切頂卸壓自動成巷支護工藝實踐探析

薛杰毅

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

霍煤方山木瓜煤礦10-102 工作面位于一采區(qū)準(zhǔn)備巷道左翼，上部為9-104、9-106 采空區(qū)。該工作面以北為一采區(qū)三條大巷，以南為實體煤，緊鄰采區(qū)采掘邊界線，以西緊鄰10-106 采空區(qū)，以東緊鄰10-100 掘進工作面，靠近南區(qū)三條大巷。回采區(qū)域與上覆9#煤層間距為0.9～8.5m，平均4.7m，10-1021 巷末端層間距較薄。礦井10-102 工作面走向全長586m，煤層平均厚度2.8m，開切眼距停采線653m，102 綜采工作面沿空留巷長度約為180m。根據(jù)礦壓資料顯示，該工作面初期來壓步距在18～25m 之間，巖石碎脹系數(shù)為1.52。

2 切頂卸壓沿空留巷支護設(shè)計

2.1 巷旁加強支護

為有效維護巷道圍巖穩(wěn)定性，防止頂板破碎圍巖大面積垮落進入巷道內(nèi)部，影響機電設(shè)備的正常運行與工作面的推進，提出通過巷旁加強支護改善圍巖破碎情況[1]。具體方法擬采用單體支柱+11#工字鋼+鋼筋網(wǎng)在支架后方進行補強支護，在工作面破碎區(qū)域，進行單體支柱配合工字鋼聯(lián)合支護。各單體支柱的間距為0.6m，采用間隔均勻布置的方式，11#工字鋼固定在各單體支架之間，各工字鋼的間距為0.6m，工字鋼通過鋼筋網(wǎng)進行固定，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為2300mm×800mm。巷旁加強支護斷面如圖1所示。

圖1 巷旁加強支護斷面圖

2.2 巷內(nèi)加強支護

在端頭支架后面的15m 之內(nèi)，在單體支柱的頂部架設(shè)花邊粱，花邊粱規(guī)格為2.4m；15m 以外的區(qū)域，設(shè)置單體支柱、花邊粱，規(guī)格為4.2m，布置方式為一梁四柱。巷道破碎處進行加密支護。工作面推進100m 之后，花邊粱以及單體支柱均可回收利用[2]。巷內(nèi)加強支護示意如圖2 所示。

圖2 巷內(nèi)加強支護示意圖

2.3 注漿錨桿圍巖控制技術(shù)

10-102 工作面頂板為復(fù)合型頂板，在通過預(yù)裂爆破進行切頂卸壓的過程中，頂板破碎嚴(yán)重，垮落的區(qū)域較大。由于垮落巖體松軟破碎，形成的充填支護體結(jié)構(gòu)整體性較差，難以形成穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)對上覆煤巖體進行有效承載。針對該現(xiàn)象，提出對周圍松軟破碎的圍巖進行注漿加固處理，即在巷道圍巖體中打設(shè)注漿錨桿，通過壓力泵對鉆孔注射填充漿液，使?jié){液與圍巖充分接觸、擴散，充滿圍巖的裂隙。在注漿液體凝固后，將巷道松軟破碎的圍巖凝結(jié)成一個結(jié)構(gòu)性完整的承載體，與巷旁支護體共同形成支護結(jié)構(gòu)，有效控制圍巖體的變形情況，保證圍巖的穩(wěn)定性[3]。

設(shè)計每個斷面打設(shè)三排注漿錨桿，底排錨桿位于巷道底板上方0.3m 處，各錨桿間排距為0.8m×0.8m，保證注漿孔與巷道兩幫垂直。注漿錨桿布置示意圖如圖3 所示。

圖3 注漿錨桿布置示意圖

注漿選用的材料為雙液水泥漿，主要成分為水泥、水與水玻璃。在注漿過程中，需控制注漿壓力在5MPa 以上，持續(xù)觀測注漿壓力計示數(shù)變化，待各鉆孔注漿壓力穩(wěn)定在9～10MPa 之間時，注漿完成[4-5]。

為了檢測注漿水泥量對錨桿扭矩值的影響作用，在102 工作面運輸巷道進行了水泥用量測驗。在試驗區(qū)段，分別用100kg、200kg、250kg 的水泥進行鉆孔注漿，在注漿完成后的一段時間，通過扭矩扳手進行抗扭矩分析。三種不同水泥使用量與錨桿抗扭矩的關(guān)系如圖4 所示。

圖4 三種水泥用量與錨桿抗扭矩關(guān)系

通過圖4 可以看出，在注漿完成的第1d 前后，水泥用量為100kg、200kg、250kg 的錨桿抗扭矩值分別為174N·m、245N·m 和260N·m；在注漿完成的第2d 前后，水泥用量為100kg、200kg、250kg 的錨桿抗扭矩值分別為360N·m、400N·m和415N·m；在注漿完成的第3d 前后，水泥用量為100kg、200kg、250kg 的錨桿抗扭矩值分別為438N·m、500N·m 和500N·m；在注漿完成的第4d前后，水泥用量為100kg、200kg、250kg 的錨桿抗扭矩值趨于穩(wěn)定。三種不同水泥用量的抗扭矩值都達到了500N·m。

通過對數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)水泥用量為250kg 時，注漿錨桿在初期的抗扭矩值變化率較大，在相同的注漿周期內(nèi)，抗扭矩值高于其他兩種方案。在注漿時間達到4d 以后，三種方案的錨桿抗扭矩值達到一致。針對圍巖破碎嚴(yán)重，亟待維護的區(qū)域，采用水泥用量為250kg 的注漿方案能夠更有效地控制圍巖變形發(fā)展，維護巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2.4 采空區(qū)擋矸支護

通過預(yù)裂爆破進行切頂卸壓后，在切縫附近往往會出現(xiàn)頂板破碎甚至伴隨局部大面積垮落的現(xiàn)象。隨著工作面的推進，鄰近采空區(qū)附近的圍巖垮落，對工作面的支護與推進造成嚴(yán)重影響[6]。針對這種現(xiàn)象，提出在工作面回采結(jié)束前，對切縫超前工作面的25m 位置處進行單體加強支護的技術(shù)手段。即在切縫側(cè)巷旁采用11#工鋼配合單體支柱進行圍巖穩(wěn)定性控制，各單體支架與11#工字鋼的相鄰間距均0.6m。在頂板破碎嚴(yán)重，支護困難的區(qū)域，需利用鋼筋網(wǎng)進行支護加固，鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為2300mm×800mm。

3 效果

在10-102 工作面進行了頂板離層監(jiān)測、支柱下縮量記錄與巷道側(cè)向應(yīng)力的監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，巷道離層現(xiàn)象在與開切眼超過95m 時逐漸趨于穩(wěn)定。其中，頂板離層的最大值為55.3mm，頂板離層的平均值為26.4mm，頂板離層程度屬于中等水平；加強支護的單體支柱的活柱最大下縮量為198mm，支柱承載壓力在正常范圍內(nèi)；巷道側(cè)向壓力在遠離工作面推進方向28m 處逐漸趨于穩(wěn)定，側(cè)向壓力平均值為2.3MPa，支護區(qū)域圍巖穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大面積垮落、片幫的現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制。

4 結(jié)語

以10-102 工作面為研究對象，針對切頂卸壓巷道復(fù)合頂板破碎嚴(yán)重、維護困難的難題，設(shè)計并實施了巷道加強支護技術(shù)。通過對支護區(qū)域進行的頂板離層監(jiān)測、支柱下縮量記錄與巷道側(cè)向應(yīng)力監(jiān)測，表明該工藝能夠有效控制圍巖變形情況，保證圍巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，消除工作面潛在的礦壓威脅，實現(xiàn)礦井回采工作面的快速推進與安全回采。