沿空留巷的支護(hù)設(shè)計(jì)及觀測(cè)分析

楊曉寒

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)，山西 孝義 032302)

0 引言

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)概況

某礦根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇綜采工作面軌道順槽作為沿空留巷的工業(yè)試驗(yàn)巷道，留巷成功后作下區(qū)段工作面的運(yùn)輸順槽。該工作面所采煤層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M煤，厚度1.8～3.0 m，平均2.7 m，煤層較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。黑色，塊狀、粉粒狀，細(xì)～寬條帶結(jié)構(gòu)，粉粒狀～塊狀構(gòu)造，煤質(zhì)相對(duì)較硬。煤層傾角總體較小，工作面掘進(jìn)方向煤層偽傾角，停采線附近，傾角6°～12°，切眼附近傾角8°～20°，從切眼往回風(fēng)平硐方向煤層傾角2°～8°。煤層埋深1 394～1 448 m，工作面內(nèi)東南方向埋深大，西北方向埋深小，總體趨勢(shì)由東南向西北遞減，煤層厚度比較穩(wěn)定，厚度變化較小，在軌順停采線附近煤層由于受褶皺構(gòu)造影響，局部變薄。巷道頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 巷道頂?shù)装迩闆r

根據(jù)現(xiàn)有資料分析，本工作面掘進(jìn)期間揭露2條正斷層，一條落差2.8 m，另一條落差0.7 m，工作面回采過程中不排除揭露斷層的可能，施工期間，必須加強(qiáng)頂板管理，確保施工安全。

1.2 巷道布置

運(yùn)輸順槽：巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)梯+錨索聯(lián)合支護(hù)，梯形斷面，上底4.4 m，下底4.8 m，凈高2.7 m，局部頂板破碎處及遇斷層時(shí)，采用加密錨桿排距及打設(shè)單體支柱復(fù)合加強(qiáng)支護(hù)。

軌道順槽：巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)梯+錨索聯(lián)合支護(hù)，巷道梯形斷面，上底4.4 m，下底4.8 m，凈高2.7 m，局部頂板破碎處及遇斷層時(shí)，采用加密錨桿排距及打設(shè)單體支柱復(fù)合加強(qiáng)支護(hù)。

2 沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

由于工作面直接底為平均厚度1.26 m的泥巖，遇水易膨脹，易底臌，工作面開采過程中，巷旁支護(hù)體承受較大頂板壓力并傳遞到底板巖層，泥巖會(huì)發(fā)生擠壓流動(dòng)性底臌[1]。

沿空留巷支護(hù)分為巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)，為保證沿空留巷順利實(shí)施，軌道順槽掘進(jìn)施工中要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行施工和支護(hù)，確保工程質(zhì)量，為留巷打下良好基礎(chǔ)[2-3]。

2.1 巷內(nèi)支護(hù)

頂板及兩幫支護(hù)：支護(hù)方式為錨網(wǎng)梯+錨索聯(lián)合支護(hù)，頂部6根φ20 mm×2 400 mm錨桿，左右兩幫各4根(φ20 mm×2 400 mm樹脂錨桿；錨桿間排排距800 mm，托盤使用100 mm×100 mm拱形金屬托盤，厚度為12 mm；右?guī)图绊敯宀捎脟姖{封閉，噴厚100 mm；頂板錨索規(guī)格φ17.8 mm×7 000 mm，排距2 400 mm，如圖1所示。錨固劑使用樹脂錨固劑，全長(zhǎng)錨固，頂部錨桿每孔裝1根CK2350和2根K2370，錨桿錨固力不小于100 kN。鋼筋梯采用12#圓鋼焊接而成，兩幫規(guī)格為φ12 mm×59 mm×2 100 mm，頂板采用φ12 mm×59 mm×4 300 mm。網(wǎng)片采用10#鍍鋅鐵絲制成的菱形網(wǎng)，網(wǎng)格規(guī)格(長(zhǎng)×寬)=50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格：5 000 mm×900 mm(頂部)，2 600 mm×900 mm(兩幫部)。

底板錨桿支護(hù)：如圖1所示，先把巷道向底板下挖500 mm后安設(shè)底板錨桿，之后鋪設(shè)300 mm厚度的混合砂，然后填灌混凝土鋪平至原底板高度。采用錨桿錨固與注漿加固結(jié)合，通過注漿加固巷道圍巖，水泥注漿中水泥標(biāo)號(hào)為525#，水灰比為1∶2.0～1∶2.5，錨桿選用20 mm×2 600 mm普強(qiáng)螺紋鋼錨桿，配150 mm×150 mm×10mm鐵托盤，兩底角各l根錨桿，與底板角度為45°，底板4根，間排距為800 mm×800 mm，垂直于底板打入。

圖1 巷道支護(hù)圖

2.2 巷旁支護(hù)

為了使沿空留巷更加可靠、穩(wěn)定，保證通風(fēng)斷面，應(yīng)盡可能減少留巷的寬度。由于巷道設(shè)計(jì)為梯形斷面，上底寬4 400 mm，下底寬4 800 mm，為了使留巷在變形后順利滿足下一個(gè)工作面的生產(chǎn)使用，因此墻體取圖2所示位置。

由于技術(shù)人員的操作要求以及水準(zhǔn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的使用性能有很大影響，因此施工單位需要做好操作人員技能的培訓(xùn)。在提高技術(shù)人員綜合素質(zhì)的能力之外，還需要保證操作人員能夠?qū)C(jī)械的使用性能以及壽命有所了解。同時(shí)還要不斷提高他們的安全意識(shí)，使其能夠在機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中樹立安全意識(shí)，盡可能的減少人為因素，或者是違規(guī)操作引發(fā)的安全事故發(fā)生。

圖2 墻體位置及尺寸

墻體砌筑材料為混凝土預(yù)制塊，混凝土原材料使用水泥、粉煤灰、砂、石子。砌塊墻體的混凝土砌塊強(qiáng)度等級(jí)為C30，施工時(shí)取1.2 m，可以滿足支護(hù)強(qiáng)度要求；隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度不能滿足生產(chǎn)要求時(shí)，及時(shí)變更混凝土的配比，加強(qiáng)混凝土砌塊的強(qiáng)度[4]。實(shí)際配合比應(yīng)根據(jù)該礦實(shí)際使用的水泥牌號(hào)、砂石地材等材料進(jìn)行配合比試驗(yàn)后確定。

3 沿空留巷的觀測(cè)設(shè)計(jì)

3.1 觀測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)軌道順槽沿空留巷礦壓觀測(cè)要求及測(cè)站位置選擇的一般原則，確定設(shè)立3個(gè)礦壓觀測(cè)站，分別位于軌道順槽距切眼50 m、150 m、200 m的位置。這幾個(gè)位置的巷道圍巖條件具有代表性，所測(cè)數(shù)據(jù)能夠代表留巷應(yīng)力及圍巖變形的一般規(guī)律。測(cè)站位置如圖3所示。

圖3 測(cè)站布置平面圖

每個(gè)測(cè)站設(shè)置3組墻體變形測(cè)點(diǎn)、4組巷道表面位移測(cè)點(diǎn)、1組墻體承載測(cè)點(diǎn)、1組多點(diǎn)位移測(cè)點(diǎn)和4組巷道頂板壓力測(cè)點(diǎn)。墻體變形測(cè)點(diǎn)和巷道表面位移測(cè)點(diǎn)可設(shè)置在同一斷面上，相鄰兩組測(cè)點(diǎn)間距2 m；多點(diǎn)位移測(cè)點(diǎn)不能與巷道表面位移測(cè)點(diǎn)設(shè)置在同一個(gè)斷面上，二者的距離應(yīng)不小于2 m。

測(cè)點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)在墻體砌筑時(shí)或砌好后立即進(jìn)行，每天要對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集工作直到工作面煤壁后方150 m以后方可停止(巷道頂板壓力觀測(cè)除外)。

3.2 觀測(cè)結(jié)果

工作面推進(jìn)時(shí)前方巷道變形：在工作面前方的軌道順槽里共布置了12個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，推進(jìn)40 m時(shí)巷道變形情況見表2。從觀測(cè)數(shù)據(jù)看，1～6號(hào)測(cè)點(diǎn)變形較小，7～12號(hào)測(cè)點(diǎn)變形較大，說明工作面前方巷道變形受采動(dòng)影響較大。

表2 工作面前方巷道變形觀測(cè)結(jié)果

工作面推進(jìn)時(shí)后方留巷變形：從表3可以看出，底臌量平均為128 mm，基本不影響正常生產(chǎn)，兩幫位移較小，墻體局部地方有一定變形，非采幫變形較小。在工作面后方，采動(dòng)影響的距離大約為130 m，130 m后留巷變形基本穩(wěn)定，因此，工作面后方滯后支護(hù)的距離不能小于130 m。

工作面停采后巷道累計(jì)變形：在工作面軌道順槽里布置的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)整理出工作面停采后巷道各測(cè)點(diǎn)圍巖累計(jì)變形量，見表4。

沿空留巷圍巖變形規(guī)律：從表4可以看出，沿空留巷圍巖變形可分3階段。①0～100 m段，巷道受初采期間來壓影響，頂板下沉累計(jì)量為962 mm，平均為96.2 mm；底板臌起累計(jì)移近量為1 759 mn，平均為175.9 mm，最大值為350 mm；不采幫累計(jì)移近量為1 905 mm，平均為190.5 mm；砌墻幫累計(jì)移近量為237 mm，平均為128.2 mm；②100～200 m段，巷道受周期來壓影響，頂板下沉累計(jì)量為1 297 mm，平均為129.7 mm：底板臌起累計(jì)移近量為1 431 mm，平均為143.1 mm，最大值為190 mm：不采幫累計(jì)移近量為2 065 mm，平均為206 mm：砌墻幫累計(jì)移近量為1 100 mm，平均為110 mm；③200～380 m段，巷道受末采期間來壓影響，受測(cè)點(diǎn)布置限制，由理論推導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)判斷，此時(shí)可以很確定200～280 m處于同一階段，此處僅分析200～250 m的位移量，頂板下沉累平均30 mm，最大值為120 mm；底板臌起平均為72.3 mm，最大值為274 mm；不采幫向巷內(nèi)移近量平均為115.5 mm；砌墻幫累計(jì)平均為47.9 mm；④總體來看，在底角錨桿的作用下，巷道底臌量大于頂板下沉量，不采幫移近量大于砌墻幫移近量。這說明頂板巖層的下沉和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程對(duì)小結(jié)構(gòu)的影響不因巷內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度大小而改變，只是在小結(jié)構(gòu)周邊局部有較為明顯的改變。

表3 工作面后方巷道變形

表4 工作面累計(jì)變形

錨桿受力：在軌道順槽中共布置了10組錨桿錨索受力觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)見表5。由表5可看出，沿空留頂?shù)装灏咫x層儀受力可分3階段分析，沿空留巷內(nèi)100～240 m階段受周期來壓影響，錨桿及錨索受力較明顯，大于0～100 m、240～350 m階段的受力，隨著工作面的推進(jìn)頂板及兩幫逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。從觀測(cè)數(shù)據(jù)看，錨桿錨索受力正常，未出現(xiàn)錨桿受力過載的情況，說明支護(hù)強(qiáng)度是合適的[5]。

表5 錨桿錨索受力觀測(cè)結(jié)果(MPa)

上下區(qū)段回采時(shí)的比較：從沿空留巷的變形來看，上區(qū)段面回采期間由于采動(dòng)影響和采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動(dòng)沒有穩(wěn)定，造成沿空留巷在上區(qū)段工作面回采期間變形較大，有明顯的底臌。上區(qū)段回采結(jié)束后，對(duì)沿空留巷局部變形過大處進(jìn)行治理，下區(qū)段面回采時(shí)，回采段的沿空留巷已經(jīng)經(jīng)過了近6個(gè)月的時(shí)間，下區(qū)段工作面采空區(qū)上覆巖層的冒落也基本趨于穩(wěn)定，沿空留巷也基本上穩(wěn)定，因此，在下區(qū)段工作面回采時(shí)，無論頂板下沉或是兩幫收斂均比上區(qū)段回采期間小很多，下區(qū)段回采時(shí)，沿空留巷的底臌也不明顯。沿空留巷的底板離層在下區(qū)段面回采時(shí)比上區(qū)段面留巷期間要小，下區(qū)段面回采留巷時(shí)最大的底臌量為274 mm，而下區(qū)段面回采時(shí)離層值最大只有106 mm，其它各點(diǎn)的位移量也均相對(duì)較小，說明巷道在留巷及回采期間均是穩(wěn)定的。錨桿、錨索的受力在下區(qū)段工作面回采期間比留巷期間有所增加，但增加的幅度不大。

4 結(jié)論

(1)錨桿受力觀測(cè)表明巷道支護(hù)強(qiáng)度合適，沿空留巷穩(wěn)定，支護(hù)效果良好，可以滿足生產(chǎn)要求。

(2)留巷受采動(dòng)影響的距離，工作面前方20 m左右，工作面后方大約為130 m。

(3)采用底板錨桿控制底板巖層的受力和位移，使留巷在服務(wù)過程中保持穩(wěn)定，尤其是對(duì)于底板巖層，有效地控制了底臌現(xiàn)象。