深井托厚頂煤沿空順槽圍巖失穩(wěn)協(xié)同治理關(guān)鍵技術(shù)

商全根

（山東煤礦安全監(jiān)察局魯南監(jiān)察分局，山東 棗莊 277800）

隨著對(duì)能源需求量的增加和開采強(qiáng)度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進(jìn)入深部開采狀態(tài)[1]，沖擊地壓與巷道圍巖大變形成為制約礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。只有同時(shí)具備內(nèi)在條件、結(jié)構(gòu)條件和應(yīng)力條件這3個(gè)條件，才會(huì)發(fā)生沖擊地壓[2]。鉆孔卸壓技術(shù)是面臨沖擊威脅礦井廣泛采用的一種有效解危措施[3]。本文旨在統(tǒng)籌考慮鉆孔卸壓治理與巷道變形控制，發(fā)揮“卸壓-支護(hù)”協(xié)同治理作用。

1 概況

棗礦集團(tuán)田陳煤礦六一采區(qū)主采3下煤，其彈性能指數(shù)為2.25，具有弱沖擊傾向性，煤層平均厚度6.0m，基本頂為平均厚117m的中砂巖，上覆平均厚度90.6m的礫巖層。3下6116軌道巷設(shè)計(jì)沿3下6116采空區(qū)布置，區(qū)段煤柱寬度4.5m。根據(jù)田陳煤礦以往開采經(jīng)驗(yàn)，沿空順槽變形量一般都要超過巷道斷面20%，3下6110沿空順槽兩幫位移最大達(dá)1.1m，頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)0.6m。為了消除沖擊地壓危險(xiǎn)，控制巷道變形，田陳煤礦開展了系列研究，優(yōu)化了卸壓鉆孔參數(shù)及巷道支護(hù)參數(shù)，并在3下6116沿空順槽成功應(yīng)用。

2 理論分析

我國學(xué)者在巷道支護(hù)理論方面提出了新奧法支護(hù)理論、聯(lián)合支護(hù)理論、松動(dòng)圈支護(hù)理論、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論等多種支護(hù)理論，目的都是為了保持巷道圍巖穩(wěn)定性。卸壓鉆孔防沖機(jī)制根據(jù)其施工時(shí)機(jī)的不同分為兩種，用于預(yù)卸壓時(shí)，其防治沖擊地壓的機(jī)制是改變煤體的物理性質(zhì)和積聚能量的條件；而用于解危時(shí)，其防治沖擊地壓的機(jī)制是耗散煤體積聚的彈性能和增加阻抗力[4]。但是，卸壓鉆孔施工后，在應(yīng)力作用下將逐漸塌孔，降低了巷道圍巖強(qiáng)度，將會(huì)促進(jìn)塑性區(qū)擴(kuò)展，破壞巷道支護(hù)效果。

為解決卸壓鉆孔與巷道支護(hù)之間的矛盾，筆者提出了“內(nèi)圈強(qiáng)支、中圈卸壓、外圈承載”治理思路，即在巷道松動(dòng)圈范圍內(nèi)注漿加固，提高巷道圍巖強(qiáng)度，保證巷道支護(hù)具有足夠強(qiáng)度，中圈利用卸壓鉆孔改變煤體物理性質(zhì)和積聚能量條件，將煤體應(yīng)力向外圈轉(zhuǎn)移，由外圈承受載荷，并且在發(fā)生沖擊地壓時(shí)能夠作為主要吸能層保護(hù)內(nèi)圈巷道穩(wěn)定性，其作用機(jī)理如圖1所示。

圖1 “卸壓-支護(hù)”協(xié)同治理作用機(jī)理

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)強(qiáng)排煤粉防治沖擊地壓的機(jī)理，以“增變”為原則，確定鉆孔直徑和間距。設(shè)安全增變量為△ε，煤層厚度為h，煤體密度為ρ，則沿走向單位長度需布置的鉆孔數(shù)N應(yīng)滿足

式中：

d-鉆孔直徑，取133mm；

k-增益系數(shù)，即單個(gè)鉆孔實(shí)際排粉質(zhì)量m'與設(shè)計(jì)排粉質(zhì)量m之比（m=ρπd2/4；m′=km），根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，預(yù)卸壓時(shí)k=1～1.5，解危時(shí)k=2～3；

△ε-安全增變量，取1.5‰。

則鉆孔間距D的計(jì)算公式為

根據(jù)式（2）計(jì)算，3下6116軌道巷卸壓鉆孔布置參數(shù)為：孔徑133mm，孔間距2m，孔深20m。

3下6116軌道巷頂部打設(shè)五棵高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿，其間排距為900×900mm，鋪掛鋼筋網(wǎng)及鋼筋梯（W鋼帶），沿煤層頂板掘進(jìn)段，頂板每隔四排錨桿在距巷道中心線兩側(cè)各900mm處的頂板上打設(shè)兩棵錨索，托頂煤掘進(jìn)段，頂板每隔兩排錨桿在距巷道中心線兩側(cè)各900mm處的頂板上打設(shè)兩棵錨索；兩幫部各打設(shè)五棵高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，掛鐵絲網(wǎng)配鋼筋梯，其間排距為900×900mm。頂板錨桿規(guī)格為Φ22×2400mm，幫部錨桿規(guī)格為Φ20×2400mm，W鋼帶規(guī)格為 4000×275×2.75mm，錨索規(guī)格為Φ17.8mm的鋼絞線，其長度以能錨入硬巖的深度不小于1.5m為準(zhǔn)，兩幫鋼筋梯規(guī)格為3500×70mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為4200×1070mm，幫部鐵絲網(wǎng)規(guī)格為6000×1200mm。

注漿錨桿采用黑鐵管制作，壁厚4mm，桿體上鉆有Φ6mm注漿孔，規(guī)格Φ20×2000mm注漿錨桿結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 注漿錨桿示意圖

托頂煤段頂板及兩幫注漿錨桿規(guī)格Φ20×2000mm，封孔采用快硬水泥藥卷。注漿錨桿全斷面布置，頂板注漿錨桿間排距1200×1200mm，上幫注漿錨桿間排距為1300×1100mm，下幫注漿錨桿間排距為1100×1100mm，底角注漿錨桿下扎30～45°，排距1100mm。注漿水泥必須使用標(biāo)號(hào)不低于425#水泥，制作水泥漿液水灰比，清水:水泥=1:1～0.7:1。

4 現(xiàn)場效果

根據(jù)礦壓觀測結(jié)果顯示（圖3），巷道兩幫最大位移量為100mm，頂?shù)装遄畲笪灰屏?5mm，頂?shù)装迤骄灰扑俾蔬_(dá)到1.87mm/d，兩幫平均位移速率達(dá)到2.5mm/d；采用注漿加固方案巷道表面位移量顯著減少，平均移近量速率降低，表明巷道圍巖變形得到了明顯有效控制。巷道沒有明顯變化與破壞，同時(shí)根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，也避免了高應(yīng)力集中。巷道滿足回采使用的要求，保證礦井的安全生產(chǎn)。

圖3 巷道表面位移曲線圖

5 結(jié)論

（1）卸壓鉆孔在改變煤體的物理性質(zhì)和積聚能量的條件的同時(shí)，將對(duì)巷道圍巖造成一定破壞，影響巷道支護(hù)效果。

（2）采用巷道圍巖注漿加固技術(shù)能夠大幅提高巷道圍巖強(qiáng)度，遏制巷道圍巖流變，提高巷道支護(hù)效果。

（3）“內(nèi)圈強(qiáng)支、中圈卸壓、外圈承載”治理方法能夠充分發(fā)揮“卸壓-支護(hù)”協(xié)同治理作用，在預(yù)防沖擊地壓事故的同時(shí)，保證巷道圍巖穩(wěn)定性。