近距離煤層采空區(qū)下掘進(jìn)巷道過斷層技術(shù)研究

張　標(biāo)，?！÷?，袁　祥，申　超

(1.中煤平朔集團(tuán)井工二礦，山西 朔州 036000；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

近距離煤層采空區(qū)下掘進(jìn)巷道過斷層技術(shù)研究

張標(biāo)1，桑聰2，3，袁祥1，申超1

(1.中煤平朔集團(tuán)井工二礦，山西 朔州 036000；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

摘要：針對(duì)近距離煤層開采條件下，采空區(qū)下部掘進(jìn)巷道過斷層支護(hù)難度較大的問題，本文以中煤平朔集團(tuán)井工二礦21109主運(yùn)順槽掘進(jìn)工作面過斷層為工程背景，結(jié)合掘進(jìn)巷道煤層頂板巖性和斷層產(chǎn)狀，確定了21109主運(yùn)順槽過斷層掘進(jìn)施工方案。在巷道頂板采用錨桿、W鋼護(hù)板配合鋼筋托梁和錨索聯(lián)合支護(hù)，煤柱側(cè)幫和工作面?zhèn)葞途捎貌捎缅^桿支護(hù)，掘進(jìn)工作面單純采用主動(dòng)支護(hù)后無法滿足支護(hù)需求，又采取架設(shè)鋼棚的方式對(duì)巷道進(jìn)行了輔助支護(hù)。采取輔助支護(hù)措施后，28d內(nèi)頂板淺部離層23mm，頂板深部離層31mm，巷道高度、寬度相對(duì)移近量分別為33mm和0mm；28d后，巷道斷面再無變形，巷道圍巖穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：近距離煤層；采空區(qū)；斷層；掘進(jìn)支護(hù)

我國(guó)是煤炭大國(guó)，煤炭產(chǎn)量和儲(chǔ)量在世界上都占有著重要地位。煤炭資源在井下呈層狀賦存，煤層間距也不盡相同。在近距離煤層已采煤層的下部煤層采掘過程中，由于上部煤層已經(jīng)采空，下部煤層及其頂板應(yīng)力釋放，裂隙發(fā)育，下部煤層及其頂板大范圍進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)。下部煤層掘進(jìn)時(shí)，巷道支護(hù)難度加大[1-7]。斷層會(huì)影響巖層穩(wěn)定性，并會(huì)破壞煤層頂?shù)装宓恼w性，所以煤礦井下斷層構(gòu)造帶易發(fā)生冒頂事故，巷道支護(hù)難度較大[8-11]。中煤平朔集團(tuán)井工二礦隨著開采深度的加大，井下采掘工作相繼進(jìn)入11煤。11煤煤層頂板與上方9煤采空區(qū)間距在6m以下，11煤巷道掘進(jìn)屬于近距離煤層采空區(qū)下的巷道掘進(jìn)。筆者以平朔集團(tuán)井工二礦21109主運(yùn)順槽掘進(jìn)工作面過斷層為例，分析近距離煤層采空區(qū)下斷層附近地質(zhì)情況，研究確定了近距離煤層采空區(qū)下掘進(jìn)巷道過斷層的技術(shù)方法和掘進(jìn)工作面支護(hù)方式，掘進(jìn)巷道順利通過斷層且巷道實(shí)際支護(hù)效果較好，對(duì)今后平朔二礦及其他礦井的近距離煤層下部掘進(jìn)巷道過斷層支護(hù)方式的確定有著重要的指導(dǎo)意義。

121109主運(yùn)順槽掘進(jìn)面基本概況

中煤平朔井工二礦21109主運(yùn)順槽走向長(zhǎng)度1620m，巷道服務(wù)年限5年。巷道上部為29210采空區(qū)，東部為21113探巷(尚未施工)，南部為9號(hào)煤輔運(yùn)大巷。21109主運(yùn)順槽煤層厚度在3.12～3.90m之間，平均為3.47m，巷道頂板與上方采空區(qū)間距在2.90～4.80m之間，屬于近距離煤層采空區(qū)下的掘進(jìn)巷道。

2斷層地質(zhì)情況

21109主運(yùn)順槽掘進(jìn)356m時(shí)，根據(jù)11號(hào)煤采掘工程平面圖、長(zhǎng)探鉆探數(shù)據(jù)及地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)F1165斷層在順槽418m處。開采9煤時(shí)，F(xiàn)1165斷層產(chǎn)狀揭露情況見表1。斷層附近11煤頂?shù)装迩闆r見表2。

表1　斷層產(chǎn)狀表

表2　斷層附近頂?shù)装迩闆r

受上部采空區(qū)的影響，為保證巷道支護(hù)安全可靠，錨索錨固范圍需在11煤頂板層與9煤采空區(qū)間距范圍之內(nèi)，故不能在未遇到斷層前挑頂作業(yè)提前變坡。21109主運(yùn)順槽掘至斷層面后，以15°上山掘進(jìn)，掘進(jìn)27m后順利通過斷層再次進(jìn)入煤層中，如圖1所示。

圖1　21109主運(yùn)順槽過斷層掘進(jìn)施工方法

3巷道圍巖支護(hù)的選擇

3.1錨網(wǎng)索鋼筋鋼帶聯(lián)合支護(hù)

由于掘進(jìn)巷道直接頂為泥巖，錨桿支護(hù)托板及網(wǎng)片有“咬入”泥巖現(xiàn)象，且頂板淋水順著錨索而下，致使錨索在短時(shí)間內(nèi)失去主動(dòng)支護(hù)作用，預(yù)緊力急劇下降，不足設(shè)計(jì)值的90%，且斷層區(qū)域巷道頂板破碎，掘進(jìn)巷道支護(hù)難度較大，具體表現(xiàn)如下所述。

1)因泥巖的存在，導(dǎo)致錨桿預(yù)緊力偏低，軸向預(yù)緊力僅10～30kN。錨桿預(yù)應(yīng)力小，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)差，支護(hù)剛度低，致使錨桿主動(dòng)支護(hù)作用不能發(fā)揮，不能有效控制圍巖早期的離層與破壞。

2)錨索預(yù)緊力穩(wěn)定后僅為80～100kN，低于合理的錨索預(yù)緊力。

3)若采用鋼筋托梁作為錨桿的組合構(gòu)件，在破碎圍巖條件下其與圍巖接觸為線接觸，不能起到很好的護(hù)頂護(hù)幫作用，不利于錨桿預(yù)應(yīng)力有效擴(kuò)散。

針對(duì)以上問題，單獨(dú)的錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)和錨桿鋼筋托梁支護(hù)的效果均不佳，最后確定了21109主運(yùn)順槽掘進(jìn)工作面過斷層采用錨桿、錨索和鋼帶聯(lián)合支護(hù)的支護(hù)方案。

3.2支護(hù)要求

3.2.1頂板支護(hù)

21109主運(yùn)順槽頂板采用錨桿、W鋼護(hù)板和錨索聯(lián)合支護(hù)。

1)錨桿支護(hù)：巷道頂部使用的錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼筋專用錨桿鋼材，鋼材屈服強(qiáng)度不低于335MPa。桿體公稱直徑為22mm，長(zhǎng)度為2400 mm、2100mm。極限拉斷力為186kN，屈服力為126kN，延伸率為18%。桿尾螺紋規(guī)格為M24，采用滾壓加工工藝成型，螺紋長(zhǎng)度150mm。頂部錨桿托板為拱型高強(qiáng)度可調(diào)心托板，錨桿托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，配合高強(qiáng)螺母、尼龍墊圈，各配件力學(xué)性能與錨桿桿體配套。錨固方式為樹脂加長(zhǎng)錨固，使用兩支樹脂藥卷，規(guī)格分別為K2335、Z2360，錨桿鉆孔直徑為30mm。每1排錨桿打設(shè)6根錨桿，間距900mm，排距1000mm，安裝角度與頂板垂直。

2)W鋼護(hù)板配合鋼筋托梁護(hù)頂：W鋼護(hù)板規(guī)格為厚度4mm、寬280mm、長(zhǎng)度450mm的鋼板，錨桿孔中心間距為900mm。選用鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，采用φ4mm鋼筋機(jī)織而成，網(wǎng)孔為80mm×80mm。

3)錨索支護(hù)：錨索材料為直徑17.8mm、1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度4300mm，極限破斷拉力355kN，延伸率4%左右，配合高強(qiáng)度鎖具和可調(diào)心托板。鉆孔直徑28mm，采用一支K2335和兩支Z2360樹脂藥卷錨固。錨索托板為300mm×300mm×12mm高強(qiáng)度可調(diào)心拱形托板并配套鎖具。 每2排錨桿打設(shè)3根錨索，間距1800mm，安裝角度與頂板垂直。

3.2.2兩幫支護(hù)

1)煤柱側(cè)幫。煤柱側(cè)幫采用錨桿支護(hù)，采用桿體直徑為18mm，長(zhǎng)度為1700mm的圓鋼錨桿，錨桿螺紋長(zhǎng)度為120mm，錨桿螺母為M20×2.5。錨桿支護(hù)采用拱形托板配合調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板規(guī)格為150mm×150mm×8mm，承載能力不低于桿體極限拉斷力。錨固方式為樹脂端部錨固，采用一支規(guī)格為K2335的樹脂藥卷，鉆孔直徑28mm。采用金屬菱形網(wǎng)護(hù)幫，菱形網(wǎng)規(guī)格3300mm×1100mm，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm。錨桿間距1200mm，排距與頂板錨桿排距相同，每幫布置2根錨桿。最上部錨桿與水平線成10°夾角外，其余錨桿垂直巷幫布置。

2)工作面?zhèn)葞?。工作面?zhèn)葞筒捎缅^桿支護(hù)。側(cè)幫完整、壓力不明顯時(shí)，可選用桿體為直徑18mm，長(zhǎng)度為1700mm的玻璃鋼錨桿；巷幫圍巖破碎、壓力較大時(shí)，選用桿體為直徑18mm，長(zhǎng)度為1700mm的圓鋼錨桿。采用與玻璃鋼錨桿及圓鋼錨桿相匹配的錨桿托板和螺母，其承載能力不低于桿體極限拉斷力。錨固方式為樹脂端部錨固，采用一支規(guī)格為K2335的樹脂藥卷，鉆孔直徑為28mm。采用金屬菱形網(wǎng)或高強(qiáng)塑料網(wǎng)護(hù)幫。錨桿間距為1200mm、排距與頂板錨桿排距相同，布置2根錨桿。除最上部錨桿與水平線成10°夾角外，其它錨桿垂直巷幫布置。錨桿排距根據(jù)頂板條件調(diào)整，一般在0.8～1.0m左右。

21109主運(yùn)順槽過斷層掘進(jìn)工作面支護(hù)布置如圖2所示。

3.2.3棚梁支護(hù)

21109主運(yùn)順槽掘進(jìn)工作面單純采用主動(dòng)支護(hù)后無法滿足支護(hù)需求，采取架設(shè)鋼棚的方式對(duì)巷道進(jìn)行輔助支護(hù)，21109支護(hù)方式最終為主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)方式。

棚梁架設(shè)緊跟迎頭，鋼棚棚梁、棚腿材料選用礦用11#工字鋼，棚梁牙口距4.4m，棚腿長(zhǎng)3.6m。工字鋼棚的棚距為1000mm，布置在兩排錨桿中間。相鄰鋼棚設(shè)置七連桿，每架鋼棚設(shè)置7根鋼管拉桿，頂梁3根，兩幫棚腿各設(shè)2根，棚梁斷面支護(hù)布置如圖3所示。

圖2　21109主運(yùn)順槽斷層掘進(jìn)面斷面、平面支護(hù)圖(單位：mm)

圖3　21109主運(yùn)順槽斷層棚梁斷面布置圖(單位：mm)

3.2.4工程質(zhì)量要求

為了保證巷道支護(hù)質(zhì)量，支護(hù)參數(shù)作如下要求：頂錨桿錨固力≥6.4T，扭矩≥300N·m，玻璃鋼幫錨桿預(yù)緊力矩≥45N·m，圓鋼幫錨桿錨固力≥3T，扭矩≥150N·m，錨索預(yù)緊力≥150kN。巷道每掘進(jìn)1排或錨桿在6根以下，取樣不少于1組(不少于3根)；6根以上，每增加1～6根，相應(yīng)多取樣1組進(jìn)行錨桿抗拔力拉拔試驗(yàn)。同時(shí)采用錨索預(yù)緊力數(shù)字壓力計(jì)全程對(duì)施工錨索進(jìn)行監(jiān)控，確保錨索的錨固質(zhì)量必須符合要求。否則，及時(shí)采取補(bǔ)打錨索進(jìn)行處理。

由于巷道過斷層按照15°上山進(jìn)行掘進(jìn)施工，迎山角取2°，架棚同時(shí)進(jìn)行聯(lián)鎖，聯(lián)鎖牢固可靠，棚梁與網(wǎng)片間用道木(大料)進(jìn)行接頂，腰幫背實(shí)，棚梁不得有另肩、調(diào)斜情況。

4礦壓觀測(cè)與支護(hù)結(jié)果

采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的LBY-3型頂板離層監(jiān)測(cè)儀對(duì)巷道頂板變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。要求深部錨頭安裝深度不得低于巷道支護(hù)錨索的長(zhǎng)度，淺部錨頭安裝深度必須與錨桿最大錨固深度一致，誤差不得超過100mm，觀測(cè)記錄結(jié)果如表3所示。

表3　測(cè)點(diǎn)離層儀及巷道高寬變化表/mm

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，錨網(wǎng)索棚梁聯(lián)合支護(hù)的巷道在28d內(nèi)頂板淺部離層23mm，深部離層31mm，巷道高度相對(duì)移近量為33mm，巷道寬度相對(duì)移近量為0mm。從第29d觀測(cè)至第87d，頂板離層儀離層值不再變化，巷道再無變形，且掘進(jìn)工作面進(jìn)尺已經(jīng)遠(yuǎn)超過斷層影響范圍。由此可以認(rèn)為巷道圍巖已經(jīng)完全穩(wěn)定，21109主運(yùn)順槽掘進(jìn)工作面在斷層影響范圍內(nèi)支護(hù)效果較好。

5結(jié)論

1)在近距離煤層采空下掘進(jìn)施工，要及時(shí)掌握煤層頂板巖性變化，為變更支護(hù)參數(shù)、加快掘進(jìn)進(jìn)度，提供有力保障。有斷層導(dǎo)通采空區(qū)的巷道掘進(jìn)，要做好排水準(zhǔn)備工作。

2)斷層地質(zhì)構(gòu)造帶附近，要隨時(shí)對(duì)支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)掌握錨桿錨索支護(hù)情況，充分發(fā)揮其主動(dòng)支護(hù)的功效，錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)是順利通過斷層的主要措施，其預(yù)緊力達(dá)標(biāo)是保證安全生產(chǎn)的重要途徑。

3)在近距離煤層采空下掘進(jìn)施工，要加強(qiáng)巷道變形監(jiān)測(cè)監(jiān)控，21109主運(yùn)順槽斷層掘進(jìn)過程中錨桿錨索支護(hù)效果達(dá)不到預(yù)期值，采取棚梁被動(dòng)支護(hù)，從后期觀測(cè)來看支護(hù)效果良好，有效的控制了巷道圍巖的變形，達(dá)到了支護(hù)要求，為礦井后續(xù)采空區(qū)下地質(zhì)構(gòu)造附近11煤的掘進(jìn)和安全支護(hù)提供了可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]張海韋，張農(nóng)，闞甲廣，等.采空區(qū)下軟煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(8):25-29.

[2]馮德志.近距離采空區(qū)下交叉點(diǎn)大斷面錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)[J].煤炭科技，2012，(2):64-65.

[3]林健，范明建，司林坡，等.近距離采空區(qū)下松軟破碎煤層巷道錨桿錨索支護(hù)技術(shù)研究[J].煤礦開采，2010，15(4):45-50.

[4]董宇，謝文兵，荊升國(guó)，等.近距離煤層采空區(qū)下回采巷道高強(qiáng)穩(wěn)定型支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(2):19-23.

[6]牛學(xué)超，岳中文，竇波洋，等.新峪煤礦近距離煤層采空區(qū)下巷道頂板破壞特征分析[J].煤炭技術(shù)，2014，33(3):76-79.

[7]張農(nóng)，李桂臣，許興亮．泥質(zhì)巷道圍巖控制理論與實(shí)踐[M]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[8]康紅普，王金華．煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009．

[9]盧二虎，馬志剛.大斷面巷道過斷層破碎帶的掘進(jìn)與支護(hù)方法[J].煤礦支護(hù)，2005(3):30-32.

[10]劉泉聲，張偉，盧興利，等.斷層破碎帶大斷面巷道的安全監(jiān)控與穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(10):1954-1962.

[11]鄭全九，陳鵬，王永志.斷層破碎帶大斷面巷道掘進(jìn)與支護(hù)方式[J].煤礦開采，2004，9(1):65-66.

Study on the technology of drifting tunnel under close distance coal seams goaf passing through fault

ZHANG Biao1，SANG Cong2，3，YUAN Xiang1，SHEN Chao1

(1.No.2 Deep Mine，China Coal Pingshuo Group Ltd.，Shuozhou 036000，China；2.Mine Safety Technology Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.State Key Laboratory of Coal Resource High Efficient Mining and Clean Utilization (China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China)

Abstract:Roadway below a goaf supporting is difficult when passing faults in the closed distance seams mining process.This paper using 21109 transporting crossheading excavation passing fault as engineering background.The method of 21109 transporting crossheading excavation passing fault is determined according roof conditions and fault form.Roof combined support with bolt，rope，and W-type steel band with joists.Coal pillar side and working face side used bolt support.Heading face using active supporting is not enough，and then steel shed was erected for auxiliary support.Shallow roof abscission layer 23mm，deep separation 31mm，and relatively closer to the amount of roadway height and width is 33mm and 0mm，when supplementary support measures were taken 28 days.No deformation of roadway was found and roadway surrounding rock stability after 28 days.

Key words：closed distance seam；goaf；fault；driving support

收稿日期：2015-04-18

作者簡(jiǎn)介：張標(biāo)(1987-)，男，漢族，安徽阜陽人，中煤平朔集團(tuán)井工二礦，技術(shù)主管。

中圖分類號(hào)：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)02-0091-04