特厚煤層臨近采空區(qū)動(dòng)壓巷道支護(hù)技術(shù)研究

陳志平，杜 林

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 太原 030001)

西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦13#煤層平均厚度13.88 m，屬于特厚煤層，采用綜采放頂煤工藝，順槽沿底掘送，為大斷面特厚頂煤全煤巷道。13#煤埋藏深度整體較淺，多數(shù)工作面屬于淺埋深開采范疇。另外，13#煤層強(qiáng)度較高，平均超過(guò)20 MPa，巷道掘采期間礦山壓力顯現(xiàn)很小，盡管受到最大水平主應(yīng)力的影響，材料巷工作面?zhèn)葞涂刂齐y度也很小，這與正在回采的同采區(qū)23112工作面材料巷顯現(xiàn)出的表象相吻合。由于礦井生產(chǎn)銜接組織，造成采區(qū)內(nèi)最后一個(gè)區(qū)段23111工作面成為孤島工作面，巷道臨近采空區(qū)，受采空區(qū)的影響，巷道的穩(wěn)定性會(huì)受到一定的影響，支護(hù)難度較大，因此必須予以考慮加強(qiáng)幫部支護(hù)。

23111工作面材料巷屬于正在掘進(jìn)巷道，開始掘送巷道時(shí)，23101材料巷多處出現(xiàn)斷錨桿現(xiàn)象，特別是巷道出現(xiàn)鼓包和掉渣比較嚴(yán)重，巷道后期維護(hù)成本較大，所以作為相似情況的23111材料巷礦壓監(jiān)測(cè)很有必要，礦壓監(jiān)測(cè)報(bào)告評(píng)價(jià)該巷道支護(hù)初始設(shè)計(jì)的合理性，為該礦類似巷道掘進(jìn)做指導(dǎo)。

錨桿支護(hù)施工質(zhì)量檢測(cè)與礦壓監(jiān)測(cè)是煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)的重要組成部分。在23111材料巷掘進(jìn)施工期間，對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)巷道圍巖變形與破壞狀況、錨桿受力及大小進(jìn)行了全面、系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)。

1 巷道支護(hù)

1.1 支護(hù)形式

23111材料巷掘進(jìn)斷面形狀為矩形，斷面寬度5 200 mm，高度3 600 mm，掘進(jìn)斷面積18.72 m2. 采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力樹脂錨固錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。巷道支護(hù)形式：錨索網(wǎng)。

1.2 支護(hù)安裝要求

1.2.1頂板支護(hù)

錨桿形式、規(guī)格及布置方式見圖1，圖2. 樹脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為MSCK2380，一支規(guī)格為MSZ2380，理論錨固長(zhǎng)度2 033 mm，鉆孔d 30 mm. 采用高強(qiáng)錨桿螺母M24×3，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板采用拱型高強(qiáng)度托板，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，承載能力不低于325 kN. 錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m.

錨索形式和規(guī)格及布置方式見圖1，圖2. 采用1支MSCK2380和2支MSZ2380樹脂藥卷錨固，理論錨固長(zhǎng)度2 928 mm；配300 mm×300 mm×14 mm型拱形高強(qiáng)度托板，及配套鎖具。 錨索預(yù)緊力張拉鎖定后為200 kN.

圖1 23111材料巷臨近采空區(qū)段支護(hù)圖

圖2 23111材料巷采空區(qū)段頂部支護(hù)圖

1.2.2兩幫支護(hù)

1) 工作面幫。

錨桿形式、規(guī)格及布置方式見圖3. 樹脂錨固，采用一支錨固劑，規(guī)格為MSZ2380，理論錨固長(zhǎng)度845 mm，鉆孔d30 mm. 錨桿預(yù)緊力矩≥40 N·m.

圖3 23111材料巷采空區(qū)段工作面幫支護(hù)圖

2) 臨近采空區(qū)煤幫。

錨桿形式、規(guī)格及布置方式見圖4. 樹脂錨固，采用一支錨固劑，規(guī)格為MSZ2380，理論錨固長(zhǎng)度1 013 mm，鉆孔d 30 mm. 采用高強(qiáng)錨桿螺母M24×3，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈。托板采用拱型高強(qiáng)度托板，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，承載能不低于325 kN. 錨桿預(yù)緊力矩≥180 N·m.

圖4 23111材料巷采空區(qū)段煤柱幫支護(hù)圖

2 23111材料巷臨近采空區(qū)段礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

在23111材料巷臨近采空區(qū)段掘進(jìn)進(jìn)程中，對(duì)巷道掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)進(jìn)行了綜合監(jiān)測(cè)和日常監(jiān)測(cè)。綜合監(jiān)測(cè)的目的是驗(yàn)證或修正錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)和調(diào)整支護(hù)初始設(shè)計(jì)；日常監(jiān)測(cè)的目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，采取必要措施，保證巷道安全。

2.1 巷道表面位移

在23111材料巷臨近采空區(qū)段設(shè)置了一個(gè)測(cè)站監(jiān)測(cè)掘進(jìn)期間巷道的位移狀況，測(cè)站設(shè)置在巷道里程940 m處，分別監(jiān)測(cè)巷道左幫、右?guī)秃晚數(shù)装逦灰屏繝顩r。巷道表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1，巷道斷面巷道位移折線圖見圖5.

表1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

由表1及圖5分析可知：

測(cè)站斷面的巷道頂板的最大下沉量為16 mm，底鼓量為14 mm，巷道掘進(jìn)高度為3 705 mm，頂?shù)装遄冃瘟空季蚋叩?.80%；兩幫最大移近量為35 mm，掘進(jìn)寬度為5 260 mm，兩幫移近量占掘?qū)挼?.66%.

由表1表明，巷道兩幫的最大變形量為35 mm，頂?shù)装宓淖畲笞冃瘟繛?0 mm. 可以看出，兩幫以及頂板都沒(méi)有太大變形。巷道的變形量主要集中在掘進(jìn)工作面50 m范圍內(nèi)，在巷道剛開挖時(shí)，圍巖應(yīng)力重新分配，在此過(guò)程中巷道的變形速度也較快，巷道的變形量主要受到掘進(jìn)的應(yīng)力重分配的影響，巷道的變形量很小，頂板較完整，巷道圍巖基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 巷道斷面巷道位移折線圖

2.2 巷道錨桿(索)受力監(jiān)測(cè)

在23111材料巷中設(shè)置了一組測(cè)站以監(jiān)測(cè)錨桿(索)載荷的變化狀況，測(cè)站設(shè)置在材料巷里程940 m處，測(cè)站處錨桿(索)的受力數(shù)據(jù)表和受力折線變化圖見圖6，圖7. 測(cè)站錨桿(索)的受力數(shù)據(jù)表見表2.

圖6 錨桿受力折線圖

圖7 錨索受力折線圖

表2 測(cè)站錨桿(索)的受力數(shù)據(jù)表

錨桿預(yù)緊力矩的大小對(duì)頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用。支護(hù)設(shè)計(jì)中要求頂部錨桿預(yù)緊力矩都達(dá)到300 N·m以上，幫部錨桿預(yù)緊力矩都達(dá)到180 N·m以上，錨索預(yù)緊力要求達(dá)到200 kN.錨桿預(yù)緊力設(shè)計(jì)的原則是控制圍巖不出現(xiàn)明顯的離層、滑動(dòng)和拉應(yīng)力區(qū)，一般可選擇錨桿桿體屈服載荷的30%～50%作為錨桿預(yù)緊力的取值。由于支護(hù)是采用桿體d 22 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，鋼號(hào)400#的錨桿，其桿體屈服力為151.98 kN，計(jì)算其錨桿預(yù)緊力取值在45.59～75.98 kN較為合理，通過(guò)日常監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在施工過(guò)程中，基本按照設(shè)計(jì)對(duì)錨桿施加了足夠的預(yù)緊力，當(dāng)然存在個(gè)別錨桿初始預(yù)緊力施加不足，通過(guò)安裝的錨桿(索)測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由表2及圖6，7分析可知：

頂板錨桿和錨索在施加完預(yù)緊力后，錨桿的軸向力分別為45.84 kN、49.59 kN、67.83 kN、46.40 kN、39.09 kN、54.10 kN、38.99 kN，錨索的軸向力分別為205.67 kN和148.09 kN，測(cè)站幫部錨桿在施加完預(yù)緊力后，錨桿的軸向力為39.73 kN、69.64 kN、37.99 kN和42.64 kN，部分錨桿預(yù)緊力水平較低。在此后檢測(cè)中錨桿壓力表和錨索壓力表示值的增加以及趨向平穩(wěn)說(shuō)明巷道掘進(jìn)對(duì)圍巖應(yīng)力重分配達(dá)到平衡狀態(tài)的演變，同時(shí)，也說(shuō)明部分錨桿的預(yù)緊力初始施加存在不足。

通過(guò)監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，錨桿(索)的預(yù)緊力矩在施工期間大部分達(dá)到設(shè)計(jì)要求，結(jié)合巷道表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和頂板離層儀表明，頂板圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。在以后施工中錨桿(索)的預(yù)緊力仍待提高，應(yīng)克服地質(zhì)條件的影響因素，重視幫錨桿預(yù)緊力。

2.3 巷道頂板離層監(jiān)測(cè)

對(duì)該巷道里程930 m安設(shè)的1個(gè)頂板離層儀進(jìn)行了日常監(jiān)測(cè)。頂板離層儀安裝完畢后，深基點(diǎn)初始值為0，淺基點(diǎn)初始值為0，在掘進(jìn)過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化。

從日常觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)示值并未出現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)，結(jié)合巷道表面頂板位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，說(shuō)明頂板在掘進(jìn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)離層，這是由于高預(yù)緊力的及時(shí)施加。由于所測(cè)地段巷道并沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)回采動(dòng)壓的影響，單純是在掘進(jìn)期間，頂板圍巖基本趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

1) 臨近采空區(qū)動(dòng)壓巷道掘進(jìn)送巷期間，從巷道整體變形看出，頂板的變形量較小，保持了較好的完整性，而變形主要是幫部和底板。

2) 頂板明顯松動(dòng)破壞區(qū)域主要位于頂板的淺部，基本在2.4 m范圍內(nèi)，此范圍內(nèi)煤層裂隙發(fā)育明顯，出現(xiàn)了松動(dòng)破壞的現(xiàn)象，目前所用錨桿長(zhǎng)度為2.6 m，除去錨桿外露長(zhǎng)度，可以看出頂板錨桿范圍內(nèi)巖層出現(xiàn)了破壞現(xiàn)象，如果錨索托盤陷入煤體或者無(wú)法壓實(shí)煤體，失去效果，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固措施，即便是對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，補(bǔ)打錨桿效果將不明顯，需要補(bǔ)打錨索。

3) 煤幫的破壞范圍也主要位于煤體表面，測(cè)試為0～1.3 m煤幫破碎，兩幫的移近是造成巷道底鼓最主要的原因，如果支護(hù)構(gòu)件的護(hù)表面積小，護(hù)表強(qiáng)度低，則煤幫在變形后很難繼續(xù)控制煤體的進(jìn)一步破壞發(fā)展，加劇底鼓。

4) 臨近采空區(qū)的殘余支承壓力是導(dǎo)致該巷道變形的主要原因，而對(duì)于臨近采空區(qū)的強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道，需加強(qiáng)對(duì)兩幫圍巖的控制，特別是對(duì)于煤柱側(cè)巷幫，防止煤柱的進(jìn)一步破碎，降低承載能力。提高幫部錨桿支護(hù)的護(hù)表面積，提高預(yù)緊力，擴(kuò)大預(yù)緊力的擴(kuò)散范圍能夠有效地控制幫部巖體的變形，同時(shí)降低“起錨”高度，防止兩幫底角擠壓引起底鼓。