采掘交鋒時5214軌道巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

魯曉斐

(大同煤礦集團(tuán) 燕子山礦，山西 大同 037037)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的煤炭開采技術(shù)得到了長足進(jìn)步，越來越多的礦井逐漸向集約化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變[1-2]。在此轉(zhuǎn)變過程中不可避免地面臨著諸多問題，其中最為典型的是如何在采掘交鋒下有效減少掘進(jìn)巷道受鄰近工作面的采動影響，有關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了研究，并提出相應(yīng)的圍巖穩(wěn)定性控制措施[3-5]。

大同煤礦集團(tuán)燕子山礦5214軌道巷和8216工作面在生產(chǎn)過程中存在著采掘交鋒的情況，且5214軌道巷和8216工作面之間的間距僅為35 m，該巷受采動影響較大，圍巖受力復(fù)雜，在采掘交鋒時若不采取任何控制措施，則存在著較高的安全隱患。因此在采掘交鋒時對5214軌道巷制定合理有效的控制措施成為當(dāng)前該礦急需解決的首要任務(wù)。

1 工程概況

5214軌道巷和8216工作面位于燕子山礦3號煤層302盤區(qū)，該煤層傾角約為2°，平均厚度為5.3 m，系全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。其中5214軌道巷埋深450 m，為矩形巷道，巷寬4 m，巷高3.3 m，斷面積為13.2 m2，從盤區(qū)軌道巷開口，沿頂板掘進(jìn)，巷道走向長度為2 490 m。支護(hù)方案為：頂板采用D20 mm、L2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，共布置6根，間排距900 mm×1 000 mm，頂板兩側(cè)角錨桿呈60°布置；錨索采用D17.8 mm、L7 000 mm的低松弛鋼絞線，每排布置2根，分別位于距巷道中線左右兩側(cè)1 000 mm處，排距為2 000 mm。兩幫錨桿采用D18 mm、L1 700 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置3根，上排距頂板600 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm。錨桿所施加的預(yù)緊力為45 kN，并采用一支MSCKa2360型樹脂藥卷進(jìn)行錨固，錨索所施加的預(yù)緊力為125 kN，采用一支MSCKa2360、一支MSZ2360型樹脂藥卷對其進(jìn)行錨固，巷道斷面支護(hù)如圖1所示。5214軌道巷進(jìn)巷右側(cè)為8216工作面，該工作面傾向長200m，走向長2 100 m。

圖1 5214巷道斷面支護(hù)(mm)

2 5214軌道巷在掘進(jìn)過程中面臨的問題

為了提高生產(chǎn)效率，加快采掘銜接，5214軌道巷和8216工作面存在著采掘交鋒的情況，采掘交鋒所引起的動壓疊加現(xiàn)象會嚴(yán)重影響工作面和掘進(jìn)巷道的圍巖穩(wěn)定性，特別是5214軌道巷受鄰近工作面采動影響較大，若不采取相應(yīng)的控制措施保證其能夠順利的通過壓力區(qū)，必然會造成嚴(yán)重的安全隱患。

3 巷道圍巖原位探測

3.1 5214軌道巷頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)測試

掌握5214軌道巷頂?shù)装鍘r層的賦存情況以及各巖層的圍巖物理力學(xué)參數(shù)對于制定圍巖控制措施具有重要意義。故在5214軌道巷頂?shù)装暹x取合適的位置打鉆取芯并將所取巖芯密封后帶回實(shí)驗(yàn)室，使用巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對其物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。

表1 巷道頂?shù)装鍑鷰r賦存狀況及力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計

從表1可以看出，3號煤層厚度較厚且強(qiáng)度偏低，5214軌道巷的偽頂為炭質(zhì)泥巖，該巖層的厚度僅為0.8 m；直接頂為3.6 m的細(xì)粒砂巖和2.9 m的粉砂巖，這兩層圍巖的完整性相對較好，具有較高的強(qiáng)度；老頂為18.6 m厚的高嶺巖。直接底為6.85 m的粉砂巖。

測試結(jié)果表明，5214巷頂板圍巖強(qiáng)度整體偏高，而兩幫為煤體強(qiáng)度偏低，易受到8216工作面的采動影響，從而造成對頂板的支撐能力出現(xiàn)一定程度的下降。

3.2 巷道右?guī)透Q視結(jié)果分析

5214軌道巷右?guī)涂拷?216工作面，在采掘交鋒時右?guī)退艿牟蓜佑绊戄^大，為了對采掘交鋒時巷道圍巖控制措施的制定提供一定的依據(jù)，在工作面和掘進(jìn)面相距200 m時，在5214軌道巷右?guī)瓦x取合適的位置布置窺視鉆孔，對其圍巖內(nèi)部破碎狀況以及裂隙發(fā)育情況進(jìn)行窺視，窺視結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，窺視孔1.4 m深處圍巖較為破碎，2.2 m深處裂隙比較發(fā)育且張開度較大，2.4 m深處以上圍巖完整性較好。而在原支護(hù)方案中幫部錨桿的長度僅為1.7 m，錨固基礎(chǔ)較差，在較強(qiáng)的采動影響下難以保障巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 鉆孔窺視結(jié)果

4 采掘交鋒時5214軌道巷圍巖穩(wěn)定性控制措施

5214軌道巷和8216工作面間距較小，且該巷道幫部為煤體，距巷幫0～2 m深處范圍內(nèi)的圍巖破碎嚴(yán)重，煤層整體強(qiáng)度偏低，若掘進(jìn)面和工作面強(qiáng)行交鋒，則會引起一定程度的應(yīng)力疊加，同時5214軌道巷受強(qiáng)烈的采動影響，圍巖穩(wěn)定性必然會出現(xiàn)一定程度的下降，為了避免在采掘交鋒時發(fā)生重大的安全事故，保證其順利交鋒，根據(jù)圍巖原位測試結(jié)果，提出如下治理措施。

1) 為了保證巷道在掘進(jìn)期間能夠順利通過壓力區(qū)，并使工作面和掘進(jìn)巷道的圍巖應(yīng)力得到一定程度的釋放，在5214軌道巷掘進(jìn)面位于8216工作面前方60 m時開始對5214軌道巷進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，同時巷道的掘進(jìn)速度由原來的8 m/d降低至4 m/d。

2) 為了防止5214軌道巷和8216工作面之間的壓力區(qū)進(jìn)一步疊加，當(dāng)交鋒剩余30 m時5214巷停止掘進(jìn)，工作面的推進(jìn)速度由5 m/d降至3 m/d。

3) 交鋒完畢且5214軌道巷掘進(jìn)面位于工作面后方20 m時方可恢復(fù)掘進(jìn)，掘進(jìn)速度仍保持4 m/d，巷道圍巖采用加強(qiáng)支護(hù)對其進(jìn)行控制。

4) 當(dāng)5214軌道巷掘進(jìn)面位于8216工作面后方60 m時，掘進(jìn)速度恢復(fù)至原來的8 m/d并一直保持到巷道掘進(jìn)完畢，工作面的推進(jìn)速度恢復(fù)為5 m/d，由于5214軌道巷使用時間較長，在此過程中仍采用加強(qiáng)支護(hù)的方式對其進(jìn)行支護(hù)。

對5214軌道巷進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)的措施主要為：

1) 頂板錨桿在原方案的基礎(chǔ)上將其排距縮小為900 mm，預(yù)緊力由原來的45 kN提高至60 kN，頂板錨索的布置方式改為在巷中心處布置一根，距巷中心左右兩側(cè)1 400 mm處分別布置一根，排距改為900 mm，預(yù)緊力則由125 kN提高至160 kN。

2) 為了對巷幫0～2 m范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行加強(qiáng)控制，幫部錨桿在原方案的基礎(chǔ)上將其全部更換為D20 mm×L2 400 mm規(guī)格，排距縮小為900 mm，同時兩幫各布置一根3.5 m長的錨索，距頂板1 500 mm，排距900 mm，幫部錨桿(索)所施加的預(yù)緊力與加強(qiáng)支護(hù)后頂板錨桿(索)所施加的預(yù)緊力一致，圖3為加強(qiáng)支護(hù)后的巷道斷面。

圖3 加強(qiáng)支護(hù)后的巷道斷面(mm)

5 圍巖控制效果

5214軌道巷掘進(jìn)面位于8216工作面前方60 m時開始實(shí)施加固措施，同時在掘進(jìn)面后方3 m處布置測站，對5214巷的圍巖變形進(jìn)行為期30 d的現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，在監(jiān)測期間的第17 d工作面通過測站，在第1 d～14 d期間，測站圍巖變形較小，從第14 d開始測站圍巖受采動影響變形量開始增大，并一直持續(xù)到20 d后，圍巖變形開始減緩并逐漸趨于平穩(wěn)。最終頂板下沉量和兩幫移近量分別為81 mm和114 mm，兩幫移近量略大于頂板下沉量，同時在采掘交鋒時以及采掘交鋒后5214軌道巷掘進(jìn)面并未發(fā)生明顯變形，上述結(jié)果顯示，采取加強(qiáng)支護(hù)后巷道圍巖穩(wěn)定性較好，可以有效保證礦井的正常安全生產(chǎn)。