某礦綜放面沿空掘巷支護(hù)效果分析

武建國

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦，山西 孝義 032300)

1 工程概況

某礦為特大型礦井，年產(chǎn)量為800萬t，1306工作面軌道順槽屬于一采區(qū)，位于-660 m水平，地面標(biāo)高約為+46.36 m～+50.32 m，井下標(biāo)高約為-576.3 m～-516.4 m。

1306軌道順槽沿底板在3煤中掘進(jìn)，3煤內(nèi)部發(fā)育兩層夾矸，一層在距煤層底板往上5.50 m～5.80 m處，厚度約0.02 m～0.03 m，為粉砂質(zhì)泥巖；另一層在距底板之上約2.90 m～3.90 m處，厚度約0.30 m～0.50 m，為粉砂巖或泥巖。3煤厚度約8.21 m～9.45 m，平均厚度約8.80 m，煤硬度f=2～3，煤層沉積比較穩(wěn)定，煤層厚度變化比較小。3煤直接底為一層厚度約1.00 m～2.65 m的粉砂巖，硬度系數(shù)f=4～6；3煤直接頂為一層厚度約0 m～11.64 m的粉砂巖，硬度f=4～5；3煤老頂為一層厚度約14.35 m～23.34 m的中、細(xì)砂巖，硬度f=5～7。3煤層具有一定弱沖擊傾向性。

2 巷道支護(hù)方案設(shè)計

1306軌道順槽布置采取留小煤柱沿空掘巷的方式，順槽為梯形斷面，巷道掘進(jìn)方向為沿3上煤和3下煤的夾矸上平面，巷道凈高不低于3 800 mm。3下煤和夾矸厚度小于3.8 m，破3上煤，沿3下底板方向掘進(jìn)，巷道高不小于3.8 m：3下煤和夾矸厚度為3.8 m～4.5 m時，掘進(jìn)方向為沿夾矸上平面及3下煤底板；3下煤和夾矸厚度大于4.5 m時，在底板處留底煤控制巷道高度不小于3.8 m。沿空巷道實體煤幫扎角87°，煤柱幫扎角90°，下底凈寬度為5.0 m，上底凈寬度為4.8 m；凈斷面面積為18.62 m2；巷道掘進(jìn)高度為4.0 m，下底掘進(jìn)寬度為5.2 m，上底掘進(jìn)寬度為5.0 m，掘進(jìn)斷面面積為20.4 m2。

本巷道所設(shè)計的支護(hù)方式為錨網(wǎng)帶和錨索聯(lián)合支護(hù)，本文從頂板支護(hù)、實體煤幫支護(hù)、小煤柱支護(hù)三方面分別說明設(shè)計的支護(hù)方式及參數(shù)[1-3]。

2.1 頂板控制

每排安設(shè)7根Φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，桿體強(qiáng)度為KMG500，每根錨桿用2支CK2570樹脂錨固劑，在端部用1塊60 mm×60 mm×10 mm鐵托盤加固。錨桿間距為750 mm，排距為800 mm。鋼帶兩端錨桿與水平方向呈75°角斜向上打注，其他頂部錨桿垂直于頂板打注。

距巷中左右750 mm各布置一排錨索，錨索排距1 600 mm。錨索尺寸為22 mm×8 500 mm，錨索用鋼絞線制成，每根錨索使用1支CK2550樹脂錨固劑，2支CK2570樹脂錨固劑，端部使用1塊尺寸為250 mm×250 mm×18 mm的碟型鋼托盤。錨索打注滯后迎頭不超過4 m。

巷道頂部使用4 800 mm長的梯型鋼帶，鋼帶端頭眼孔為滑孔，孔距為750 mm。頂板布置金屬菱形網(wǎng)，菱形網(wǎng)材料為8#鍍鋅鐵絲，網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm，臨近2片網(wǎng)間聯(lián)接12#雙股鐵絲。網(wǎng)間搭接50 mm～100 mm，聯(lián)網(wǎng)扣布置于菱形網(wǎng)鎖邊往里第1個十字絞點處，每隔一個絞點聯(lián)一扣，擰扣不得少于3圈。

2.2 小煤柱加固

每排安設(shè)5根Φ20 mm×2 000 mm全螺紋鋼錨桿，桿體強(qiáng)度為KMG400，每根錨桿使用2支CK2550樹脂錨固劑，端部用1塊規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的弧形鐵托盤加固。在鋼帶往下不大于200 mm處打注第1根錨桿，兩幫第1根錨桿與水平方向呈15°～25°仰角打注，第2根到第4根垂直于煤壁打注，錨桿上、下間距為800 mm，第5根斜向下與水平方向呈15°～20°俯角，距離底板小于500 mm，并保證錨桿托盤要緊壓金屬網(wǎng)。施工過程中要在每次循環(huán)架設(shè)一排排距為800 mm的鋼帶，兩幫上面的2根錨桿一排一打，第3根可以滯后迎頭2排再打注，第4根可滯后3排，第5根可滯后6排，幫部煤壁較松軟片幫時需緊跟迎頭打注。

沿空幫錨索布置方式為在相鄰的錨桿之問隔排插花布置，錨索排距1 600 mm。在沿空幫頂板往下500 mm以25°～35°仰角打注1根5 000 mm長錨索，幫部垂直于煤壁打注1根3 500 mm長錨索。錨索材料為鋼絞線，錨索直徑22 mm，使用1支CK2550錨固劑，2支CK2570錨固劑，幫錨索使用1塊尺寸為250 mm×350 mm×18 mm的碟型鋼托盤，預(yù)緊力大于80 kN的弧形壓力碗1個。上部錨索滯后迎頭的距離不大于4 m，下部滯后距離不大于30 m。

巷道幫部布置金屬菱形網(wǎng)，從兩肩窩直至夾矸下平面以下300 mm布置雙層金屬網(wǎng)。幫部金屬網(wǎng)材料、尺寸及布置方法和頂部相同。

噴漿封閉范圍為軌順巷道沿空幫和頂板0.5 m，厚度為50 mm，要求足夠嚴(yán)密、無孔洞?；炷翗?biāo)號為C20，所用質(zhì)量配比為m(水泥)∶m(砂子)∶m(石子)=1∶2∶2。噴漿施工時，要不斷調(diào)整受噴面與噴頭的距離和角度，防止噴漿材料回彈，受噴面與噴頭距離約0.8 m～1.0 m。噴漿機(jī)噴射時的供風(fēng)壓為0.2 MPa左右，水壓高于風(fēng)壓0.1 MPa。噴射過程中應(yīng)及時調(diào)整給水量，水灰比例應(yīng)控制在0.4～0.5。同時，要保證反復(fù)噴射均勻，并確保封堵密實，無縫隙或孔洞。噴射時如果有停風(fēng)或堵管現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)立即將噴頭下垂，以防止水倒流，并及時停電、停風(fēng)。人工卸料時，速凝劑摻入混合料內(nèi)要均勻。根據(jù)不同的噴射要求，速凝劑摻入量應(yīng)控制在水泥的3%～5%，噴頂取上限。

2.3 實體煤幫支護(hù)

幫部錨桿的布置方式與煤柱幫相同。根據(jù)該采區(qū)現(xiàn)有的沿空順槽觀測結(jié)果，在超前支承壓力影響下，巷道表面變形較大，特別是兩幫變形。所以需在巷道實體煤幫另外補打長錨索加強(qiáng)支護(hù)。

在實體煤幫布置2根規(guī)格為Φ22 mm×8.5 m的長錨索。幫部上方錨索在頂部錨桿之下50 cm，以15°～25°仰角打注，安裝時應(yīng)保證錨索穿過頂板夾層；中部錨索在實體煤幫第3根錨桿之下0.35 m，垂直于煤壁打注。每兩排錨桿布置一排錨索，即，錨索排距1.6 m。

錨索材料為鋼絞線，每孔采用一支CK2550和2支CK2570樹脂藥卷加長錨固，預(yù)緊力應(yīng)大于80 kN，錨固力大于200 kN，以保證效果。實體煤幫金屬網(wǎng)的布置方式與小煤柱幫相同。

1306軌道順槽支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 支護(hù)斷面(mm)

3 支護(hù)效果實測分析

為了研究上文支護(hù)方式和參數(shù)的實際支護(hù)效果，在軌道順槽中設(shè)置測站，對巷道表面位移進(jìn)行了監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)反映巷道表面位移的大小及巷道斷面縮小程度，判斷圍巖的運動是否超過其安全允許值，是否影響巷道的正常使用。具體包括：頂板下沉量、底臌量、實體煤幫位移量和煤柱幫位移量，進(jìn)一步得到頂?shù)装寮皟蓭拖鄬ξ灰屏縖4-5]。

在1306軌道順槽掘進(jìn)期間，在迎頭后方布置3個測點：1#測點(469#鋼帶375.2 m處)、2#測點(504#鋼帶403.2 m處)、3#測點(541#鋼帶432.8 m處)，測點布置如第169頁圖2所示，將觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理，并繪制分析曲線圖。

圖2 巷道表面位移監(jiān)測點布置圖

以1306工作面回采為例，采用“十字”布點法，在1306軌道順槽距開切眼90 m、100 m、108 m處各設(shè)一組點，將觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理，并繪制分析曲線圖。

3.1 掘巷期間巷道表面位移

1) 1306軌道順槽掘進(jìn)期間，1#測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)制成的曲線如圖3所示。

圖3 1#測點巷道表面位移變化曲線

頂?shù)装遄畲笙鄬ξ灰茷?45 mm，其中，頂板最大下沉量80 mm，在掘進(jìn)迎頭后方180 m處變形趨于穩(wěn)定；最大底臌量65 mm，在掘進(jìn)迎頭后方180 m處變形趨于穩(wěn)定。

在觀測期間，兩幫最大相對位移為340 mm，其中，實體煤幫最大位移190 mm，煤柱幫最大位移150 mm。

由頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃慰芍锏涝谟^后方48 m范圍內(nèi)變形較為劇烈，且兩幫移近量大于頂?shù)装逡平俊?/p>

2) 1306軌道順槽掘進(jìn)期間，2#測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成的曲線如圖4所示。

在觀測期間，頂?shù)装遄畲笙鄬ξ灰茷?93 mm，其中，頂板最大下沉量109 mm，在掘進(jìn)迎頭后方170 m處變形趨于穩(wěn)定；最大底臌量84 mm，在掘進(jìn)迎頭后方170 m處變形趨于穩(wěn)定。

在觀測期間，兩幫最大相對位移為299 mm，其中，實體煤幫最大位移177 mm，煤柱幫最大位移122 mm。

圖4 2#測點巷道表面位移變化曲線

由頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃慰芍?，巷道在迎頭后方70 m范圍內(nèi)變形較為劇烈，且兩幫移近量大于頂?shù)装逡平浚褐鶐臀灰拼笥趯嶓w煤幫位移。

3) 1306軌道順槽掘進(jìn)期間，3#測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成的曲線如圖5所示。

圖5 3#測點巷道表面位移變化曲線

在觀測期間，頂?shù)装遄畲笙鄬ξ灰茷?33 mm，其中，頂板最大下沉量174 mm，在掘進(jìn)迎頭后方125 m處變形趨于穩(wěn)定；最大底臌量59 mm，在掘進(jìn)迎頭后方148 m處變形趨于穩(wěn)定。

在觀測期間，兩幫最大相對位移為445 mm，其中，實體煤幫最大位移287 mm，煤柱幫最大位移158 mm。

由頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃慰芍?，巷道在迎頭后方62 m范圍內(nèi)變形較為劇烈，且兩幫移近量大于頂?shù)装逡平?，煤柱幫位移大于實體煤幫位移。

綜合分析上述數(shù)據(jù)，可以得到綜放沿空順槽在掘進(jìn)期間的變化規(guī)律如下：

綜放沿空巷道掘進(jìn)期間的表面位移隨距迎頭距離的增大而逐漸增大，最終趨于平穩(wěn)。

巷道表面變形經(jīng)歷了從急劇升高到緩慢升高再到趨于穩(wěn)定3個階段，急劇升高段位于距離迎頭約70 m以內(nèi)，趨于穩(wěn)定段位于距迎頭180 m以外，巷道頂板變形最終穩(wěn)定在80 mm～174 mm范圍內(nèi)，底膨變形穩(wěn)定在59.84 mm，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在145 mm～233 mm，實體煤幫移近量穩(wěn)定在190 mm～287 mm，小煤柱幫移近量穩(wěn)定在122 mm～155 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在299 445 mm。

沿空順槽兩幫位移大于頂?shù)装逦灰?，而實體煤幫位移大于小煤柱幫。

3.2 回采期間巷道表面位移

在1306軌順距開切眼90 m、100 m、108 m處設(shè)3組測點，觀測1306軌順巷道圍巖變形情況。將觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理，并繪制分析曲線圖。

1) 1306軌道順槽圍巖變形

1306軌道順槽1#測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖6所示。

圖6 1#測點巷道表面位移變化曲線

由圖6可以看出：

a) 測點距工作面煤壁70 m兩幫移近量變化基本穩(wěn)定，64 m時兩幫移近量有逐步增大趨勢，50 m時進(jìn)入劇烈影響區(qū)，工作面煤壁處兩幫移近量變化最大，其移近量為1 268 mm，劇烈影響區(qū)域為50 m。

b) 測點距工作面煤壁70 m～73 m時頂?shù)滓平孔兓痉€(wěn)定，64 m時頂?shù)滓平坑种鸩皆龃蟪噬仙厔荩?0 m時變形量劇增，為劇烈影響區(qū)，工作面煤壁處移近量變化最大，其移近量為768 mm。

1306軌道順槽2#測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖7所示。

圖7 2#測點巷道表面位移變化曲線

根據(jù)圖7可以看出：

a) 測點距工作面煤壁80 m兩幫移近量變化基本穩(wěn)定，68 m開始兩幫移進(jìn)量逐步增大并呈上升趨勢，測點距工作面煤壁4 m處兩幫移近量變化最大，其移近量為1 245 mm，劇烈影響區(qū)域為65 m。

b) 測點距工作面煤壁69 m頂?shù)滓平孔兓痉€(wěn)定，56 m開始頂?shù)滓平恐鸩皆龃蟪噬仙厔?，測點距工作面煤壁4 m處兩移近量變化最大，其移近量為548 mm，劇烈影響區(qū)域為51 m。

1306軌道順槽3#測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)整理繪制成曲線如圖8所示。

圖8 3#測點巷道表面位移變化曲線

根據(jù)圖8可以看出：

a) 測點距工作面煤壁82 m兩幫移近量變化基本穩(wěn)定，77 m兩幫移近量逐步增大呈上升趨勢，工作面煤壁處兩幫移近量最大，其移進(jìn)量為1 203 mm，劇烈影響區(qū)域為64 m。

b) 測點距工作面煤壁82 m頂?shù)滓平孔兓痉€(wěn)定，77 m頂?shù)滓平恐鸩皆龃蟪噬仙厔?，工作面煤壁處兩移近量最大，其移近量?16 mm，劇烈影響區(qū)域為64 m。

綜上可知：

a) 軌道順槽超前影響范圍在距工作面煤壁64 m～74 m；劇烈影響范圍在距工作面煤壁50 m、64 m。

b) 由圍巖變形量數(shù)值看，軌順兩幫變形量要大于頂?shù)装宓淖冃瘟?，兩幫變形量約為頂?shù)装遄冃瘟康?.6倍～3.2倍。

4 研究結(jié)果的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

針對綜放沿空巷道大變形的特點，著眼于巷道的實際支護(hù)效果，以現(xiàn)場數(shù)據(jù)為依托，全面系統(tǒng)地研究了綜放沿空掘巷巷道圍巖控制技術(shù)，對巷道圍巖側(cè)向應(yīng)力場、沿空巷道穩(wěn)定性原理、錨固系統(tǒng)等進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究，科學(xué)地提出了留設(shè)小煤柱沿空掘巷的新支護(hù)方案，現(xiàn)場巷道維護(hù)狀況良好，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

在采用長錨索加固實體煤幫之前，綜放沿空巷道兩幫變形極為劇烈，尤其是實體煤幫變形嚴(yán)重。實體煤幫變形最大甚至達(dá)到3 m，而煤柱幫噴層也已經(jīng)嚴(yán)重破壞。嚴(yán)重變形的巷道斷面嚴(yán)重縮小，已不能滿足安全生產(chǎn)的要求。

按照之前設(shè)計的支護(hù)參數(shù)，對1306軌道順槽試驗采用了實體煤幫長錨索加固，發(fā)現(xiàn)該巷道圍巖變形明顯減小。支護(hù)效果證實了這種加固方法的作用，可以保證巷道在使用期間的穩(wěn)定性，滿足綜放開采的要求。

由于采用科學(xué)、合理的支護(hù)方案，大大減小了返修巷道所帶來的對生產(chǎn)的一系列影響，加快了掘進(jìn)速度，保證了正常生產(chǎn)。此外，還節(jié)約了大量維護(hù)費用，減輕了工人勞動強(qiáng)度，提高了掘進(jìn)效率和支護(hù)質(zhì)量，有效提高了礦井的生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

根據(jù)綜放側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)和支承壓力分布規(guī)律，結(jié)合沿空巷道實體煤幫控制設(shè)計，針對1306軌道順槽進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計，得到了很好的效果。

1) 綜放沿空巷道實體煤幫以高錨固力的長錨索加固為主，綜合運用錨桿、金屬網(wǎng)、鋼帶、長錨索、短錨索聯(lián)合支護(hù)方式。

2) 現(xiàn)場結(jié)果顯示，沿空巷道掘進(jìn)期間表面位移隨著距迎頭距離的增大而增大，并且經(jīng)過了急劇升高、緩慢升高和趨于穩(wěn)定3個階段，分別位于距迎頭70 m以內(nèi)、70 m～180 m和180 m之外，巷道頂板下沉59 mm～87 mm，底板臌起65 mm～174 mm，頂?shù)装逡平繛?45 mm～233 mm，實體煤幫變形150 mm～287 mm，小煤柱幫變形125 mm～190 mm，兩幫移近量最終為315 mm～445 mm；工作面回采期間巷道變形更加劇烈，頂?shù)装逡平繛?48 mm～768 mm，兩幫移近量為1 203 mm～1 245 mm?？梢钥闯觯C放沿空巷道變形后仍有較寬裕的工作空間，可以保證設(shè)備運輸及工作人員安全。

3) 沿空順槽掘進(jìn)及工作面回采期間巷道圍巖應(yīng)力變化劇烈，巷道變形量較大，變形影響范圍廣。沿空順槽兩幫的位移大于頂?shù)装宓奈灰疲瑢嶓w煤幫的位移大于煤柱幫，頂板位移大于底板。

4) 無論在掘進(jìn)還是回采期間，綜放沿空巷道變形都得到了有效控制，錨桿、錨索及圍巖等組成的承載結(jié)構(gòu)使巷道保持了較高的穩(wěn)定性，特別是兩幫變形顯著減小，由加固前的3 m以上減小到加固后的不足1.5 m，實現(xiàn)了巷道安全支護(hù)。