孤島工作面7 m小煤柱沿空掘巷動壓巷道支護(hù)技術(shù)研究

李世和

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司寺家莊礦，山西省陽泉市，045000)

由于小煤柱沿空掘巷技術(shù)具有提高煤礦資源回收率、提高煤層瓦斯抽采效率等優(yōu)點(diǎn)，目前已在煤礦得到普遍的推廣和應(yīng)用。小煤柱沿空掘巷技術(shù)的關(guān)鍵是維護(hù)巷道圍巖安全可靠性，許多學(xué)者對小煤柱沿空掘巷圍巖破壞機(jī)理與巷道支護(hù)技術(shù)開展大量的研究，取得了豐碩的成果。華心祝等提出沿空掘巷基本頂?shù)牧W(xué)模型，推導(dǎo)出受動壓影響時巷道頂板下沉量的計算公式，據(jù)此進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計和工程實踐。何富連等針對孤島工作面沿空掘巷支護(hù)難題，提出高強(qiáng)度、高預(yù)緊力錨桿與斜拉錨索梁結(jié)構(gòu)聯(lián)合控制技術(shù)。煤炭科學(xué)研究總院康紅普院士團(tuán)隊在巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試、動態(tài)信息支護(hù)設(shè)計、高強(qiáng)度與高剛度支護(hù)材料、快速施工機(jī)具與工藝、工程質(zhì)量檢測與礦壓監(jiān)測及錨固與注漿聯(lián)合加固方面開展了多年研究，在各類煤礦復(fù)雜困難巷道進(jìn)行工程實踐，圍巖強(qiáng)烈變形情況得到有效控制。

綜上所述，本文基于寺家莊礦特厚煤層孤島工作面7 m小煤柱沿空掘巷復(fù)雜開采條件，采用多項研究手段，從地應(yīng)力測試、巷道支護(hù)優(yōu)化、錨桿錨索布置方式、施工工藝等方面進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)，提出巷道支護(hù)綜合治理技術(shù)，可為類似條件下的煤巷圍巖控制提供一定的參考。

1 工程背景

15106工作面位于寺家莊礦中央盤區(qū)，工作面鄰近北部有4條已掘中央盤區(qū)準(zhǔn)備巷道，南部無采掘工作面。15106工作面東部為15108工作面，(已于2013年7月回采結(jié)束)，西部為15104工作面(已于2011年5月回采結(jié)束)，工作面之間煤柱尺寸均為7 m。15106工作面地面標(biāo)高965～1080 m，井下標(biāo)高511～550 m，巷道平均埋深492 m。15106工作面進(jìn)風(fēng)巷沿15#煤層頂板掘進(jìn)，15106進(jìn)風(fēng)巷巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬度5.4 m，掘進(jìn)高度4.5 m。15#煤層平均厚度5.35 m，平均傾角6°。15106工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 15106工作面巷道布置示意圖

2 巷道支護(hù)重難點(diǎn)分析

分析寺家莊礦小煤柱沿空掘巷巷道支護(hù)存在的重難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 煤柱尺寸小，經(jīng)受多次動壓，應(yīng)力情況復(fù)雜

以井下正在掘進(jìn)的15106回風(fēng)巷為例，由于煤柱尺寸僅7 m，巷道所處的應(yīng)力環(huán)境惡劣，巷道在掘進(jìn)期間出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，巷道底鼓量達(dá)500 mm。

2.2 巷道沿頂?shù)撞贾?，巷幫支護(hù)難度大

寺家莊礦巷道沿15#煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，巷道高度4.5 m，局部地段巷道高度達(dá)5 m以上，巷道高度大，兩幫支護(hù)難度大，變形嚴(yán)重，在鄰近工作面采空區(qū)壓力作用下巷道兩幫嚴(yán)重擠壓變形，巷道整體變形量較大。

2.3 巷道圍巖條件差，穩(wěn)定性差

寺家莊礦15#煤層厚度大，平均厚度超過5 m，特別是15#煤層頂部2～3 m范圍內(nèi)煤體強(qiáng)度低，松軟破碎，穩(wěn)定性差，存在隨掘隨冒的現(xiàn)象，片幫嚴(yán)重，控制難度較大，特別是經(jīng)過地質(zhì)構(gòu)造和高瓦斯含量的區(qū)域，巷道兩幫成型差，巷幫錨固力很難滿足要求。

2.4 瓦斯抽采對巷道支護(hù)的影響

寺家莊礦是高突礦井，15#煤層瓦斯含量高，施工前需底抽巷施工超前預(yù)抽孔，施工區(qū)域瓦斯抽放孔呈扇形布置，多種鉆孔交叉布置，導(dǎo)致巷道兩幫煤質(zhì)松軟及空洞。

3 窄煤柱沿空掘巷巷道支護(hù)技術(shù)優(yōu)化

3.1 錨桿錨索支護(hù)前期試驗與測試

在巷道支護(hù)設(shè)計之前，在15106進(jìn)風(fēng)巷開展大量錨桿和錨索錨固性能測試，測試數(shù)據(jù)見表1。試驗結(jié)果表明，直徑20 mm、鋼號500號、長度2.2 m、采用1支Z2360樹脂錨固劑的錨桿錨固力達(dá)到157 kN。頂板錨索采用直徑21.8 mm、長度6.2 m、1支CK23120樹脂錨固劑，錨固力達(dá)到350 kN。幫部錨索采用直徑17.8 mm、長度4.2 m、2支Z2360型樹脂錨固劑，上部、中部和下部煤層平均錨固力分別為145 kN、191 kN和214 kN，呈現(xiàn)明顯的上軟下硬現(xiàn)象，其中幫錨索帶箍能夠明顯提高錨索錨固力。

表1 寺家莊錨桿錨索錨固性能試驗數(shù)據(jù)

3.2 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試

2016年12月寺家莊礦在15106工作面運(yùn)輸下巷進(jìn)行了巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試，測試內(nèi)容包括巷道圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)。測量數(shù)據(jù)表明，寺家莊礦15#煤層最大水平主應(yīng)力14.20 MPa，最小水平主應(yīng)力7.27 MPa，垂直主應(yīng)力9.44 MPa，最大水平主應(yīng)力方向為北偏西48°。巷道頂板強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)表明，測試地點(diǎn)頂板以上0～2.2 m范圍內(nèi)為泥巖，平均強(qiáng)度32.22 MPa，2.2～7.8 m范圍內(nèi)為泥質(zhì)砂巖，平均強(qiáng)度46.07 MPa，7.8～10.0 m范圍內(nèi)為細(xì)砂巖，平均強(qiáng)度37.86 MPa。15#煤層平均強(qiáng)度15.10 MPa，其中上部煤層強(qiáng)度低，煤質(zhì)松軟，下部煤層強(qiáng)度高。

3.3 支護(hù)材料升級優(yōu)化

寺家莊礦原有煤層巷道頂板采用全錨索+波紋鋼帶支護(hù)，錨索直徑21.6 mm，長度7.2 m，巷幫采用圓鋼錨桿+錨索+鋼筋托梁聯(lián)合支護(hù)，存在支護(hù)構(gòu)件不匹配、頂幫支護(hù)不協(xié)調(diào)的問題，影響巷道支護(hù)效果。針對這種情況，研發(fā)出300 mm×280 mm×14 mm異形拱形托板，承載能力不低于607 kN，并配合高強(qiáng)調(diào)心球墊，力學(xué)性能與W型鋼帶配套。幫錨索采用300 mm×300 mm×12 mm的拱形托板，承載能力不低于353 kN，托板厚度12 mm，在保證托板強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低托板厚度，實現(xiàn)降本增效的效果。

3.4 巷道支護(hù)核心參數(shù)

錨桿錨索預(yù)緊力是巷道支護(hù)中的核心參數(shù)，對巷道支護(hù)效果起到關(guān)鍵作用。設(shè)計巷道錨桿預(yù)緊力矩從原有的120 N·m增加至400 N·m，頂板錨索預(yù)緊力從200 kN增加至300 kN，幫部錨索預(yù)緊力從100 kN增加至200 kN。同時對現(xiàn)有巷道施工機(jī)具進(jìn)行升級，配備性能可靠的錨桿錨索預(yù)緊力施工和檢測機(jī)具，例如8～10倍放大系數(shù)的錨桿扭矩倍增器、高轉(zhuǎn)化系數(shù)的錨索張拉千斤等，保證錨桿錨索順利施工。

4 工程實踐

4.1 正常段巷道支護(hù)設(shè)計

根據(jù)錨桿錨索支護(hù)前期試驗測試結(jié)果和巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)值模擬和工程實踐經(jīng)驗，最終初步確定寺家莊7 m小煤柱沿空掘巷15106進(jìn)風(fēng)巷正常地段支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

圖2 15106工作面進(jìn)風(fēng)巷錨桿支護(hù)初始設(shè)計示意圖

由圖2可知，采用W型鋼帶和異形錨索托板進(jìn)行護(hù)頂，其中頂板布置5根直徑21.8 mm、長度6.2 m的錨索，W型鋼帶寬度280 mm，長度5.3 m，間距1250 mm，排距900 mm。巷幫上部布置3根直徑17.8 mm、長度4.2 m的錨索，下部布置2根直徑20 mm、長度2.2 m的500#螺紋鋼錨桿，間距900 mm，排距900 mm。頂板采用單層經(jīng)緯網(wǎng)，巷幫采用雙層菱形金屬網(wǎng)。

4.2 特殊段巷道支護(hù)設(shè)計

由于15104回風(fēng)巷在掘進(jìn)過程中每隔50 m布置1個長度5.0 m、寬度4.2 m的瓦斯鉆場，因此15106進(jìn)風(fēng)巷后續(xù)掘進(jìn)至15104工作面采空區(qū)鉆場時，巷道煤壁寬度約2.8 m，屬于特殊復(fù)雜地段，無法正常施工幫錨索，為保證巷道安全穩(wěn)定，小煤柱巷幫采用直徑20 mm，長度1.5 m的500#螺紋鋼錨桿。

另外，15106工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)至距離采空區(qū)鉆場小煤柱巷幫2 m時停止掘進(jìn)，采用木點(diǎn)柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，在巷道掌頭中上部施工2個注漿孔，1號注漿孔與掘進(jìn)方向成60°布置，2號注漿孔與掘進(jìn)方向成45°布置。注漿材料為羅克休或科瑞特。已掘巷道煤柱巷幫錨桿錨固力不足時，采用注漿的方法對煤巖體進(jìn)行加固封閉，注漿材料為煤巖體加固劑，注漿孔間距2 m，深度4 m，注漿滯后工作面煤頭5 m。

4.3 礦壓監(jiān)測與分析

4.3.1 支護(hù)體受力特征分析

對頂板錨索、幫部錨索和幫部錨桿受力情況進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，頂錨索初期預(yù)緊力在214～237 kN之間，后續(xù)基本保持穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在218～248 kN之間，受力增加的幅度較小。幫錨索1位于實體煤側(cè)幫部，幫錨索2位于小煤柱側(cè)幫部，可以看出幫錨索1受力出現(xiàn)明顯的增加，從79 kN增加至136 kN，而幫錨索2受力從97 kN緩慢增加至106 kN，后降低至78 kN，這主要是由于小煤柱幫后續(xù)變形破碎導(dǎo)致錨固力下降。相對而言，煤層下部幫錨桿在施加初始預(yù)緊力之后后續(xù)基本保持穩(wěn)定，受力比較穩(wěn)定。

4.3.2 圍巖表面位移監(jiān)測曲線

巷道圍巖表面位移如圖4所示。由圖4可以看出，采用新型支護(hù)方案后，頂板和巷幫圍巖變形量較小，其中頂板下沉量53 mm，巷幫變形相對較大，小煤柱側(cè)幫變形量96 mm，實體煤側(cè)幫部變形量32 mm，相對原有巷道支護(hù)變形情況，巷道圍巖得到有效控制，巷道變形量同比減少60%，說明新型支護(hù)方案在寺家莊礦孤島工作面7 m小煤柱沿空掘巷得到很好的應(yīng)用。

圖3 錨桿錨索受力監(jiān)測曲線

圖4 圍巖表面位移監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

(1)寺家莊礦小煤柱沿空掘巷存在煤柱尺寸小，巷道應(yīng)力復(fù)雜，圍巖條件差，巷幫穩(wěn)定性差，瓦斯抽采破壞等系列因素的影響，對巷道支護(hù)提出較高的要求。

(2)從地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測定、巷道支護(hù)優(yōu)化、錨桿錨索布置方式、施工工藝等進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化與改進(jìn)，提出以錨索支護(hù)為主、錨桿支護(hù)為輔的圍巖控制方法。

(3)現(xiàn)場實踐表明，通過對原有巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化后巷道支護(hù)效果明顯改善，巷道變形量同比降低60%，取得了良好的支護(hù)效果。

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