近距離煤層回采巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

賀淼鑫

（晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦二號(hào)井，山西 晉城 048000）

回采巷道穩(wěn)定性嚴(yán)重影響著煤炭的安全回采和回采效率。寺河礦二號(hào)井15號(hào)煤三盤區(qū)是新開拓的盤區(qū)，盤區(qū)地應(yīng)力情況不清晰，同時(shí)考慮到15號(hào)煤層巷道受到3號(hào)、9號(hào)煤層開采引起的動(dòng)壓和煤柱集中應(yīng)力等因素影響，其應(yīng)力影響因素比較復(fù)雜。針對(duì)15號(hào)煤三盤區(qū)煤層進(jìn)行圍巖地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)測(cè)試和地應(yīng)力測(cè)量，避免盲目參照經(jīng)驗(yàn)確定支護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)巷道快速、安全、經(jīng)濟(jì)掘進(jìn)和礦井的安全生產(chǎn)意義重大。

1 工程概況

寺河二號(hào)井153301工作面開采15號(hào)煤，煤層平均傾角5°，煤厚2.29m，埋深329～419m，煤層總體為一向西的單斜構(gòu)造。直接頂為K2石灰?guī)r，平均9.8m，局部有鈣質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖偽頂，易垮落；直接底為鋁質(zhì)泥巖，平均厚度約為4m，屬于松軟性。工作面采用“一面兩巷”布置，其中153201巷為進(jìn)風(fēng)膠帶巷，斷面尺寸5.6m×2.6m；153202巷為回風(fēng)巷，作為輔助運(yùn)輸巷，斷面尺寸為5.6m×2.6m。工作面布置圖見圖1。

圖1 工作面布置圖

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)原位測(cè)試

為對(duì)153301工作面及鄰近區(qū)域地質(zhì)力學(xué)情況進(jìn)行全面、真實(shí)了解，研究出適合15號(hào)煤層工作面順槽的支護(hù)形式和參數(shù)，避免盲目參照原有支護(hù)設(shè)計(jì)，提高巷道支護(hù)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、合理性，在15號(hào)煤三盤區(qū)已掘巷道中布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量、巷道圍巖測(cè)試和圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)等原位地質(zhì)力學(xué)測(cè)試。測(cè)點(diǎn)的選擇應(yīng)避開構(gòu)造帶和巷道群。

2.1.1 地應(yīng)力測(cè)試

通過地應(yīng)力測(cè)試，能夠得到巷道圍巖的主應(yīng)力方向，從而掌握巷道側(cè)向和垂直方向應(yīng)力的大小，以此來(lái)判別巷道圍巖的變形破壞形態(tài)。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，能夠有針對(duì)性地對(duì)巷道主應(yīng)力方向的圍巖變形破壞進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)。水壓致裂法和其他方法相比，具有簡(jiǎn)單、方便、直接的特點(diǎn)，作為本次地應(yīng)力測(cè)試方法。

現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，一五三盤區(qū)測(cè)試區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于低值應(yīng)力區(qū)，具體測(cè)試結(jié)果見表1。整體來(lái)看，測(cè)試區(qū)域最大水平主應(yīng)力量值由東南至西北方向呈減小趨勢(shì)，構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，最大主應(yīng)力方向?yàn)樗椒较?。這表明水平主應(yīng)力主要對(duì)本煤層巷道頂?shù)装宓挠绊戄^大，而對(duì)兩幫影響較小。

表1 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2.1.2 巷道圍巖強(qiáng)度原位測(cè)試

巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)選用的試樣大都是在現(xiàn)場(chǎng)選取的破碎塊體加工制成，其試塊內(nèi)部較為完整，基本不含有弱面。但在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，圍巖大多存在結(jié)構(gòu)面，因此在試驗(yàn)過程中，得到的巖石力學(xué)參數(shù)均優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)，缺乏真實(shí)性，對(duì)工程設(shè)計(jì)缺乏參考性。因此，有必要對(duì)巷道圍巖強(qiáng)度進(jìn)行原位測(cè)試。本次巷道圍巖原位強(qiáng)度測(cè)試選用鉆孔觸探法。

測(cè)試結(jié)果表明：測(cè)試區(qū)域頂板以上10m范圍內(nèi)巖層以石灰?guī)r和細(xì)砂巖為主，巖層致密堅(jiān)硬，完整性普遍較好。經(jīng)計(jì)算，石灰?guī)r巖層強(qiáng)度平均值為109.65MPa，細(xì)砂巖巖層強(qiáng)度平均值為51.01MPa。第一測(cè)點(diǎn)頂板石灰?guī)r巖層中存在砂質(zhì)泥巖夾層，夾層橫向裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低，對(duì)巖層的整體強(qiáng)度有較大影響，對(duì)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工的過程提供施工參考依據(jù)。

2.1.3 巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)

巷道圍巖體內(nèi)部為一個(gè)密閉空間，在施工過程中只能看到其圍巖表面狀況。但巷道圍巖由于受到深部應(yīng)力的影響，其內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)圍巖破碎、較大裂隙的現(xiàn)象。在錨桿、錨索錨固的過程中，如若錨固端頭在圍巖體裂隙破碎區(qū)域，實(shí)質(zhì)上起不到任何錨固效果。因此，有必要對(duì)巷道內(nèi)部整體性進(jìn)行觀測(cè)，為支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇提供依據(jù)。本次巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)選用礦用全景電子窺視儀進(jìn)行觀察。

頂板圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果表明：綜合測(cè)試結(jié)果，測(cè)試區(qū)域15號(hào)煤頂板與錨桿支護(hù)直接相關(guān)的巖層為石灰?guī)r，厚度在9～10.5m之間，致密堅(jiān)硬，巖層完整性普遍較好，僅局部存在原生微裂隙和厚度在0.5m左右的薄夾層。單從巖層分布情況來(lái)看，巷道頂板圍巖條件較好，厚層完整的石灰?guī)r以及以上的細(xì)砂巖能形成穩(wěn)定的、承載能力較強(qiáng)的承載結(jié)構(gòu)，有利于巷道的維護(hù)和長(zhǎng)期穩(wěn)定。

2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合以上地質(zhì)力學(xué)參數(shù)原位測(cè)試結(jié)果，選擇錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體布置見圖2。

2.2.1 頂板支護(hù)參數(shù)

錨桿每排4根，排距為1600mm，間距1400mm，所有錨桿均垂直頂板打設(shè)，靠近巷幫的頂錨桿允許有10°的偏差，距幫700mm。采用一支MSK2335和一支MSZ2360樹脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，鉆頭直徑為Ф28mm，錨固長(zhǎng)度為1308mm，錨固力不低于100kN。鋼筋托梁采用直徑為Ф12mm圓鋼焊接而成，規(guī)格為4300×100mm。每4排錨桿沿垂直頂板巖層方向打設(shè)打一根錨索，排距6400mm，采用一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，鉆頭直徑為Ф28mm，錨固長(zhǎng)度為1486mm。

2.2.2 巷幫支護(hù)參數(shù)

每幫每排2根錨桿，排距1600mm，間距1400mm，起錨高度為700mm。所有錨桿均垂直巷幫打設(shè)，靠近頂板的幫錨桿允許有10°的偏差。采用一支MSZ2360樹脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，鉆頭直徑為Ф28mm，錨固長(zhǎng)度826mm。采用經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)幫，尺寸為1200mm×4600mm，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，用雙股16#綁絲相連。

圖2 153301工作面回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

3 支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

在工作面回采期間，對(duì)支護(hù)圍巖控制效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，在153201巷及153202巷布置巷道圍巖表面位移測(cè)站，監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線如圖3所示。

153201巷測(cè)站巷道服務(wù)期間頂?shù)装逡平孔畲鬄?18mm，其中頂板下沉量為40mm，遠(yuǎn)小于巷道底板鼓起量178mm。兩幫移近量最大為157mm。巷道表面變形速度在第10周之后明顯降低。153202巷測(cè)站頂?shù)装逡平孔畲鬄?23mm，其中頂板下沉量為28mm，遠(yuǎn)小于底板鼓起量為195mm。兩幫移近量最大為241mm，巷道表面變形速度初期短時(shí)間內(nèi)較大，在第12周速率得到明顯減緩。從兩條巷道圍巖變形曲線可以看出，變形在初期明顯，后期巷道變形逐漸穩(wěn)定，巷道總體變形較小，對(duì)工作面正常生產(chǎn)無(wú)影響，表明該支護(hù)方式和參數(shù)設(shè)計(jì)合理，能夠有效控制巷道圍巖變形。

圖3 巷道變形量監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)15號(hào)煤層地質(zhì)力學(xué)原位測(cè)試，對(duì)本煤層的主應(yīng)力方向、圍巖強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)等有了全面了解，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了本煤層回采巷道支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)。

（2）在巷道服務(wù)期間對(duì)其進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：153201皮帶巷頂?shù)装逡平孔畲鬄?18mm，兩幫移近量最大為157mm；153202軌道巷頂?shù)装逡平孔畲鬄?23mm，兩幫移近量最大為241mm。巷道圍巖總體變形不大，巷道支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)比較合理，能夠滿足巷道的后期使用。