E305工作面回風(fēng)輔助巷過(guò)采空區(qū)圍巖控制技術(shù)研究

汪大鵬

（山西長(zhǎng)治羊頭嶺東掌煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

1 工程地質(zhì)

山西長(zhǎng)治羊頭嶺東掌煤業(yè)有限公司礦井位于長(zhǎng)治市長(zhǎng)治縣南17km處東掌村，行政區(qū)劃屬長(zhǎng)治市長(zhǎng)治縣南宋鄉(xiāng)管轄，該礦往北直距長(zhǎng)治市29km，直距長(zhǎng)治縣城韓店17km。太焦鐵路于井田西側(cè)通過(guò)，最近的火車站為東田良車站，直距井田17km。交通四通八達(dá)，十分便利。現(xiàn)開采3號(hào)煤；南側(cè)為高平仁家莊煤礦，已關(guān)閉。井田南北長(zhǎng)約5.0km，東西寬約2.2km，井田面積 7.7617km2，開采標(biāo)高：1110～760m。

東掌煤業(yè)有限公司E305工作面所采煤層屬于下二疊統(tǒng)山西組下部的3號(hào)煤層，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。煤層平均厚度4.93m，工作面埋深為153～251m，煤層偽頂為黑色泥巖，厚為0.1～1.0m；直接頂為灰黑色泥巖，厚約2.2m；老頂為淺灰色中粒泥巖，厚約15m；直接底為灰黑色泥巖，厚約1.2m；老底為深灰色砂質(zhì)泥巖，厚約8.85m。E305工作面軌道順槽長(zhǎng)1299m，工作面傾斜長(zhǎng)155m，工作面東為西掌煤業(yè)采空區(qū)；南為公共煤田，西為采區(qū)皮帶巷，北為E305進(jìn)風(fēng)順槽。巷道掘進(jìn)過(guò)程中如遇小窯破壞區(qū)，則對(duì)掘進(jìn)存在較大影響。E305工作面與周邊巷道相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 E305工作面回風(fēng)順槽位置關(guān)系圖

由于煤層傾角較小，E305工作面運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)斷面為矩形，巷道凈寬3800mm，凈高2600mm。工作面采用走向長(zhǎng)壁放頂煤采煤工藝，采用全部垮落法管理頂板。按回風(fēng)輔助巷的原設(shè)計(jì)，巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，但由于地質(zhì)條件變化較大，煤柱尺寸較小，巷道過(guò)采空區(qū)支護(hù)困難，迫切需要對(duì)支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 E305工作面回風(fēng)輔助巷掘進(jìn)時(shí)不利條件分析

山西長(zhǎng)治羊頭嶺東掌煤業(yè)有限公司正在掘進(jìn)E305工作面回風(fēng)輔助巷，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)遇到采空區(qū)，局部冒頂嚴(yán)重，巷道頂板變形量大，圍巖控制困難。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察和跟現(xiàn)場(chǎng)工作人員溝通可知，東掌煤業(yè)E305工作面回風(fēng)輔助巷掘進(jìn)時(shí)不利條件如下：

1）E305工作面回風(fēng)輔助巷掘進(jìn)時(shí)要經(jīng)過(guò)破壞的采空區(qū)，采空區(qū)面積大，支護(hù)困難，出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象嚴(yán)重。

2）E305工作面回風(fēng)輔助巷沿著煤層頂板掘進(jìn)，煤層頂板巖性為黑色泥巖，局部含炭質(zhì)，厚約2.2m；老頂為淺灰色中粒泥巖。屬于軟弱巖性，加劇了圍巖變形。

3）E305工作面回風(fēng)輔助巷掘進(jìn)時(shí)要經(jīng)過(guò)采空區(qū)，沒(méi)有選擇合理的支護(hù)方式，臨時(shí)支護(hù)不及時(shí)且錨桿、錨索支護(hù)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。

4）E305工作面回風(fēng)輔助巷頂板和兩幫錨桿出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象，頂板錨桿、錨索因?yàn)椴煽諈^(qū)影響，部分錨固失效。

3 E305工作面回風(fēng)輔助巷過(guò)采空區(qū)段聯(lián)合支護(hù)方案

3.1 巷道正常段支護(hù)參數(shù)

頂板設(shè)置5根錨桿，間距850mm，上下幫各4根錨桿，間距為800mm，錨桿排距800mm。對(duì)于過(guò)較大范圍的采空區(qū)可縮小錨桿間排距，加強(qiáng)頂板支護(hù)，其具體支護(hù)參數(shù)為：

頂板使用專用錨桿鋼材，即左旋無(wú)縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，桿體的屈服強(qiáng)度≥350MPa，錨桿直徑為Ф20mm，長(zhǎng)為2400mm，高強(qiáng)拱形托盤的尺寸為不低于150mm×150mm×10mm，螺母采用強(qiáng)度與桿體相匹配的高強(qiáng)螺母，為減小螺母和托盤之間的摩擦力，提高錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化為托錨力的轉(zhuǎn)換系數(shù)，螺母和托盤之間配有減摩墊圈；錨桿鉆孔直徑為28mm，采用2卷Z2360樹脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，頂板輔助支護(hù)采用鋼筋梯子梁配金屬網(wǎng)，鋼筋梯子梁是采用Ф12mm的鋼筋焊接而成，長(zhǎng)度為3800mm；金屬網(wǎng)為菱形網(wǎng)，采用8#鉛絲編制而成，網(wǎng)孔40mm×40mm，為保證頂板金屬網(wǎng)與兩幫金屬網(wǎng)能組成一個(gè)整體，頂板金屬網(wǎng)尺寸應(yīng)大于頂板巷道寬度，即4000mm×900mm，其與兩幫金屬網(wǎng)可分別搭接100mm，其與巷道軸向其它相鄰網(wǎng)也可搭接100mm，網(wǎng)網(wǎng)之間采用鐵絲鈕扣聯(lián)結(jié)，扣扣相連，每扣鐵絲至少擰3圈以上；錨桿螺母的安裝預(yù)緊力矩≥200N·m。

頂板采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線制作的錨索，鋼絞線為7股，直徑為Ф15.24mm，長(zhǎng)度6300mm，錨索一排設(shè)置一根，排距為800mm，當(dāng)掘進(jìn)迎頭空頂范圍夠800mm后，必須立即施工錨索。當(dāng)頂板破碎時(shí)，巷道一排布置兩根錨索，且兩根錨索必須用20號(hào)槽鋼梁連接，兩側(cè)錨索可向巷道外傾斜10o左右，錨索排距與錨桿相同，但必須與錨桿間隔布置，布置排距為800mm。為防止錨索受力不均，錨索鎖具必須配有調(diào)心球墊。錨索采用加長(zhǎng)錨固，端頭用3卷Z2360樹脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度1400mm左右，錨索的錨固端1400mm處可采用電焊焊接一個(gè)擋圈，以保證樹脂錨固劑的充分?jǐn)嚢韬湾^固。錨索托盤采用18＃槽鋼制作，長(zhǎng)400mm，配有150mm×150mm×10mm的鋼墊及鎖具，錨索預(yù)緊力≥200kN。

兩幫使用專用錨桿鋼材，即左旋無(wú)縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，桿體的屈服強(qiáng)度≥350Mpa，錨桿直徑為Ф20mm，長(zhǎng)為2000mm，高強(qiáng)拱形托盤的尺寸為不低于150mm×150mm×10mm，螺母采用強(qiáng)度與桿體相匹配的高強(qiáng)螺母，為減小螺母和托盤之間的摩擦力，提高錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化為托錨力的轉(zhuǎn)換系數(shù)，螺母和托盤之間配有減摩墊圈；錨桿鉆孔直徑為28mm，采用2卷Z2360樹脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，頂板輔助支護(hù)采用鋼筋梯子梁配金屬網(wǎng)，鋼筋梯子梁是采用Ф12mm的鋼筋焊接而成，長(zhǎng)度為2600mm；金屬網(wǎng)為菱形網(wǎng)，采用8#鉛絲編制而成，網(wǎng)孔40mm×40mm，為保證頂板金屬網(wǎng)與兩幫金屬網(wǎng)能組成一個(gè)整體，兩幫金屬網(wǎng)尺寸應(yīng)大于兩幫巷道高度，即2800mm×900mm，其與頂板金屬網(wǎng)可分別搭接100mm，其與巷道軸向其它相鄰網(wǎng)也可搭接100mm，網(wǎng)網(wǎng)之間采用鐵絲鈕扣聯(lián)結(jié)，扣扣相連，每扣鐵絲至少擰3圈以上；錨桿螺母的安裝預(yù)緊力矩≥150N·m。E305工作面回風(fēng)輔助巷錨桿、錨索布置圖如圖2所示。

圖2 E305工作面回風(fēng)輔助巷錨桿、錨索布置圖

3.2 高冒區(qū)注漿加固

E305工作面回風(fēng)輔助巷高冒區(qū)采用長(zhǎng)2500mm注漿錨桿超前注漿加固，沿著頂板打設(shè)，角度為30°，間距為1500mm,每排布置3根。通過(guò)對(duì)高冒區(qū)域注漿改善頂板破碎情況，使得頂板成整體。

3.3 對(duì)于較大范圍的采空區(qū)支護(hù)

縮小錨桿間排距，加強(qiáng)頂板支護(hù)，巷內(nèi)錨桿間排距不大于800mm，錨索間排距不大于800mm；在掘進(jìn)巷道的兩側(cè)，需采用空心磚或者料石碹壘砌，并采用水泥砂漿封閉墻體表面，防止漏風(fēng)。支護(hù)全部通過(guò)采空區(qū)后，需采用U型鋼棚在巷內(nèi)進(jìn)行二次加強(qiáng)支護(hù)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)同時(shí)作用，確保采空區(qū)內(nèi)布置的巷道頂板的穩(wěn)定和安全。U型鋼棚棚距不大于600mm。為保證U型鋼拱頂能夠盡量與巷道頂板接觸緊密。

4 支護(hù)效果分析

4.1 測(cè)點(diǎn)的布置

為了檢驗(yàn)東掌煤業(yè)E305工作面回風(fēng)輔助巷過(guò)采空區(qū)圍巖支護(hù)效果，在E305工作面回風(fēng)輔助巷內(nèi)選擇有代表性的圍巖。運(yùn)用“十”字布點(diǎn)法布置觀測(cè)點(diǎn)[10]，觀測(cè)天數(shù)為30d，分別監(jiān)測(cè)E305工作面回風(fēng)輔助巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平俊?/p>

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖3為E305工作面回風(fēng)輔助巷圍巖變形監(jiān)測(cè)圖，從圖中可以看出，E305工作面回風(fēng)輔助巷圍巖變形量在1～18d內(nèi)巷道圍巖頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平吭黾用黠@，E305工作面回風(fēng)輔助巷圍巖在20d后圍巖變形開始趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逡平恳笥趦蓭鸵平?。測(cè)站1頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在280mm，兩幫移近量穩(wěn)定在222mm。測(cè)站2頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在250mm，兩幫移近量穩(wěn)定在198mm。

表明東掌煤業(yè)E305工作面回風(fēng)輔助巷過(guò)采空區(qū)段聯(lián)合支護(hù)方案有效的控制了巷道圍巖的大變形，保證巷道掘進(jìn)安全快速的通過(guò)采空區(qū)。

圖3 E305工作面回風(fēng)輔助巷圍巖變形監(jiān)測(cè)圖

5 結(jié) 論

1）針對(duì)東掌煤業(yè)E305工作面回風(fēng)輔助巷過(guò)采空區(qū)時(shí)巷道圍巖破碎，巷道支護(hù)困難的現(xiàn)狀，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的方法對(duì)工作面圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)研和分析，得到必須采用復(fù)合支護(hù)方式的重要結(jié)論；

2）通過(guò)分析和總結(jié)，針對(duì)巷道所經(jīng)過(guò)的不同的空巷和空區(qū)情況，提出了“錨網(wǎng)索+高冒區(qū)注漿+U型支架”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。

3）礦壓監(jiān)測(cè)效果表明，E305工作面回風(fēng)輔助巷圍巖在20d后圍巖變形開始趨于穩(wěn)定，巷道圍巖變形量小，保證E305工作面回風(fēng)輔助巷過(guò)采空區(qū)支護(hù)安全。

4）提出的過(guò)采空區(qū)和空巷的復(fù)合支護(hù)方法，能有效控制巷道過(guò)空巷和空區(qū)時(shí)的圍巖變形量，保證了礦井安全生產(chǎn)，為類似相同條件礦井過(guò)采空區(qū)巷道支護(hù)起到參考作用。