望云煤礦15101 綜放面沿空煤巷圍巖支護(hù)技術(shù)研究

張 志 偉

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司，山西 晉城 048400）

0 引 言

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量十分豐富，其中厚煤層儲(chǔ)量約占生產(chǎn)礦井總儲(chǔ)量的45%左右，厚煤層生產(chǎn)礦井遍布全國(guó)各大礦區(qū)。綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采方法由于開(kāi)采產(chǎn)量高、安全性好、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)被我國(guó)煤炭行業(yè)所認(rèn)可，并先后在全國(guó)各大礦區(qū)推廣使用，為我國(guó)煤炭高產(chǎn)高效生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)[1]。為了節(jié)約煤炭資源、提高煤炭采出率，綜放開(kāi)采時(shí)常常使用窄煤柱沿空掘巷技術(shù)[2]。綜放窄煤柱沿空掘巷由于巷道斷面大、采動(dòng)影響劇烈、煤柱寬度小[3-4]等特點(diǎn)導(dǎo)致沿空巷道圍巖穩(wěn)定性差，以往傳統(tǒng)的巷道圍巖控制技術(shù)難以滿足綜放沿空巷道圍巖穩(wěn)定性要求。因此，研究綜放沿空巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)具有十分重要的意義。

1 工程概況

望云礦15101 工作面煤層平均厚度約為6.3m，平均傾角3.7°，采用綜合機(jī)械化放頂煤方法開(kāi)采，其中采煤高度為3m，放煤高度約為3.3m。15101 綜放工作面長(zhǎng)約250m，走向平巷長(zhǎng)度約為1500m，15101 區(qū)段回風(fēng)平巷為沿空煤巷，其與工作面采空區(qū)之間留設(shè)8m 寬的煤柱。15101 區(qū)段回風(fēng)平巷巷道斷面形狀為矩形，凈斷面尺寸為5400mm×3500mm（寬×高），巷道在工作面回采結(jié)束后沿底板掘進(jìn)。該工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，其厚度為3.0m；老頂為12m 的細(xì)砂巖；底板為泥巖，厚1.8m。

15101 回風(fēng)平巷已掘進(jìn)長(zhǎng)度為450m，已掘進(jìn)段頂板每排布置6 根φ18×2000mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿采用鋼筋梯子梁連接。錨桿間排距1000mm×900mm，靠近左右?guī)筒垮^桿與豎直方向夾角為15°，中間四根錨桿垂直于巷道頂板。在巷道頂板中線兩側(cè)1000mm 處各布置一根φ17.8×8400mm的單體錨索，兩根錨索均垂直于頂版，間排距為2000mm×2000mm。煤柱幫與實(shí)體煤幫錨桿布置參數(shù)相同，幫部每排布置三根φ18×2000mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距1150mm×900mm，最上部錨桿與最下部錨桿分別向上和向下傾斜15°。煤柱幫布置兩根φ17.8 ×6300mm 的 單 體 錨 索， 間 排 距 為1400mm×1500mm，其中上部錨索與頂板間距為900mm，下部錨索與底板間距為1200mm。巷道斷面支護(hù)如圖1 所示。

2 沿空煤巷礦壓顯現(xiàn)

對(duì)15101 區(qū)段回風(fēng)平巷已掘進(jìn)段0～420m 范圍進(jìn)行井下調(diào)研以了解在原有巷道支護(hù)形式下的礦壓顯現(xiàn)情況，該段礦壓顯現(xiàn)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 15101 區(qū)段回風(fēng)平巷礦壓顯現(xiàn)統(tǒng)計(jì)表

圖2 煤柱幫變形擠出

從表1 可以看出，15101 區(qū)段回風(fēng)平巷0～420m段礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈且顯現(xiàn)頻率高，巷道破壞位置主要是在頂板偏向煤柱側(cè)、煤柱幫、煤柱幫頂角及兩幫無(wú)支護(hù)底角，其中頂板偏向煤柱側(cè)及煤柱幫破壞尤為嚴(yán)重，如圖2 所示。

3 巷道圍巖松動(dòng)圈觀測(cè)

圍巖松動(dòng)圈是指巷道周邊形成的環(huán)向破裂帶[5]，是評(píng)價(jià)巷道圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。為了解15101 回風(fēng)平巷的松動(dòng)圈大小、評(píng)價(jià)巷道在原有支護(hù)條件下的圍巖穩(wěn)定性，對(duì)該巷進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈觀測(cè)。在15101 回風(fēng)平巷100m、200m、300m、400m 處分別布置圍巖松動(dòng)圈觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)站布置及參數(shù)如圖3 所示，松動(dòng)圈觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 松動(dòng)圈觀測(cè)測(cè)站布置

表2 巷道圍巖松動(dòng)圈范圍

由表2 觀測(cè)結(jié)果可知，在原支護(hù)條件下巷道頂板松動(dòng)圈深度最大約為2.9m，巷道頂煤高約為2.8m，可知巷道頂板的破壞主要在于其上的煤層頂板。巷道煤柱幫松動(dòng)圈范圍及裂隙發(fā)育程度均明顯大于實(shí)體煤幫，這一觀測(cè)結(jié)果與前述巷道礦壓顯現(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果相一致，由此可知原支護(hù)方案并不能對(duì)該沿空煤巷起到很好的控制效果。

4 巷道維護(hù)特點(diǎn)分析

通過(guò)以上觀測(cè)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知沿空煤巷破壞位置主要在頂板偏向煤柱側(cè)及煤柱幫，15101 回風(fēng)平巷維護(hù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）該沿空巷道直接頂為松軟煤層，且煤層之上為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度低，易與上方頂板形成離層導(dǎo)致頂板煤巖體整體性差破壞嚴(yán)重。

2）巷道開(kāi)挖后原巖應(yīng)力重新分布，巷道上方垂直應(yīng)力向煤柱幫和實(shí)體煤幫轉(zhuǎn)移，加上相鄰工作面開(kāi)采后引起的采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，導(dǎo)致煤柱承受高集中應(yīng)力更容易破壞。

3）護(hù)巷煤柱寬度為8m，由于煤柱寬度窄導(dǎo)致煤柱承載能力極大地降低易產(chǎn)生破壞變形。

4）該巷道凈寬5.4m，凈寬3.6m，為大斷面巷道。巷道跨度越大，巷道頂板形成的梁結(jié)構(gòu)的彎矩越大，從而使頂板梁中性軸以下受拉應(yīng)力區(qū)域變大、拉應(yīng)力變大，由于煤巖體抗拉能力遠(yuǎn)弱于抗壓能力，導(dǎo)致巷道頂板更容易受拉破壞、離層、冒落。

5）工作面端頭開(kāi)采形成采空區(qū)，其上部巖層與窄煤柱上覆巖層破斷共同形成弧形三角塊結(jié)構(gòu)[6]，弧形三角塊結(jié)構(gòu)在回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中在垂直方向上對(duì)煤柱側(cè)產(chǎn)生較大壓力導(dǎo)致巷道靠近煤柱側(cè)破壞嚴(yán)重，在水平方向上弧形三角塊結(jié)構(gòu)對(duì)巷道頂板形成擠壓力，導(dǎo)致巷道頂板擠壓破壞嚴(yán)重。

5 支護(hù)優(yōu)化

針對(duì)15101 回風(fēng)平巷0～450m 段出在原支護(hù)條件下出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)該巷450～1500m 段支護(hù)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的巷道斷面支護(hù)如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)后巷道斷面支護(hù)圖

支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)如下：

1）煤柱幫支護(hù)。由于煤柱幫松動(dòng)圈深度大于2.5m，原支護(hù)中煤柱幫錨桿長(zhǎng)度僅為2000mm，為滿足錨桿長(zhǎng)度大于松動(dòng)圈范圍，因此煤柱幫選用長(zhǎng)2.6m 的螺紋鋼錨桿，并將原來(lái)每排3 根錨桿增加至4 根，錨桿直徑由18mm 增加為20mm，間排距900mm×900mm，煤柱幫錨索參數(shù)不變。

2）實(shí)體煤幫支護(hù)。實(shí)體煤幫松動(dòng)圈深度最大為2.2m，錨桿選用2400mm 長(zhǎng)的螺紋鋼錨桿，將原來(lái)每排3 根錨桿增加至4 根，錨桿其他參數(shù)與煤柱幫相同。

3）頂板支護(hù)。在原支護(hù)中巷道頂板錨索僅布置兩根，且沿頂板中線對(duì)稱布置，顯然無(wú)法滿足對(duì)于巷道頂板及兩幫控制，為控制巷道頂板特別是靠煤柱側(cè)的下沉和水平擠壓，以降低兩幫特別是煤柱幫的破壞，設(shè)計(jì)每排采用三根長(zhǎng)8400mm、直徑17.8mm 且由鋼筋梯子梁連接的錨索及六根長(zhǎng)2.6m、直徑20mm的螺紋鋼錨桿支護(hù)頂板，其中中間錨索在巷道中心線靠煤柱側(cè)300mm 處，錨索間排距1700mm×1500mm，左右兩側(cè)錨索與豎直方向成15°。

6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在450～1500m 段巷道掘進(jìn)后采用新的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)，并用十字布點(diǎn)法和激光測(cè)距儀進(jìn)行了為期90 天的圍巖位移觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 圍巖移近量

從圖5 可以看出，巷道掘進(jìn)后的15 天內(nèi)變形速率最快，之后慢慢變緩，巷道掘進(jìn)后80 天左右兩幫位移量和頂?shù)装逦灰屏炕静辉僮兓?；煤柱幫位移量始終大于實(shí)體煤幫和頂板位移量，但位移量最大值僅為65mm 左右，說(shuō)明在新的支護(hù)方案下巷道圍巖得到了很好的控制。

7 結(jié) 論

1）15101 回風(fēng)平巷為沿空煤巷，巷道斷面大、護(hù)巷煤柱窄、圍巖強(qiáng)度低，加上工作面端頭與窄煤柱上方破斷巖層形成的弧形三角塊結(jié)構(gòu)對(duì)巷道頂板靠煤柱側(cè)在垂直方向和水平方向的壓力，導(dǎo)致巷道靠近煤柱側(cè)不對(duì)稱破壞。

2）針對(duì)原有支護(hù)條件下15101 回風(fēng)平巷破壞特點(diǎn)，提出采用偏向煤柱側(cè)布置錨索及增加錨桿長(zhǎng)度與直徑和增加錨桿索數(shù)量的控制方法，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中取得良好控制效果。