杜家溝礦607 工作面沿空掘進(jìn)巷道支護(hù)方案研究

謝建生

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 河津 031400）

1 礦井概況

霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司（全文簡(jiǎn)稱杜家溝礦）位于河津市清澗杜家溝村西北約3 km 處，礦井井田位于呂梁山脈南緣，臨汾盆地的西南山地，汾河、黃河交匯的三角地帶，井田總體地勢(shì)為東部高，西部低?，F(xiàn)主要開(kāi)采煤層為2 號(hào)、10號(hào)煤，10 號(hào)可采煤層厚2.85 m，平均傾角6.8°。607工作面的皮帶巷與608 工作面相鄰，之間留有20 m的煤柱，相鄰的608 工作面已回采完畢，頂板巖層處于平穩(wěn)狀態(tài)。正常狀況下，對(duì)臨近巷道的影響較小，但607 材料巷同樣與608 采空區(qū)相鄰，巷道與采空區(qū)之間留有15 m 的煤柱，受到工回采影響巷道嚴(yán)重受損，頂板支護(hù)錨桿、錨索出現(xiàn)斷裂情況，為了保障工作面的正常回采在巷道中打設(shè)了大量的錨索，導(dǎo)致巷道支護(hù)成本明顯提高，同時(shí)給工作面正?；夭稍斐闪擞绊?。由于工作面開(kāi)采煤層厚度大，雖然608工作面已經(jīng)采完較長(zhǎng)的時(shí)間，但在607 工作面回采過(guò)程中會(huì)對(duì)原本已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定的巖層產(chǎn)生二次擾動(dòng)，引起相鄰采空區(qū)頂板巖層的再次運(yùn)動(dòng)，對(duì)保護(hù)煤柱形成載荷沖擊，巷道圍巖破壞嚴(yán)重，因此對(duì)原巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化非常重要。

2 巷道圍巖力學(xué)特征分析

2.1 巷道圍巖結(jié)構(gòu)分析

為得到巷道頂板內(nèi)裂隙構(gòu)造分布情況，在607工作面皮帶巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

1）10 號(hào)煤層巷道多沿底板掘送，頂板為厚頂煤，巷道頂板2.0 m 范圍內(nèi)煤層存在縱向裂隙，一般狀況下錨桿錨固在此范圍；而在頂煤深部位置基本無(wú)裂隙等構(gòu)造存在，頂板整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，錨索錨固在此范圍內(nèi)錨固性能好，當(dāng)錨索錨固力達(dá)到要求時(shí)，完全可以將錨索錨固在煤層中。

2）煤層上方巖層巖性主要為泥巖與砂巖等，巖層致密堅(jiān)硬，具有較好的穩(wěn)定性，裂隙等構(gòu)造極少，利于維護(hù)頂部巖體的整體穩(wěn)定性。

分析結(jié)果表明，巷道上方頂煤主要在淺部區(qū)域存在著較多裂隙，而在深部位置煤巖體均處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，因此對(duì)巷道頂板淺部圍巖進(jìn)行合理支護(hù)即可對(duì)頂板起到較好的控制作用。

2.2 巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)試

由于巷道頂板與兩幫均屬于煤體，對(duì)各位置煤體的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試可為巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。對(duì)巷道的頂板和兩幫10 m 范圍內(nèi)的圍巖強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖1，下頁(yè)圖2 所示。從圖1，2中可以得到：

圖1 頂板煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

1）頂板10 m 范圍內(nèi)煤層強(qiáng)度上下波動(dòng)，頂煤強(qiáng)度最大為32.84 MPa，最低強(qiáng)度僅為9.58 MPa，平均強(qiáng)度為23.20 MPa，硬度普氏系數(shù)為2.3，同地質(zhì)資料中煤層硬度2～3 相當(dāng)，孔口0～2.5 m 范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度較高，因此相對(duì)應(yīng)的煤層強(qiáng)度也低，可見(jiàn)圍巖節(jié)理裂隙對(duì)于圍巖的強(qiáng)度具有顯著的影響，除孔口位置煤層強(qiáng)度低外，深部煤體的強(qiáng)度偏高，這對(duì)于保持自身穩(wěn)定性具有重要的作用，頂煤的強(qiáng)度較高，也有利于錨索的錨固。

2）煤幫強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示，煤層強(qiáng)度最低為11.86 MPa，最大為24.9 MPa，平均強(qiáng)度為17.7 MPa，幫部煤層的強(qiáng)度整體低于頂板煤體的強(qiáng)度，但是通過(guò)煤層強(qiáng)度可以看出煤層的均一性較好，強(qiáng)度波動(dòng)幅度小，較為穩(wěn)定，對(duì)維護(hù)巷道幫部的穩(wěn)定性非常重要。

圖2 幫部煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.3 巷道圍巖地應(yīng)力測(cè)試

通過(guò)對(duì)607 工作面皮帶巷不同位置的地應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)出地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

從測(cè)量數(shù)值上可以看出，該區(qū)域的原巖應(yīng)力處于中等水平，對(duì)巷道產(chǎn)生較大影響的應(yīng)力主要為水平應(yīng)力，水平主應(yīng)力的最大值為11.8 MPa，單從應(yīng)力大小來(lái)講，對(duì)巷道穩(wěn)定的影響作用較??；由于該巷道的埋深約為343 m，理論計(jì)算的垂直應(yīng)力約為8.55 MPa，測(cè)試結(jié)果顯示最大水平主應(yīng)力＞垂直應(yīng)力＞最小水平主應(yīng)力，因此認(rèn)為該區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)屬于重力型應(yīng)力場(chǎng)。607 皮帶巷沿正北布置，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹22.9°W-N24.1°W，可以看出，兩者的夾角在14.95°～16.6°之間，巷道的布置方位近似于最佳方向，因此水平應(yīng)力的巷道圍巖的破壞幾乎不產(chǎn)生影響。

3 巷道支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 原支護(hù)方案

該巷道斷面形狀為矩形，巷道寬×高：5.5 m×3.8 m，巷道原支護(hù)方案。

1）頂板錨桿采用直徑22 mm、長(zhǎng)度2 600 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿的間距為850 mm，相鄰兩排錨桿距離為900 mm；兩幫錨桿采用直徑20 mm、長(zhǎng)度2 100 mm 的全螺紋玻璃鋼錨桿，兩幫錨桿采用相同的布置方法，間距為1 200 mm，相鄰兩排錨桿距離為900 mm。

2）頂板錨索采用三花布置方法，錨索為直徑21.6 mm、長(zhǎng)度12 000 mm 的鋼絞線，同一排內(nèi)的錨索之間距離為3 400 mm，相鄰兩排錨索之間的距離為1 800 mm。

3）采用W 鋼帶對(duì)頂板進(jìn)行保護(hù)，鋼帶的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為5 300 mm、寬度為250 mm、厚度為3 mm。

對(duì)原支護(hù)方案分析可知，原支護(hù)方案可對(duì)頂板有效控制作用，但對(duì)兩幫的支護(hù)強(qiáng)度較低，無(wú)法控制兩幫變形，由于巷幫的支護(hù)多采用玻璃鋼錨桿，支護(hù)強(qiáng)度低，護(hù)幫能力差，在來(lái)壓時(shí)易發(fā)生剪切破壞，對(duì)于動(dòng)壓巷道而言，幫部支護(hù)尤其重要，幫部控制不住會(huì)引起頂板的控制難度大大增加，動(dòng)壓巷道很重要的一個(gè)表現(xiàn)就是巷幫變形大，當(dāng)巷幫發(fā)生水平移動(dòng)時(shí)，非常容易引起頂板和底板的水平擠壓變形，巷道底板還易發(fā)生底鼓；同時(shí)頂板在水平擠壓過(guò)程中，還易導(dǎo)致鋼帶折斷、錨桿破斷等問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)幫部支護(hù)非常必要。

3.2 巷道支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，本支護(hù)方案將對(duì)兩幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，優(yōu)化原有支護(hù)方案，具體支護(hù)方案如下：

1）頂板錨桿支護(hù)參數(shù)不變，主要對(duì)錨索進(jìn)行優(yōu)化，錨索采用直徑為21.6 mm，長(zhǎng)度為8 300 mm 的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置4 根錨索，間排距為1 700 mm×1 800mm。W 鋼帶參數(shù)保持不變，采用長(zhǎng)度5 300 mm、寬度250 mm、厚度3 mm 的W 鋼帶進(jìn)行護(hù)頂。頂板在原有支護(hù)系統(tǒng)中加入菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂，網(wǎng)片大小為6 500×1 000 mm，網(wǎng)孔大小為50 mm。

2）鑒于原支護(hù)方案對(duì)兩幫的支護(hù)強(qiáng)度低，需對(duì)兩幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。巷道兩幫分別為煤柱側(cè)煤幫與工作面幫，對(duì)兩幫分別采用不同的支護(hù)方案。第一，煤柱側(cè)煤幫。巷道保護(hù)煤柱在受到多次采動(dòng)影響下，煤柱容易出現(xiàn)失穩(wěn)情況，所以對(duì)煤柱幫支護(hù)強(qiáng)度需進(jìn)行提高。巷道實(shí)體煤幫采用直徑22 mm、長(zhǎng)度2 600 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置4 根錨桿，錨桿之間的距離為900 mm，相鄰兩排的距離為900 mm，靠近頂?shù)装宓膬筛^桿與水平夾角為10°。對(duì)巷道實(shí)體煤幫采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)采用W 護(hù)板與菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫。錨索采用直徑17.8 mm、長(zhǎng)度4 300 mm 的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置一根錨索，每排錨索之間的距離為1 800 mm，垂直于巷幫布置。W 護(hù)板長(zhǎng)度為400 mm，寬度為280 mm，厚度為3 mm。菱形金屬網(wǎng)網(wǎng)孔大小為50 mm，網(wǎng)片大小為2 800 mm×1 000 mm。第二，工作面煤幫。巷道工作面煤幫受到相鄰采空區(qū)影響較小，因此錨桿規(guī)格參數(shù)不變，僅在原有支護(hù)方案基礎(chǔ)上加入W 護(hù)板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。W 護(hù)板長(zhǎng)度為400 mm，寬度為280 mm，厚度為3 mm。上述巷道支護(hù)方案布置如圖3 所示。巷道在支護(hù)過(guò)程中應(yīng)定期對(duì)錨桿、錨索的錨固力進(jìn)行測(cè)量，保證巷道支護(hù)的強(qiáng)度。

圖3 巷道支護(hù)方案布置圖（mm）

3.3 效果分析

優(yōu)化后通對(duì)巷道20 d 內(nèi)的圍巖變形量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，支護(hù)后7 d 內(nèi)圍巖變形量呈現(xiàn)增長(zhǎng)狀態(tài)，并且增長(zhǎng)速度較快，隨后圍巖變形逐漸穩(wěn)定，變形量基本不變。此時(shí)巷道頂?shù)装遄冃蔚姆逯禐?17 mm，兩幫變形的峰值為78 mm。表明巷道圍巖變形量小，支護(hù)穩(wěn)定性高。巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)607 工作面的圍巖特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，表明巷道圍巖淺部節(jié)理裂隙較多，但深部圍巖構(gòu)造發(fā)育較少，煤巖體完整性較好，巷道對(duì)頂板控制要比對(duì)兩幫控制更加容易。采用兩幫設(shè)計(jì)的方式對(duì)原有的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示巷道圍巖的形變量得到有效控制，證明該支護(hù)方案取得顯著效果。