潞寧煤礦24102運(yùn)輸巷圍巖控制技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用研究

吳 昊

(山西潞安集團(tuán) 潞寧煤業(yè)公司， 山西 忻州 036000)

潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限公司現(xiàn)階段主采侏羅系大同組上部的2#煤，2#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中部夾不連續(xù)的薄層炭質(zhì)泥巖夾矸，煤層厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m. 由于該礦井采掘接替緊張，24102運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)其臨近的24101工作面仍在回采中，其掘進(jìn)受到臨近工作面較為劇烈的動(dòng)壓影響，掘巷初期圍巖表現(xiàn)出較大的位移現(xiàn)象，需采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行治理。

1 工作面概況

潞寧煤礦24102工作面位于礦田西南部，二四采區(qū)三條下山西南側(cè)，地面為中低山區(qū)，通過地面巡查未發(fā)現(xiàn)高壓線塔、房屋等建筑物，只有一條鄉(xiāng)間公路，根據(jù)資料分析，預(yù)計(jì)采掘活動(dòng)對(duì)其影響不大。24102工作面位于井田西南部的二四采區(qū)，是二四采區(qū)第2個(gè)工作面，工作面北部為正在回采的24101工作面，南部為該礦未采動(dòng)區(qū)域，西部為該礦邊界(未采動(dòng)部分)，東部為該礦二四采區(qū)三條下山。24102工作面地面標(biāo)高+1 498～+1 674 m，工作面標(biāo)高+1 086～+1 126 m，工作面上部為正在回采的24101工作面，區(qū)段煤柱寬度為26 m，工作面位置見圖1. 24102工作面平均走向長(zhǎng)度為1 855 m，傾向長(zhǎng)236 m(斜長(zhǎng)，里邊—里邊)，可采段煤層厚度3.8 m，直接頂為厚度5 m左右的泥巖，基本頂為細(xì)粒砂巖，頂?shù)装鍘r層特征見表1.

表1 頂?shù)装鍘r性特征表

2 24102運(yùn)輸巷原有支護(hù)方案評(píng)價(jià)

該礦24102運(yùn)輸巷采用梯形斷面，巷道寬度為4.5 m，上幫高4.2 m，下幫3.5 m，采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板錨桿采用d22 mm，長(zhǎng)度2.4 m的螺紋鋼錨桿，每排7根，錨桿間排距為850 mm×900 mm，兩幫錨桿規(guī)格與頂板錨桿相同，上幫每排4根錨桿，間排距為1 000 mm×900 mm，下幫每排4根錨桿，間排距為950 mm×900 mm，所有錨桿均垂直頂板和兩幫安裝，錨桿預(yù)緊力250 N·m. 頂板采用d22 mm，長(zhǎng)度7.0 m的鋼絞線錨索，每排3根，錨索間排距為1 800 mm×1 800 mm，垂直巷道頂板安裝，24102運(yùn)輸巷原有支護(hù)方案見圖2a).

圖1 24102工作面位置圖

通過現(xiàn)場(chǎng)圍巖位移觀測(cè)得知，24102運(yùn)輸巷前期掘進(jìn)過程中，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量較小，頂板下沉量最大為300 mm，底板底鼓量最大為400 mm，而巷道兩幫的圍巖變形較大，上幫變形最大達(dá)1 000 mm，下幫變形最大達(dá)800 m，兩幫移近量最大可達(dá)1 800 mm左右，巷道兩幫多處出現(xiàn)明顯的網(wǎng)兜現(xiàn)象，頂板個(gè)別位置出現(xiàn)了網(wǎng)兜現(xiàn)象。總體來說，24102運(yùn)輸巷圍巖的位移以兩幫向巷內(nèi)“平移”為主，圍巖變形示意圖見圖2b).

圖2 24102運(yùn)輸巷原有支護(hù)方案及效果圖

為了解24102運(yùn)輸巷兩幫煤巖體的破壞特征，在24102運(yùn)輸巷掘進(jìn)55 m處，距離巷道底板2.0 m的上幫施工窺視鉆孔[1-2]，鉆孔d30 mm，深度為5.8 m，窺視儀觀察到圍巖內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況見圖3. 巷幫破壞程度較大的為深度0～1.2 m，裂隙多為拉伸破壞形成的橫向裂隙，無(wú)明顯的縱向裂隙；深度為1.2～2.5 m時(shí)，巖體較完整，但是個(gè)別位置出現(xiàn)2～3 mm的縱向裂隙；深度大于2.5 m時(shí)，巖體表現(xiàn)為無(wú)裂隙發(fā)育。巷道掘進(jìn)初期通過水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量得知兩幫煤巖體內(nèi)最大垂直主應(yīng)力為12.35 MPa.

圖3 24102運(yùn)輸巷上幫(煤柱幫)圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)窺視圖

24102運(yùn)輸巷圍巖變形的原因：

1) 圍巖應(yīng)力較大，24101工作面回采后，24102運(yùn)輸巷掘進(jìn)的位置處于應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)為2～3. 2) 軟弱煤層堅(jiān)硬頂板結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定表明，煤層f值為0.8～1.3，直接頂泥巖f值2.5～3.8，基本頂細(xì)粒砂巖f值為3.5～4.5，為典型的軟弱煤層硬巖巷道[3]，導(dǎo)致兩幫顯著內(nèi)移。3) 回采動(dòng)壓影響。受臨近24101工作面較為強(qiáng)烈的采動(dòng)影響。4) 支護(hù)方式及參數(shù)的因素。原有錨桿錨索支護(hù)強(qiáng)度不足，預(yù)應(yīng)力較低，未能有效地控制兩幫煤體內(nèi)松動(dòng)圈的持續(xù)擴(kuò)大。

3 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)24102運(yùn)輸巷具體的地質(zhì)和技術(shù)條件，結(jié)合“攜頂?shù)?，控兩幫”的支護(hù)思想，通過提高錨桿錨索的預(yù)緊力及在兩幫增加錨索提高兩幫的承載能力。頂板錨桿間排距為850 mm×900 mm，上幫錨桿間排距為1 000 mm×900 mm，下幫錨桿間排距為950 mm×900 mm，錨桿安裝時(shí)預(yù)緊力加大至不小于400 N·m，頂板和兩幫錨索間排距為1 800 mm×1 800 mm，錨索安裝預(yù)緊力應(yīng)≥300 kN，頂板錨桿間采用由16#圓鋼焊制的鋼筋梯子梁連接，兩幫錨桿和錨索間均采用鋼筋梯子梁配合W鋼護(hù)板(長(zhǎng)450 mm×寬280 mm×厚5 mm)護(hù)幫。24102運(yùn)輸巷優(yōu)化后的支護(hù)方案見圖4.

圖4 24102運(yùn)輸巷優(yōu)化支護(hù)方案圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

24102運(yùn)輸巷至掘巷100 m后采用了上述支護(hù)方案，為考察優(yōu)化后支護(hù)方案的應(yīng)用效果，在運(yùn)輸巷掘進(jìn)150 m(1#測(cè)站)和200 m(2#測(cè)站)處分別布置圍巖位移觀測(cè)站[4]，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果整理見圖5. 24102運(yùn)輸支護(hù)完成后，隨著觀測(cè)天數(shù)的增大，圍巖的變形速度逐漸較小，最終趨近于零，圍巖的變形主要集中在成巷后的40天內(nèi)，其中1#測(cè)站在成巷25天后圍巖位移量基本穩(wěn)定，而后圍巖又出現(xiàn)明顯的位移現(xiàn)象，最終在成巷35天后巷道變形量穩(wěn)定不變；2#測(cè)站成巷35天后圍巖位移基本穩(wěn)定；最終1#、2#測(cè)站處兩幫移近量最大分別為306 mm、360 mm，相對(duì)于原支護(hù)方案的1.8 m減小了約80%，頂?shù)装逡平孔畲蠓謩e為261 mm、265 mm，相對(duì)于原支護(hù)方案減小約65%，總體來說，24102運(yùn)輸巷圍巖位移量較小，圍巖變形破壞得到有效控制，能夠滿足為24102工作面服務(wù)的要求。

圖5 24102運(yùn)輸巷圍巖位移觀測(cè)結(jié)果圖

5 結(jié) 論

潞寧煤業(yè)24102運(yùn)輸巷掘進(jìn)初期圍巖出現(xiàn)位移過大的現(xiàn)象，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及理論分析得知，主要原因包括圍巖應(yīng)力過大、軟弱煤層堅(jiān)硬頂板結(jié)構(gòu)、回采動(dòng)壓影響及支護(hù)方案不合理，結(jié)合“攜頂?shù)祝貎蓭汀钡闹ёo(hù)思想，提高整體支護(hù)的預(yù)緊力，兩幫增加錨索提高支護(hù)強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后通過圍巖位移監(jiān)測(cè)表明，采用優(yōu)化的支護(hù)方案后，24102運(yùn)輸巷兩幫移近量最大為360 mm，相對(duì)于原支護(hù)方案的1.8 m減小了約80%，頂?shù)装逡平孔畲蠓謩e為261 mm、265 mm，相對(duì)于原支護(hù)方案減小約65%，圍巖的位移量顯著的減小，取得了良好的支護(hù)效果。