅运顺槽施工所采取的主要技术对策
根据巷道的地质采矿条件及巷道支护技术难点分析，在113101辅运顺槽后续巷道施工中采取了以下技术对策和措施：
3.1 优化顺槽巷道断面形状，将顺槽巷道断面由矩形调整为平顶微拱形。因为矩形巷道的拐角处是应力集中点，将巷道断面由矩形调整为平顶微拱形，不仅可改善巷道围岩的受力状况，实现顶板压力向巷帮深部转移，而且还可避免肩窝锚杆出现剪切现象。
3.2 提高锚杆的初始预紧力，防止顶板低位岩层出现早期离层。因为顶板离层都是由浅部向深部发展的，提高锚杆的初始预紧力不仅可以消除岩层内原始的裂缝空隙，使各个岩层锁紧为一个整体，而且高预紧力通过钢带、托板的有效扩散，可有效提高锚固体的整体刚度，从而有利于防止顶板低位岩层出现早期离层，避免高位岩层出现离层。
3.3 顶、帮锚杆采用组合整体支护结构。将顶、帮锚杆通过W钢带和梯子梁搭接布置形成一整体结构，不仅可提高顶板肩窝抹角处围岩的稳定性，而且还有利于控制巷道断面，避免巷道超挖。
3.4 大跨度断面防止顶板沿煤帮整体跨落措施。为了防止顶板沿煤帮整体跨落，应通过改进顶板锚索的布置方式，使顶板支护结构体形成一类似于桁架的斜拉结构，从而可避免顶板沿煤帮整体跨落。目前主要是通过在顶板两侧施工向巷道两帮外扎750～800的走向槽钢组合锚索形成斜拉结构。
3.5 有效的减跨加固措施。由材料力学知识可知，对于两端固支的岩梁，其最大弯矩发生在梁的中部，且弯矩与梁长呈平方关系增大存在。若巷道跨度增加，则巷道所受的弯矩呈平方关系增大。为了提高岩梁的承载能力必须要对岩梁进行减跨，若采用锚索减跨，根据自然冒落拱原理，减跨锚索长度必须要大于巷道的跨度，若减跨锚索长度小于巷道跨度，则应考虑多级减跨，同时并应配合有形支护进行加固。
3.6 锚索锚固力增强技术措施。目前采用两种办法，一是在距锚索内锚端头1400mm设置一个橡胶挡环。橡胶挡环规格：内径Φ17.5mm、外径Φ25mm，长度50～60mm；二是在锚索内锚端头加装扎丝。
3.7 钻场区域打钻放水期间的加固措施。为避免因打钻放水过程中所造成的高压水侧向渗透对顶板的破坏，在打钻放水期间除应采取在钻场边缘加补走向槽钢组合锚索进行减跨、防顶板沿煤帮整体跨落等措施及软岩区段锚索锚固力增强技术措施外，还应在顺槽巷中及钻场边缘增设单体支柱走向挑棚，以平衡高压水侧向渗透所增加的顶板围岩附加应力。
4、施工工艺优化后施工效果
经过长时间的矿压观测显示，泊江海子矿113101工作面辅运顺槽煤巷施工工艺优化后，控制了巷道片帮，并且调整了支护参数，强化了锚索支护作用，因此巷道成形及支护效果明显改善，在掘进期间内巷道顶底板和两帮移近量均小于50mm，除局部区域顶板离层超过10mm外，多数区段顶板都没有出现离层现象，并且頂帮锚杆及锚索载荷没有显著变化，基本上维持在初始预紧力状态下工作，说明上述巷道支护参数有一定富裕。
5、 结束语
5.1 泊江海子矿113101工作面辅运顺槽施工工艺优化的探索表明，鄂尔多斯地区深部煤巷采用平顶微拱形断面和锚网梁索支护等措施，能改善巷道应力分布，增强承载能力、减少巷道变形，优化后巷道矿压显现较平缓，顶板离层量一般为原设计支护巷道段的20%左右。
5.2 优化后支护方案具有较高的经济效益。支护方案优化后施工巷道整体稳定性强，未发生大的围岩变形，巷道未进行任何加固措施即可保证后期回采使用。较原支护方案巷道补打锚索、架棚等加固措施相比具有明显的经济效益。
5.3 实践表明，泊江海子矿在该地区深部煤巷断面及支护参数等方面做的大量细致的研究工作，能指导鄂尔多斯地区的深部煤巷断面及支护设计水平，能切实指导鄂尔多斯地区其他深部矿井的开采生产实践，使深部煤巷支护与断面设计提高到一个新的理论水平。
张福成，男，（1987-），山东济南人，助理工程师，现在内蒙古银宏能源开发有限公司工作。