馬堡煤礦迎采巷道圍巖綜合控制技術(shù)

岳鵬飛

(山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000)

近年來隨著煤礦開采強(qiáng)度的增大，采掘接替關(guān)系普遍比較緊張，礦井經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)迎采動(dòng)工作面對(duì)掘巷道(以下簡稱“迎采巷道”)的情況。此類巷道需經(jīng)歷鄰近工作面采空區(qū)側(cè)向頂板破斷、轉(zhuǎn)動(dòng)及穩(wěn)定的全過程動(dòng)壓影響，巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，尤其是大采高回采工作面和大斷面全煤巷道，礦壓顯現(xiàn)更為劇烈，維護(hù)極其困難，嚴(yán)重制約著煤礦安全高效開采。

目前煤礦大斷面巷道圍巖收斂性較大的原因主要是煤層埋深大、圍巖強(qiáng)度低及采動(dòng)影響。學(xué)者們針對(duì)前二者引起的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其控制技術(shù)的研究已經(jīng)成熟，但在采動(dòng)影響方面的研究仍存在不足[1-3]。由于大斷面巷道在采動(dòng)影響下，應(yīng)力呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致圍巖控制手段較為困難。近年來，煤礦現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)鋼架等單一的被動(dòng)支護(hù)無法維持大斷面巷道圍巖的穩(wěn)定性，并且由于錨桿支護(hù)技術(shù)的迅速發(fā)展，以錨桿支護(hù)為主體，結(jié)合多種支護(hù)體的聯(lián)合支護(hù)體系，已成為圍巖變形有效控制的手段[4]。

本文以馬堡煤礦15201回風(fēng)巷(跨度5.0 m以上、高度4.5 m)為研究對(duì)象，綜合采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析等方法，研究了大斷面迎采巷道圍巖的綜合控制技術(shù)。

1 工程概況

馬堡煤礦正在回采152采區(qū)15203工作面，15201工作面為15203接替工作面，由于采掘接替緊張，15203工作面回采結(jié)束之前，需提前掘進(jìn)15201回風(fēng)巷，完成15201工作面布置，目前，15201回風(fēng)巷正對(duì)掘至15203回采工作面采空區(qū)后方300 m，如圖1所示。15201回風(fēng)巷采用全煤超大矩形斷面，掘進(jìn)斷面尺寸5.6 m×4.5 m，斷面積高達(dá)25.2 m2，而且迎采對(duì)掘?qū)е?5201回風(fēng)巷在掘進(jìn)期間受15203工作面采動(dòng)動(dòng)壓影響，極易導(dǎo)致巷道圍巖大變形，給巷道的維護(hù)帶來了很大的困難。

圖1 15203回采工作面與15201回風(fēng)巷位置關(guān)系(m)

2 支護(hù)情況

迎采巷道采取的支護(hù)方式為：錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁+錨索補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)。頂錨桿采用D22 mm×2 500 mm的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配合150 mm×150 mm×10 mm拱形高強(qiáng)度托盤與D12 mm鋼筋梯子梁，每排布置8根，間排距為750 mm×1 000 mm，錨固方式采用樹脂加長錨固，錨固劑規(guī)格為1支MSK2335和1支MSZ2360，預(yù)緊力矩不小于300 N·m，錨固力不小于80 kN。

頂錨索采用D18.9 mm×8 300 mm的1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，配合250 mm×250 mm×20 mm的拱形高強(qiáng)度托盤，每排布置3根，間排距為1 600 mm×2 000 mm，樹脂端頭錨固，1支規(guī)格為MSK2335，2支規(guī)格為MSZ2360，預(yù)緊力不低于100 kN，錨固力大于250 kN。

幫錨桿采用D20 mm、長度2 100 mm的螺紋鋼錨桿，配合120 mm×120 mm×8 mm的拱形高強(qiáng)度托盤與D12 mm的鋼筋梯子梁，每排布置6根，間排距為800 mm×1 000 mm，采用1支MSZ2360錨固劑，錨固力不小于60 kN。

3 迎采巷道支護(hù)構(gòu)件及圍巖變形破壞情況

3.1 迎采巷道支護(hù)構(gòu)件破壞情況

15201回風(fēng)巷640 m(距離鄰近15203回采工作面采空區(qū)230 m)處靠近煤柱側(cè)的頂錨桿發(fā)生破斷，5月18日在該位置附近又有3根頂錨桿與2根頂錨索相繼發(fā)生破斷，如圖2與圖3所示。

圖2 頂錨桿破斷情況

圖3 頂錨索破斷情況

頂錨桿破斷部位在距錨尾20～30 cm處，桿體斷口附近出現(xiàn)明顯的徑縮和彎曲，如圖2(a)所示；斷口處不規(guī)整且凹凸不平，如圖2(b)所示；錨桿高強(qiáng)度托板調(diào)心球形墊上端一側(cè)受壓變形明顯，如圖2(c)所示。分析認(rèn)為這是由于桿體受到拉伸、彎曲與剪切等組合作用，受力狀態(tài)復(fù)雜而發(fā)生破斷。

頂錨索破斷部位在距錨尾50 cm處，鋼絞線斷口附近也出現(xiàn)徑縮與彎曲，并且鋼絞線散開，如圖3所示，這是由于鋼絞線受到拉伸、彎曲與剪切等組合作用而破斷。

3.2 迎采巷道圍巖變形破壞情況

在15201回風(fēng)巷頂錨桿破斷的區(qū)域頂板出現(xiàn)網(wǎng)兜，見圖4(a)；網(wǎng)兜以破斷錨桿為中心，面積約3.2 m2，網(wǎng)兜內(nèi)的巖石呈碎裂片狀，塊度較大，見圖4(b)；另外，在該區(qū)域附近靠近煤柱側(cè)還有幾處頂板也呈碎裂狀態(tài)，有的也形成網(wǎng)兜，并且鋼筋梯子梁擠壓變形，見圖4(c)。相似情況自15201回風(fēng)巷600 m開始至640 m結(jié)束，分界線非常明顯，見圖5，總長度約40 m，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)該區(qū)域巷道頂板有1層厚400～1 300 mm的偽頂。此外，在剛出現(xiàn)偽頂?shù)南锏拦战翘幤扑閲?yán)重，見圖6。

圖4 15201回風(fēng)巷頂板網(wǎng)兜情況

圖5 15201回風(fēng)巷偽頂情況

圖6 回風(fēng)巷600 m拐角破碎嚴(yán)重

4 迎采巷道圍巖變形破壞機(jī)理

結(jié)合15201回風(fēng)巷頂板情況分析可知，偽頂發(fā)生離層錯(cuò)動(dòng)是錨桿破斷的主要原因。隨著毗鄰15203工作面回采，采場頂板周期性破斷、回轉(zhuǎn)、下沉，在采空區(qū)上方沿傾向形成弧形三角塊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采動(dòng)敏感性強(qiáng)，將直接影響15201回風(fēng)巷的穩(wěn)定性。由于15201回風(fēng)巷側(cè)幫煤柱寬30 m，基本頂關(guān)鍵塊B斷裂位置可能位于煤柱上方，如圖7所示。15201回風(fēng)巷淺部頂板巖層在煤柱頂板大結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)下沉作用下向巷道內(nèi)發(fā)生明顯的水平擠壓運(yùn)動(dòng)，而實(shí)體煤幫側(cè)淺部頂板在深部圍巖壓力作用下亦向巷道自由側(cè)發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)方向水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)不同方向水平位移，并在巷道自由面方向交匯，進(jìn)而使錨桿發(fā)生擠壓剪切，再加上偽頂處的質(zhì)軟泥巖在水與應(yīng)力耦合作用下易出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象，越發(fā)增加其剪切作用，從而使錨桿在離層錯(cuò)動(dòng)與懸吊的組合作用下發(fā)生破斷。

圖7 15203回采工作面基本頂斷裂結(jié)構(gòu)示意

5 迎采巷道圍巖綜合控制方案

對(duì)于此類迎采巷道的礦壓顯現(xiàn)問題，擬采用如下3種方案：

1) 避開采動(dòng)影響。為防止15203綜采工作面回采對(duì)15201回風(fēng)巷掘進(jìn)造成影響，當(dāng)15201回風(fēng)巷掘進(jìn)距15203綜采工作面55 m時(shí)，15201回風(fēng)巷停止掘進(jìn)。如果掘進(jìn)過程中頂板出現(xiàn)響聲，巖層下沉斷裂、漏頂、掉渣，頂板裂縫增加，出現(xiàn)脫層、煤質(zhì)變軟、片幫煤增多、瓦斯涌出增加、淋水量增大等異?，F(xiàn)象時(shí)，15201回風(fēng)巷也停止掘進(jìn)，撤出工作面人員，待確認(rèn)工作面安全后，從工作面停掘迎頭開始往巷道開口處對(duì)所掘巷道幫(15203工作面?zhèn)?進(jìn)行補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)。

2) 煤柱幫加強(qiáng)支護(hù)。煤柱幫補(bǔ)打幫錨索，錨索采用D15.24 mm×5 000 mm的1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，三花布置，即一排錨索布置1根，打設(shè)在巷道正中間，另一排錨索布置兩根，間距2 500 mm，分別距離頂?shù)装? 000 mm，排距為2 000 mm，樹脂端頭錨固，采用3支錨固劑，1支規(guī)格為MSK2335，另兩支規(guī)格為MSZ2360，鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1.76 m，錨索托盤采用250 mm×250 mm×20 mm高強(qiáng)度托盤及配套鎖具。

3) 頂板加強(qiáng)支護(hù)。頂錨索由三三布置變?yōu)槿贾?，排距? 000 mm變?yōu)? 000 mm；頂錨索錨固力由250 kN變?yōu)?00 kN，預(yù)緊力由100 kN變?yōu)?50 kN；頂錨桿錨固力由不小于80 kN變?yōu)榇笥?50 kN；幫錨桿由D20 mm、長2 100 mm的螺紋鋼錨桿變?yōu)镈20 mm、長2 400 mm的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，幫錨桿錨固力由不小于60 kN變?yōu)榇笥?20 kN；頂與幫上的鋼筋梯子梁直徑由D12 mm圓鋼變?yōu)镈14 mm圓鋼。

6 迎采巷道圍巖控制效果

圖8(a)為15201回風(fēng)巷煤柱幫補(bǔ)打錨索的照片，圖8(b)為15201回風(fēng)巷架設(shè)木信號(hào)柱的照片?？梢钥闯觯?5201回風(fēng)巷煤柱幫的變形量較小，信號(hào)柱受載較小。說明15201回風(fēng)巷采用優(yōu)化支護(hù)方案后圍巖較穩(wěn)定，效果較好。

圖8 15201回風(fēng)巷圍巖控制效果

7 結(jié) 語

針對(duì)馬堡煤礦大斷面迎采巷道圍巖變形，通過采取停掘避開掘采疊加擾動(dòng)+煤柱幫錨索加強(qiáng)支護(hù)+頂板加強(qiáng)支護(hù)，有效改善了大斷面迎采巷道圍巖的穩(wěn)定性，緩解煤礦接替緊張的矛盾，促進(jìn)了煤礦安全高效生產(chǎn)。