千米深井孤島工作面臨空巷道支護技術(shù)

張世偉

（大同煤礦集團永定莊煤業(yè)有限責任公司，山西 大同037000）

1 概述

近些年，一些煤礦相繼進入深部開采階段，甚至新建礦井首采區(qū)就超過千米，生產(chǎn)條件不斷惡化，加之不合理的開拓、開采布置等，出現(xiàn)了兩側(cè)或多側(cè)處于臨空狀態(tài)的孤島煤柱工作面，巷道圍巖表現(xiàn)出明顯的高地壓、大變形、難支護等問題，嚴重影響礦井的安全生產(chǎn)〔1－2〕。

孤島工作面圍巖所處應(yīng)力條件的特殊性，使得臨空（窄煤柱）巷道圍巖控制比常規(guī)工作面更加困難。相關(guān)專家針對孤島工作面臨空巷道支護問題進行了大量研究，提出了一些針對性的支護技術(shù)，但由于巷道賦存條件和影響因素的復(fù)雜性、多變性和不確定性，巷道支護技術(shù)不盡相同〔3－6〕。根據(jù)永定莊煤業(yè)7121孤島工作面的實際條件，基于孤島臨空巷道圍巖穩(wěn)定性特征及錨網(wǎng)索支護機理，對巷道進行巷內(nèi)錨桿支護、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強支護。

2 工程概況

7121工作面位于礦井－1000m東一采區(qū)，西起工業(yè)廣場保護煤柱，東至F4正斷層，北為7123采空區(qū)，南臨7119采空區(qū)，為兩側(cè)臨空孤島煤柱工作面。工作面標高－894.6 m～－990.0m，地面標高＋31.7m，平均采深達到1000m；工作面開采7煤層，厚1.2～4.5m，傾角0°～12°，為較為穩(wěn)定煤層；工作面走向長1893m，傾斜長125m；工作面直接頂為6.20m的泥巖，基本頂為5.03m的細砂巖，直接底為4.69m的泥巖，基本底為24.4m的細砂巖；地質(zhì)構(gòu)造簡單，工作面內(nèi)部發(fā)育一條落差較大的DF2斷層。

圖1 工作面平面布置示意

根據(jù)工作面實際條件，7121工作面材料道和溜子道均采用臨空（窄煤柱）布置形式，煤柱寬度5m，開采深度大，巷道圍巖松散破碎、穩(wěn)定性差、變形量大、支護難度大，給巷道支護帶來巨大困難，因此有必要對巷道支護技術(shù)進行研究。

3 孤島工作面臨空巷道穩(wěn)定性分析

孤島工作面臨空巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈。臨空巷道一側(cè)為實體煤，另一側(cè)為采空區(qū)，實體煤一側(cè)相當于板的固支端，靠近采空區(qū)側(cè)又有一段外伸的頂板?；卷敂嗔蜒毓ぷ髅鎯A向形成的破斷面弧形三角塊B與實體煤側(cè)巖體A、采空區(qū)側(cè)塊體C形成鉸接的弧形三角塊結(jié)構(gòu)，對臨空巷道圍巖穩(wěn)定起決定性作用，見圖2。

圖2 孤島工作面臨空巷道覆巖結(jié)構(gòu)特征

巷道掘進期間，弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向基本未斷裂，在其“掩護”之下，臨空（窄煤柱）巷道只承受部分頂板壓力，頂板巖層不僅是載荷體，而且是承載體，不但承擔自身重量，還承擔上覆巖層壓力，在采空區(qū)側(cè)煤體一定范圍內(nèi)形成降壓區(qū)，弧形三角塊結(jié)構(gòu)對巷道掘進影響較小。在采動作用下，弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向發(fā)生斷裂，臨空（窄煤柱）巷道承受冒落帶巖層的全部重量以及上覆巖層運動產(chǎn)生的強大壓力，懸臂巖梁的回轉(zhuǎn)破斷引起巷道瞬間水平移動以及頂板下沉，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞，回采期間弧形三角塊結(jié)構(gòu)對巷道穩(wěn)定性影響較大。

4 孤島工作面臨空巷道支護技術(shù)

4.1 錨桿支護作用機理

（1）錨桿支護可不同程度提高錨固區(qū)煤巖體強度、彈性模量、粘聚力等力學(xué)參數(shù)，增加圍巖自身承載力。

（2）提高圍巖節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面的強度，保持圍巖的整體強度、完整性與穩(wěn)定性。

（3）對圍巖施加一定的壓應(yīng)力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖抗拉能力、抗剪能力、屈服強度等。

（4）控制圍巖的離層、滑動、張開裂隙等變形與破壞，在錨固區(qū)內(nèi)形成次生承載層，最大限度保持錨固區(qū)圍巖的完整性。

（5）高強度、高預(yù)應(yīng)力對錨桿支護系統(tǒng)起著決定性作用。

（6）托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件可擴大錨桿作用范圍，使載荷趨于均勻，同時提高護表能力，共同形成組合支護系統(tǒng)。

（7）錨索將錨桿形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部穩(wěn)定圍巖相連，使更大范圍內(nèi)的巖體共同承載，提高支護系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

4.2 巷道支護技術(shù)

冒落帶巖層在煤體上方沿傾向方向彎曲、下沉和斷裂是造成窄煤柱臨空巷道變形破壞失穩(wěn)的力學(xué)根源。如何防止臨空巷道上方的冒落帶巖層斷裂或減緩其彎曲下沉，使巷道始終處于懸臂巖梁的“掩護”之下，是根本上減輕和控制沿空巷道圍巖變形的重要技術(shù)途徑。為此，深井孤島工作面臨空巷道采用巷內(nèi)錨桿支護、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強支護。

（1）巷內(nèi)錨桿支護。巷道主體采用錨桿支護，高強螺旋鋼錨桿配高強、高預(yù)應(yīng)力螺母、托盤等，改善圍巖受力狀態(tài)，提高圍巖強度；增加錨桿的長度、直徑及密度，提高錨桿支護強度；頂部錨桿使頂板巖層錨固起來，提高頂板的承載力；幫部錨桿加固煤幫，增強煤體的殘余強度和煤幫對頂板的支護強度。

（2）巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強支護。巷道頂部及臨空側(cè)巷幫采用錨索加強支護，加長、高預(yù)應(yīng)力錨索可發(fā)揮圍巖的自身承載能力，形成支護–圍巖共同承載體系；高強度大托板可實現(xiàn)錨索預(yù)應(yīng)力與工作阻力的有效擴散，實現(xiàn)均壓；頂部錨索將煤體、支護物與深部頂板相連，充分調(diào)動深部圍巖的承載能力；幫部錨索進一步加強煤幫，不僅減輕巷旁支護的壓力，同時提高頂板的穩(wěn)定性。

5 工程實踐

根據(jù)7121孤島工作面材料道的實際條件，類比礦井其他巷道支護方式，參考國內(nèi)類似條件礦井巷道支護形式，采用巷內(nèi)錨桿支護、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強支護。巷道支護斷面（見圖3）。

1）巷道斷面形狀為梯形，凈斷面規(guī)格：下凈寬×高（中）＝4500mm×2700mm，凈斷面積12.15m2；掘進斷面規(guī)格：掘進寬×高（中）＝4700mm×2800mm，掘進斷面積13.16m2。巷道采用掘進機沿煤層頂板掘進，先打錨桿進行支護，然后補打錨索加強支護。

2）巷道頂部及兩幫采用左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿及相配套的塑性減磨墊圈、等強防松螺母配合Φ12mm鋼筋焊制的托梁及金屬菱形網(wǎng)聯(lián)合支護。錨桿間排距為700 mm×700mm，外露長度10～40mm，每根錨桿使用一支CK2350型樹脂藥卷；金屬網(wǎng)規(guī)格為1000mm×8000mm，壓茬寬度100～200mm；金屬托盤規(guī)格：長×寬×厚＝100 mm×100mm×10mm。頂部錨桿Φ22mm×2400mm，每排布置8根，鋼筋托梁規(guī)格為60mm×5000mm，螺母扭距為200N·m。兩幫為Φ20mm×2000mm的錨桿，鋼筋托梁規(guī)格為60mm×1800mm，每排布置9根錨桿，高幫6根，低幫3根，錨桿垂直巷道輪廓線，底角錨桿水平向下、頂角錨桿水平向上均不大于15°，螺母扭距為150N·m。

3）巷道頂部及臨空側(cè)巷幫采用Φ18.9mm鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索加強支護；每根錨索使用1卷CK2350和1卷Z2370樹脂錨固劑，CK2350放在端頭；托盤規(guī)格：300mm×300mm×15mm，錨索外露150～250mm。巷道頂板中線左、右1400mm處各布置一根長度8250mm預(yù)應(yīng)力錨索，間排距2800mm×2800mm，錨索預(yù)緊力140kN。臨空側(cè)巷幫距離底板1900mm處布置一根長度為6250mm的錨索，排距2800mm，錨索水平向上與巷道成45°，預(yù)緊力為120kN。

圖3 工作面支護斷面

6 工作面支護效果分析

為更好的檢驗巷道支護效果，對巷道掘進和回采期間進行礦壓觀測，觀測巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?，?0m布置一測站，共布置3組測站，見圖4。

圖4 巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?/p>

結(jié)果表明：

1）巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平恐饾u增加，變形速率逐漸降低，并慢慢趨于穩(wěn)定。

2）3個監(jiān)測點巷道頂?shù)装逡平科骄鶠?5.60mm，變形速率最大為4.97mm／d，最小為0.18mm／d；巷道兩幫移近量平均為95.00mm，變形速率最大為3.83mm／d，最小為0.33mm／d。

3）目前該巷道已掘進結(jié)束，巷道變形量較小，現(xiàn)有斷面能夠滿足使用需要。

實踐證明，該支護技術(shù)能夠有效控制巷道圍巖變形，具有較好的支護效果。

7 結(jié)語

1）孤島工作面臨空巷道覆巖形成的弧形三角塊結(jié)構(gòu)對巷道圍巖穩(wěn)定狀態(tài)和應(yīng)力條件起決定性作用。巷道掘進期間，弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向基本未斷裂，對巷道穩(wěn)定性影響較??；采動作用下，弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向發(fā)生斷裂，巷道穩(wěn)定性影響較大。

2）基于錨桿支護作用機理，根據(jù)7121孤島工作面材料道的實際條件，巷道主體采用巷內(nèi)錨桿支護、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強支護。

3）實踐表明，該支護技術(shù)能夠有效地控制巷道圍巖變形，具有較好的支護效果，對礦井安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟效益具有重要意義。

〔1〕錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制〔M〕.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

〔2〕張 偉，張東升，陳建本等.孤島工作面窄煤柱沿空掘巷圍巖變形控制〔J〕.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，43（1）：36－42.

〔3〕尤跟林，劉 洋，楊玉輝.窄煤柱沿空掘巷錨網(wǎng)梁索支護技術(shù)研究〔J〕.煤炭技術(shù)，2011，30（1）：68－70.

〔4〕宋金旺.特厚煤層綜放工作面臨空開采巷道圍巖控制技術(shù)〔J〕.煤炭工程，2010，（11）：46－48.

〔5〕趙洪民，丁 強.沿空掘巷錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護的應(yīng)用〔J〕.煤礦開采，2008，13（5）：62－65.

〔6〕曹永模，華心祝，楊 科.孤島工作面沿空巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究〔J〕.煤礦安全，2013，46（1）：43－46.

〔7〕華心祝，馬俊楓，許庭教.錨桿支護巷道巷旁錨索加強支護沿空留巷圍巖控制機理研究及應(yīng)用〔J〕.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（12）：2107－2112.

〔8〕侯朝炯.煤巷錨桿支護的關(guān)鍵理論與技術(shù)〔J〕.礦山壓力與頂板管理，2002，（1）：2－5.