孤島工作面新掘巷道卸壓和支護(hù)機(jī)理研究

黃向良

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046103)

孤島工作面回采巷道呈現(xiàn)出巷道圍巖破碎、巷道變形嚴(yán)重、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈等問題[1-3]。孤島工作面巷道圍巖破碎區(qū)范圍大，為確保巷道順利掘進(jìn)及巷道掘進(jìn)完成后滿足后期運(yùn)輸和通風(fēng)要求，避免因巷道出現(xiàn)圍巖收斂而進(jìn)行的重復(fù)修巷，如何有效地對(duì)巷道礦壓進(jìn)行避讓，降低巷道圍巖壓力，合理調(diào)整支護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)來(lái)約束巷道的變形顯得十分重要。

1 概況

余吾煤業(yè)N1206工作面位于該礦北風(fēng)井西翼采區(qū)南側(cè)，東側(cè)為N2201工作面（已采），西側(cè)為N1205工作面（已采）。工作面可采長(zhǎng)度790m，切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度254m，主采煤層為3#煤層，煤層厚度平均6.4m，煤層傾角為+3°～ -2°，平均傾角2°。

N1206工作面采用“一進(jìn)一回+高抽巷”的巷道布置方式，巷道N1206回順緊鄰N2201工作面，煤柱30m。N1206高抽巷采用內(nèi)錯(cuò)式布置，與N1206回順?biāo)骄嚯x和垂直距離均為15m，N1206膠帶順槽緊鄰N1205工作面（未掘）。工作面平面圖如圖1所示。

圖1 N1206工作面巷道平面布置簡(jiǎn)圖

2 巷道兩幫卸壓

N1206回順緊鄰N2201工作面，巷道沿底板掘進(jìn)，N2201工作面采空區(qū)頂板全部垮落，巷道上覆巖層基本穩(wěn)定。N1206回順掘進(jìn)前455m，巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯，此后，巷道出現(xiàn)煤體破碎，巷道幫部錨桿受壓變形等現(xiàn)象。在掘進(jìn)至507m時(shí)，巷道迎頭出現(xiàn)連續(xù)煤炮聲，并出現(xiàn)巷道頂板高頂、巷道左幫片幫情況。繼續(xù)往前掘進(jìn)，極易發(fā)生煤巷突出等事故，必須采取可靠的預(yù)防措施。

巷道卸壓方式通常包括水力沖孔、放炮卸壓及鉆孔卸壓。由于N1206工作面為孤島工作面，綜合考慮巷道煤體條件及瓦斯情況，采用鉆孔卸壓方式進(jìn)行卸壓。根據(jù)相關(guān)資料顯示[4-5]，巷道幫部施工卸壓鉆孔能夠降低巷道上方及其周圍巖體的高應(yīng)力值及高應(yīng)力區(qū)的范圍,并且能夠把高應(yīng)力區(qū)及高應(yīng)力的極大值向煤體深處轉(zhuǎn)移,使得巷道圍巖塑性區(qū)范圍增大，應(yīng)力集中區(qū)往巷道兩側(cè)煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，鉆孔的施工能夠給巷道煤體壓力集中區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償區(qū)域，從而降低巷道幫部近距離側(cè)應(yīng)力，降低發(fā)生巷道煤體突出的風(fēng)險(xiǎn)。鉆孔卸壓機(jī)理示意圖如圖2。由于N1206回順巷道緊鄰采空區(qū)，巷道左幫卸壓孔過長(zhǎng)容易導(dǎo)致與采空區(qū)穿透。因此巷道左幫卸壓鉆孔單排垂直于幫部打設(shè)，鉆孔孔徑Φ91mm，孔間距2m。巷道右?guī)蜑楣ぷ髅鎸?shí)體煤側(cè)，該幫采取在幫部掘外寬6m，內(nèi)寬4m，深4m的硐室，在硐室內(nèi)部向工作面方向打設(shè)6個(gè)深130m，孔為3

圖2 鉆孔泄壓機(jī)理示意圖

排2列，鉆孔孔徑91mm的卸壓孔，卸壓孔布置方式如圖3。

圖3 巷道兩幫施工泄壓孔圖

3 支護(hù)優(yōu)化

通過卸壓鉆孔降低巷道圍巖內(nèi)部壓力，使得巷道內(nèi)部巖層區(qū)域穩(wěn)定，巷道兩幫支撐壓力峰值轉(zhuǎn)向煤體內(nèi)部，使得整個(gè)巷道圍巖松動(dòng)圈外層區(qū)域穩(wěn)定。但巷道圍巖松動(dòng)圈內(nèi)部煤體破碎，會(huì)產(chǎn)生兩幫收斂及底板底鼓等現(xiàn)象，還需通過優(yōu)化巷道幫錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)巷道表面受力情況來(lái)控制巷道圍巖變形。

巷道兩幫原支護(hù)由單鋼筋托梁+5根錨桿變更為單體錨桿+W鋼護(hù)板進(jìn)行支護(hù)，示意圖如圖4。采用W鋼護(hù)板，厚度不小于5mm，寬度280mm，長(zhǎng)度450mm，高度不低于25mm。錨桿布置：錨桿排距900mm，每排每幫4根錨桿，間距1000mm。錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到400Nm，且不能超過550Nm。

原支護(hù)方式下，兩幫主要采用鋼筋托梁進(jìn)行護(hù)表，但鋼筋托梁與圍巖表面為線接觸，圍巖單線集中應(yīng)力下容易破壞，且接觸面積小，不利于預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散，采用W鋼護(hù)板擴(kuò)大表面，避免上述缺點(diǎn)，能更好發(fā)揮錨桿主動(dòng)支護(hù)作用。

新支護(hù)方案下，錨桿預(yù)緊力矩不低于400Nm，相較于傳統(tǒng)支護(hù)方式下，提高了初始預(yù)緊力，大幅提高了軸向作用力。鋼帶實(shí)現(xiàn)了錨桿預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散，顯著提高了對(duì)錨桿之間圍巖的支護(hù)作用，支護(hù)系統(tǒng)的整體支護(hù)效果明顯改善。

圖4 幫部?jī)?yōu)化支護(hù)圖

4 工程應(yīng)用效果

通過對(duì)巷道內(nèi)部施工卸壓孔，使得巷道周圍塑性區(qū)發(fā)生變化，應(yīng)力峰值轉(zhuǎn)向巷道周邊煤體深部。通過優(yōu)化巷道幫部支護(hù)，實(shí)現(xiàn)幫部受力面積的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)巷道的安全高效生產(chǎn)。

N1206回順掘進(jìn)期間，每200m安裝一組表面位移測(cè)站，通過十字交叉法測(cè)量巷道圍巖變形情況，如圖5。其中B測(cè)站位于巷道400m處，該處巷道兩幫未施工卸壓孔，C測(cè)站位于巷道600m處，該處巷道已經(jīng)在兩幫施工了卸壓孔，并優(yōu)化了幫部支護(hù)。巷道B、C測(cè)站圍巖變形情況，如圖6、7所示。

巷道十字交叉法測(cè)量示意圖，在巷道頂板及兩幫中間打設(shè)木茬進(jìn)行測(cè)量巷道頂?shù)装寮皟蓭褪諗壳闆r。

圖5 十字交叉法測(cè)量示意圖

圖6 巷道B測(cè)站表面位移記錄圖

B測(cè)站數(shù)據(jù)顯示，巷道頂?shù)装遄冃瘟枯^大，底板底鼓量較大，40d之內(nèi)頂?shù)装逡平窟_(dá)到0.9m，兩幫移盡量最大達(dá)到0.56m左右，巷道在工作面停產(chǎn)期間多次進(jìn)行拉底。

圖7 巷道C測(cè)站表面位移記錄圖

C測(cè)站與B測(cè)站巷道表面位移做比較，巷道頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾档陀?.4m，且30d之后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道掘進(jìn)前期變形量較小，巷道底鼓量不大，兩幫移近量最大值低于0.3m，巷道進(jìn)行卸壓和支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，巷道收斂率明顯降低，通過對(duì)比曲線發(fā)現(xiàn)，C測(cè)站處巷道變形斜率明顯降低，且在一個(gè)月之內(nèi)很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，施工卸壓孔及幫部支護(hù)優(yōu)化后巷道兩幫煤體破碎程度好轉(zhuǎn)，且巷道響煤炮聲由每班響10次左右降低為每班3次以下。

5 結(jié)論

（1）通過巷道兩幫卸壓鉆孔的卸壓，降低了兩幫煤體的應(yīng)力集中，煤炮聲次數(shù)減少，說(shuō)明礦壓顯現(xiàn)降低明顯。

（2）通過對(duì)巷道兩幫支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了巷道表面受力狀況，優(yōu)化了巷道圍巖表面受力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了巷道的優(yōu)化支護(hù)。

（3）通過對(duì)巷道內(nèi)部與外部受力狀態(tài)的改變，巷道收斂程度明顯降低，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)，為類似條件下巷道掘進(jìn)提供了參考。