三交河礦2-511工作面回風(fēng)巷支護(hù)設(shè)計(jì)及鉆孔卸壓技術(shù)研究

章旭虎

(山西汾河焦煤股份有限責(zé)任公司，山西 洪洞 041602)

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦2-511工作面位于2號(hào)煤層五采區(qū)，主采2號(hào)煤層，煤層均厚4.2 m，平均傾角為9°，含有一層均厚為0.5 m的夾矸層，煤層基本頂為中砂巖，均厚為6.5 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚為4 m，直接底為泥巖，厚度為3 m，基本底為中砂巖，厚度為2.5 m，工作面采用大采高一次采全高采煤方法，設(shè)置采高為4 m，全部垮落法管理頂板。工作面回風(fēng)巷道斷面為矩形，沿2號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，巷道寬度5 300 mm，高度3 500 mm，根據(jù)2號(hào)煤層的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果知圍巖的最大主應(yīng)力為東西方向，其值為11.2 MPa，最小主應(yīng)力為豎直方向，其值為11.1 MPa，屬于高應(yīng)力煤層巷道，為充分保障巷道圍巖的穩(wěn)定，決定在巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)在基本支護(hù)的基礎(chǔ)上配合鉆孔卸壓的方式對(duì)巷道圍巖進(jìn)行控制。

2 高應(yīng)力煤巷鉆孔卸壓原理

根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈理論，巷道在開挖后會(huì)破壞圍巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，應(yīng)力會(huì)進(jìn)行重新平衡，淺部圍巖的一定深度內(nèi)出現(xiàn)松動(dòng)圈，圍巖平衡穩(wěn)定后會(huì)由外至里依次形成破碎區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)，由于松動(dòng)圈范圍內(nèi)的圍巖處于單向或者雙向受力狀態(tài)，巖石在集中應(yīng)力的作用下會(huì)破壞，盡管破壞后的圍巖體存在著一定的殘余強(qiáng)度，但圍巖的破壞會(huì)使得圍巖體內(nèi)的應(yīng)力得到釋放[1-2]。

鉆孔卸壓的原理與巷道開挖相似，通過在巷道表面施工卸壓鉆孔，鉆孔周圍的圍巖應(yīng)力同樣會(huì)重新分布，形成塑性區(qū)域，在應(yīng)力再次平衡的過程中，圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)及巷道圍巖的應(yīng)力峰值會(huì)向圍巖的深部轉(zhuǎn)移，進(jìn)而能夠有效降低高應(yīng)力巷道周邊圍巖的應(yīng)力，控制圍巖的變形，巷道圍巖在打設(shè)卸壓鉆孔前后圍巖應(yīng)力峰值的變形情況如圖1所示。在對(duì)巷道圍巖施工多個(gè)卸壓鉆孔時(shí)，各個(gè)鉆孔形成的破壞區(qū)和塑性區(qū)會(huì)相互疊加，進(jìn)而形成一條類似于梯子的卸壓區(qū)域，該卸壓區(qū)域的形成能夠改善高應(yīng)力巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境，為巷道圍巖的變形提供一定的空間，進(jìn)而保證巷道圍巖的穩(wěn)定[3-4]。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)及鉆孔卸壓方案

3.1 方案設(shè)計(jì)

3.1.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

針對(duì)2-511工作面回風(fēng)巷的具體地質(zhì)條件，確定采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。錨桿采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，頂板每排布置6根，間排距為1 000 mm×1 000 mm，兩幫每排布置4根，間排距為900 mm×1 000 mm，錨固方式為全長(zhǎng)錨固，設(shè)計(jì)錨固力不低于228 kN，頂板兩側(cè)錨桿向外傾斜10°進(jìn)行安裝，其余均垂直與頂板打設(shè)，兩幫錨桿頂?shù)變筛蛏虾拖蛳聝A斜10°進(jìn)行安裝，其余垂直巷道打設(shè)；頂板錨索采用D22 mm×6 300 mm的1×19股鋼絞線，采用2-3-2-2布置，間排距為1 800 mm×2 000 mm，煤柱幫錨索采用D22 mm×5 300 mm的1×19股鋼絞線，間排距為1 800 mm×2 000 mm，錨索錨固長(zhǎng)度為1 970 mm，金屬網(wǎng)采用10號(hào)鉛絲制作的網(wǎng)孔規(guī)格為3 300 mm×1 000 mm的經(jīng)緯金屬網(wǎng)，錨桿與錨索均采用Q235圓鋼焊接而成的長(zhǎng)×寬=3 200 mm×80 mm的鋼筋梯子梁，用于將錨桿(索)進(jìn)行有效連接，巷道支護(hù)如圖2(b)所示。

圖2 2-511工作面回風(fēng)巷錨桿索+

3.1.2 鉆孔卸壓設(shè)計(jì)

根據(jù)2-511工作面回風(fēng)巷的具體地質(zhì)條件，結(jié)合卸壓鉆孔的原理，在巷道掘進(jìn)迎頭進(jìn)行超前施工大孔徑卸壓鉆孔，卸壓鉆孔施工完畢后進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，在滯后支護(hù)一定距離內(nèi)的巷道兩幫施工卸壓鉆孔，采用ZQJC-360/7.1型鉆機(jī)，直徑為76 mm的鉆桿，鉆頭直徑為120 mm的金剛石復(fù)合片，迎頭方向布置卸壓鉆孔應(yīng)不少于2個(gè)，設(shè)置孔深不小于10 m，巷道每施工8排錨桿(索)進(jìn)行一組巷道卸壓鉆孔的施工作業(yè)。

具體卸壓鉆孔各項(xiàng)布置參數(shù)如下：

1) 迎頭超前卸壓鉆孔：鉆孔孔徑為120 mm，長(zhǎng)度為10 m，鉆孔間排距為1 000 mm×1 000 mm，在距離底板1 150 mm的位置處打設(shè)，迎頭卸壓鉆孔的布置形式如2(a)所示。

2) 滯后迎頭幫部卸壓鉆孔：鉆孔直徑為120 mm，長(zhǎng)度為6 m，巷道兩幫各在距離底板1 750 mm的位置處垂直于巷幫打設(shè)，間距為1 000 mm，具體布置形式如圖2(b)所示。

3.2 效果分析

為驗(yàn)證2-511工作面回風(fēng)巷錨桿索+鉆孔卸壓支護(hù)方式的效果，在滯后掘進(jìn)工作面10 m的位置處，通過十字布點(diǎn)法對(duì)巷道的表面位移進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，每天對(duì)巷道圍巖的位移進(jìn)行一次觀測(cè)，持續(xù)觀測(cè)50 d，根據(jù)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)得出巷道表面位移的曲線，如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形量曲線

由圖3可知，2-511工作面回風(fēng)巷采用錨桿索+鉆孔卸壓支護(hù)方案后，在0～20 d內(nèi)巷道圍巖變形量較大，頂?shù)装宓淖冃嗡俾蕿?.5 mm/d，兩幫變形速率為5.7 mm/d；30 d后巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤颈３址€(wěn)定，表明巷道圍巖已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?70 mm，兩幫最大移近量為120 mm，有效保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過分析2-511工作面回風(fēng)巷的地質(zhì)條件，并結(jié)合鉆孔卸壓支護(hù)的原理，對(duì)2-511工作面回風(fēng)巷的支護(hù)參數(shù)及鉆孔卸壓支護(hù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在回風(fēng)巷采用錨桿索+鉆孔卸壓的支護(hù)方案后，頂?shù)装宓淖畲笠平繛?70 mm，兩幫最大移近量為120 mm，有效控制了巷道圍巖的變形，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。