深井大斷面Y型通風沿空留巷加固支護技術

王圣武，張五一(淮南礦業(yè)集團謝一礦，安徽 淮南 232046)

1 工作面概況

5121（5）工作面位于謝一礦51采區(qū)（Ⅵ線與Ⅱ線之間），上至-700m標高，下至-780m標高，北至F12-10斷層，南至工廣煤柱線，該工作面走向長為1 688m，傾斜長為150～240m,平均值為195m，面積為33 2670m2，煤層總厚為0.3～1.6m，平均值為1.0m；煤層結(jié)構為單一型；煤層傾角20°～22°，平均值21°；可采儲量為395 877t。5121（5）工作面屬保護層開采，考慮到工作面煤層薄，為盡快打開被保護層，采用薄煤層綜合機械化走向長壁后退式回采，全部垮落法管理頂板。

2 存在問題

（1）謝一礦5121(5)工作面為薄煤保護層開采，回采后，受采動影響，其下伏C14、C15、C13、C12煤層等鄰近層的卸壓瓦斯大量涌入風巷及采空區(qū)，致使采煤工作面上隅角瓦斯積聚，不僅限制了生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率的進一步提高,而且嚴重危及作業(yè)人員的生命安全。傳統(tǒng)的U型通風方式難以解決上隅角瓦斯超限問題,采用沿空留巷技術實施Y型通風，見圖1,即進行“二進一回”通風方式能有效地解決這一難題。

（2）5121（5）工作面留巷選擇在5121（5）工作面下順槽，標高為-780m，回采前掘進斷面5.0m×4.0m，直墻半圓拱形，錨梁網(wǎng)鎖支護。巷道斷面較大，且為深井開采，大斷面巷道支護難度較同條件小斷面支護難度大得多；巷道圍巖屬性差，5121(5)工作面直接頂為泥巖，泥巖厚度2.0～3.0m，平均厚度2.3m，灰～灰黑色，少量粉砂質(zhì)，性脆、破碎；泥巖抗剪強度低，自穩(wěn)能力差，應力超過自身的抗壓強度，易產(chǎn)生塑性變形，如節(jié)理、裂隙發(fā)育等，弱面多時，極易冒落；該巷道屬典型深井大跨度頂?shù)装逅绍浢簩友乜樟粝?，且留巷在下順槽進行，留巷難度非常大，故在留巷前和留巷后必須對留巷段進行加固支護，確保留巷一次性成功，為Y型通風創(chuàng)造條件。

圖1 Y型通風工作面通風系統(tǒng)示意圖

3 沿空留巷圍巖活動規(guī)律

3.1 上覆巖層活動規(guī)律

回采工作面老塘采用全部陷落法管理頂板，回采后采空區(qū)的頂板會向下垮落，其垮落形式主要有兩種：主動垮落和被動垮落。巖層主要是在自重(或自重和層面內(nèi)應力)作用下的垮落稱為主動垮落，巖層在本位巖層下沉的迫使下的垮落稱為被動跨落。兩種垮落形式互相疊加，周期來壓，使回采工作面上覆巖層從下向上依次形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,造成留巷周圍的巖層發(fā)生變形、破壞,形成錯動離層帶區(qū)、二次破斷區(qū)和微破裂區(qū)。

3.2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

由于沿空留巷段要經(jīng)受一次掘進和兩次采動的影響，其礦壓顯現(xiàn)和巷道維護都比較復雜。特別是巷道斷面比較大的情況下，巷道礦壓顯現(xiàn)更為劇烈。沿空留巷情況更為復雜。

在回采工作面煤壁前方20m左右受超前支承壓力影響嚴重，在煤壁前方20～80m左右受超前支承壓力影響較重，巷道變形主要發(fā)生在工作面前方60m范圍內(nèi)，甚至更遠。

在回采工作面后方附近，已采區(qū)冒落巖石在上覆巖層作用下向巷道擠壓，一般情況下，沿空留巷的頂板下沉在工作面后方10～20m處最為強烈，頂板下沉主要發(fā)生在工作面后方0～40m范圍內(nèi)，60～70m頂板下沉趨向穩(wěn)定?？蓪⒀乜樟粝锓譃?個階段，各階段的范圍與巷道變形見表1。

表1 沿空留巷各階段的范圍與圍巖變形

4 沿空留巷支護原則及巷道變形顯現(xiàn)特征

4.1 沿空留巷支護原則

沿空留巷上下幫處在兩種不同的介質(zhì)中，巷道上（下）幫煤體屬于彈性介質(zhì)，巷道下（上）幫冒落矸石屬于松散介質(zhì)。沿空留巷成敗取決于沿空留巷的支護體與原巷道支護體有機結(jié)合后的共同承載能力。因此,沿空留巷支護體承壓狀況主要由巷道上（下）幫煤體的本身強度及支護強度、頂板支護強度和下（上）幫充填體抗壓強度決定。沿空留巷支護包括巷內(nèi)支護與巷旁支護，巷旁支護及巷內(nèi)支護必須相匹配。前期支護主要考慮切頂作用，要求盡早支護，保證支護具有較高的初撐力或增阻速度、較大的支護剛度，應堅持以“頂”為主，“頂、讓兼顧”的原則，最大載荷以前期為主。上覆巖層后期活動具有“給定變形”特點，后期支護要求具有適當?shù)碾p向承載性能的同時，主要是要求支護具有較大的雙向可縮性能，保證下位巖層不垮落，防止煤幫擠出或片幫造成巷道狀況惡化，加固煤幫以提高煤幫承載能力，減少后期下沉量。后期應堅持以讓為主，“讓、頂兼顧”的原則，支護設計最大變形以后期為主。

4.2 巷道變形顯現(xiàn)特征

（1）上（下）幫煤體受采動壓力和上覆巖層壓力的影響,煤體易變軟、變酥，造成原錨梁網(wǎng)支護體失效、錨桿脫落、錨網(wǎng)破裂、上（下）幫出現(xiàn)兜肚、片幫現(xiàn)象，且難于維護，影響有效使用斷面。

（2）頂板出現(xiàn)離層、下沉、斷裂甚至破碎現(xiàn)象，且隨著采煤工作面的推進而不斷加劇。

（3）下（上）幫充填體受壓力影響被擠壓開裂、變形、下沉，順槽留巷還會產(chǎn)生下滑位移現(xiàn)象，其開裂、變形、下沉、下滑量取決于充填體充填時的水灰比、初期強度、后期強度及后期巷道加固支護形式。

（4）底板煤、巖層受圍巖壓力影響及回采期間水蝕浸泡，出現(xiàn)酥松、破裂，底鼓現(xiàn)象嚴重。

（5）回風聯(lián)巷及鄰近-780C15頂板巷在回采期間受采動影響，巷道變形嚴重，頂板破碎、下沉，折幫、底鼓，斷面嚴重縮小。

5 沿空留巷充填加固支護措施

一般來說,留巷成功與否是受留巷的圍巖狀況、斷面形狀和巷內(nèi)支護體、巷旁支護體強度決定的。從力學角度來看,巷旁支護體對頂板的反力矩比巷內(nèi)支護體對頂板的支護反力矩大得多。為了保護留巷內(nèi)狀況和巷內(nèi)支架，提高留巷的有效使用斷面，必須加大巷旁支護體的剛度，并提高巷內(nèi)頂板支護強度。在掘進施工過程中即開始加強對留巷頂板和上（下）幫的支護，并加強后期維護。

5.1 巷道掘進支護設計方案

一次沿空留巷需要經(jīng)歷一次掘進和兩次采動影響，圍巖變形量較大，即使可縮性金屬支架也難以適應沿空留巷圍巖大變形，金屬支架變形嚴重，巷道維護效果較差。錨桿支護作為“主動”支護，能有效提高錨固體的峰值強度和殘余強度，提高圍巖自身承載能力，改善巷道維護狀況，采用錨桿與鋼帶聯(lián)合支護方式，能提高深井煤巷頂板、幫部整體性，安全防護性較好。同時采用錨索支護，能使圍巖在錨索預應力作用下產(chǎn)生壓縮，在錨索的彈性壓縮下形成“承載”，提高了圍巖的整體性和內(nèi)在力，增加其強度，增大圍巖的穩(wěn)定強度。因此，在巷道掘進時，采用錨梁網(wǎng)索支護，具體參數(shù)為：巷道凈寬×凈高=5m×4m，錨桿采用?22mm×2.5m的20MnSi左旋無縱筋螺紋鋼等強預拉力錨桿，配合鋼帶和10#鐵絲網(wǎng)聯(lián)合支護，弧段的錨桿間排距為800mm×800mm，直墻部錨桿間排距為730mm×800mm。直墻與半圓拱相搭接處間排距為600mm×800mm。錨索規(guī)格為?17.8mm×6.8m（深入巖體長度為6.5m），間排距為1.96m×1.6m。頂部采用KT-M5型鋼帶，其中兩根4.1m長的各用于1/4圓弧斷面用，直墻部分采用KT－M3型鋼帶,長1.6m,在鋼帶的對接部分多沖一個孔，以利于鋼帶對接，見圖2。

圖2 下順槽巷道支護正視圖

5.2 回采巷道頂板超前加固支護設計方案

（1）在距工作面煤壁前方150m以外，C15順槽超前施工錨索+鋼帶進行加固，鋼帶采用M5型鋼帶：280mm×3 600mm（孔中心距為1.6m），鋼帶長3.6m，壓茬150mm；錨索為?22mm×8m的鋼絞線，托盤為δ16mm厚的特制蓋板，規(guī)格為300mm×300mm；錨固劑為4支K2355樹脂藥卷；錨索間排距為2（2.5）m×1.6m，每排3根。采用專配的風動張拉儀張拉，預緊力不小于120kN，抗拔力不小于300kN，見圖3。

圖3 采前巷道頂板加固平面布置圖

（2）在距工作面煤壁前方20～80m范圍，在巷道中間用DZ系列單體和HDJA-1000金屬鉸接頂梁挑單排挑棚，單體間距為1m。煤壁前方20m范圍內(nèi)用DZ系列單體和HDJA-1000金屬鉸接頂梁挑三排挑棚,轉(zhuǎn)載機下側(cè)幫兩排，排間距不小于1m,轉(zhuǎn)載機上側(cè)幫一排，單體間距為1m。

（3）工作面下端頭超前煤壁5.0m施工錨桿、錨索＋鋼帶及金屬網(wǎng)支護，鋼帶采用M5型鋼帶，長3.4m，排距800mm，錨桿采用?22mm×2.5m的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800mm×800mm，錨桿均采用加長錨固，每根錨桿采用的樹脂藥卷為1支K2360和1支Z2380；安裝預緊力矩≮150N·m，預緊力≮50kN，錨固力≮120kN；網(wǎng)片為?10鐵絲網(wǎng)，搭接長度100mm；錨索為?22-6.5m的鋼絞線，抗拔力不小于300kN，托盤為δ16mm的鋼板加工的特殊蓋板，規(guī)格300mm×300mm，錨索按“2-1-2”布置，1支K2360三支Z2380中速樹脂藥卷加長錨固，以保證錨固效果。錨索預緊力80～100kN，錨固力不低于200kN，見圖4。

圖4 工作面下端頭超前支護平面圖

5.3 回采后充填及加固設計方案

（1）為防止采空區(qū)冒落矸石對充填垛產(chǎn)生強烈側(cè)沖力，在充填框架搭設前框架上方2m處架設單排木支柱,木支柱采用?20cm×2.4m圓木,間距600mm。留巷充填框架上方頂板變形嚴重、承壓大，緊貼充填框架外側(cè)采用順山木棚加固,梁子為?20cm×2.4m圓木，腿子為單體液壓支柱，棚距400～600mm。

（2）緊跟工作面回采進度，在支架后方1～2處架設充填框架，進行充填留巷。留巷充填墻垛為寬×高=3m×2m，一次充填長度3m。充填材料選用膏體混凝土，其強度一天不低于3MPa，28天不低于14MPa。采用BSM1002E混凝土泵進行充填，充填工藝流程：干混充填材料制備→干混充填材料運輸→干混充填材料上料→充填模板支護→充填料漿的制備與泵送→料漿入模自流平密實→拆模，待充填區(qū)巷道斷面見圖5。

（3）充填前，在順槽緊隨工作面下出口綜采支架后方，超前套架U型棚，U型棚凈寬×凈高=4.6m× 3m，棚間距600mm，拉桿三道，緊靠上幫U型棚棚腿支設充填模板。充填時充填垛與U型棚聯(lián)合形成支護整體，并滯后對充填留巷段進行臥底。充填后，對U型棚正頂處用單體液壓支柱進行挑頂加固，待巷道來壓穩(wěn)定后，再由后向前逐步卸去單體支柱（一般滯后工作面不小于200m）。

圖5 待充填區(qū)巷道斷面圖

5.4 回風系統(tǒng)巷道維護措施

由于受采動壓力影響,回風系統(tǒng)原支護體在回采后變形嚴重，巷道斷面變小，影響正?；仫L，須提前采取加固措施。

（1）回風聯(lián)巷回采前進行套架U型棚進行加固，套架后，進行噴漿封閉圍巖，并注漿加固。聯(lián)巷要定期進行清理臥底，確?；仫L斷面不能小于11m2，滿足回風要求。

（2）-780m C15頂板巷回采期間作為Y型通風的回風巷，在留巷使用期間要保持完好，且斷面不能小于11m2，由于-780m C15頂板巷與下順槽平行，平距40m，經(jīng)計算，頂板巷距采動影響線的最小距離為10.007m，受采動影響較大?；夭善陂g必須進行擴修加固，提高頂板支護強度，并加固兩幫，采用底角高強預應力錨桿，控制巷道底臌量。采取先臥底、擴幫、找頂?shù)确椒ㄋ⒋笙锏?，待斷面尺寸符合要求后再對頂板、巷幫及底角進行打錨桿、錨索、掛網(wǎng)、噴漿。

6 支護效果

通過對謝一礦5121（5）回采工作面沿空留巷充填加固技術方案實施情況進行觀測、分析，采用以上充填加固支護技術沿空留巷支護穩(wěn)定、可靠，留巷后斷面維持在4.2m×2.6m，回采期間杜絕了瓦斯超限事故，保證了安全生產(chǎn)，實現(xiàn)了薄煤層工作面高產(chǎn)高效。

[1] 孫恒虎，趙炳利.沿空留巷的理論與實踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

[2] 陳 陽，柏建彪，陳 勇.錨桿支護巷旁充填沿空留巷技術研究[J].礦山壓力與頂板管理，2005，（02）.