深部大斷面高動壓巷道支護技術(shù)研究

張延剛

(山西霍寶干河煤礦有限公司 山西 霍州 031400)

干河礦1-209A2巷工作面作為深部大斷面鄰空動壓巷道，掘進速度慢、圍巖變形大、支護成本高，嚴重影響了1-209A工作面安全高效開采。地應(yīng)力和圍巖強度測試結(jié)果是指導(dǎo)此類巷道支護方案制定和參數(shù)選取的重要依據(jù)[1-3]。本文基于干河礦1-209A工作面實際生產(chǎn)地質(zhì)條件，在相鄰2-1002巷內(nèi)布置測站，對干河礦現(xiàn)開采區(qū)域地應(yīng)力大小、方位以及圍巖強度進行測試的基礎(chǔ)上，提出適合深部大斷面高動壓巷道的高預(yù)應(yīng)力樹脂加長錨固錨網(wǎng)索聯(lián)合支護系統(tǒng)，成功解決了1-209A2巷工作面支護難題，為類似工程條件巷道支護提供了一定借鑒。

1 工程概況

干河礦1-209A工作面為1號煤層首采工作面，平均埋深為500 m。1-209A工作面回采巷道掘進時初期揭露1號煤，煤層平均厚度1.7 m，煤層傾角2～8°，平均傾角4°，巷道沿煤層底板破頂掘進，煤層結(jié)構(gòu)相對簡單，煤層無夾矸。1-209A工作面回采巷道掘進中后期揭露1號和2號煤合并層，稱2號煤，煤層平均厚度3.8 m，中間含夾矸0.4 m左右，煤層平均傾角為4°。1-2092巷工作面掘進斷面為：寬×高=5.0 m×3.8 m。1-209A工作面北東端為1-209B工作面，西南端為一采區(qū)回風(fēng)巷，西北側(cè)為實體煤，南東側(cè)為2-100采空區(qū)，1-209A工作面布置及頂?shù)装迩闆r分別如表1和圖1所示。

2 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試

2.1 地應(yīng)力測試

在相鄰2-1002巷內(nèi)布置測站，掌握了干河礦現(xiàn)開采區(qū)域地應(yīng)力大小和方位，由于測站距1-209A工作面較近，故地應(yīng)力測試結(jié)果對1-209A工作面巷道支護設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。2-1002巷圍巖地應(yīng)力測量結(jié)果如表2所示。

表1 1-209A工作面頂?shù)装迩闆r

表2 地應(yīng)力測量結(jié)果

根據(jù)表2數(shù)據(jù)并結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料綜合分析可知，1-209A工作面附近最大水平主應(yīng)力為16.18 MPa，垂直主應(yīng)力11 MPa，為中等地應(yīng)力場，巷道支護存在一定難度；且最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力差值較大，巷道變形有明顯方向性。根據(jù)地應(yīng)力巷道布置理論，最大水平主應(yīng)力的方向是指導(dǎo)掘進巷道布置方向的主要理論依據(jù)[2]。對于σH>σV>σh型應(yīng)力場，巷道最佳布置形式巷道軸向與最大主應(yīng)力的方向呈一定夾角，夾角大小與主應(yīng)力大小有關(guān)，1-209A工作面最優(yōu)巷道軸向與最大水平主應(yīng)力的夾角(α0)可用式(1)計算[3]：

(1)

式中：σH為最大水平主應(yīng)力，16.18 MPa；σh為最小水平主應(yīng)力，8.38 MPa；σV為垂直應(yīng)力，11 MPa。通過計算可知α0=35.42°。巷道軸向為北偏東60°，與最大水平主應(yīng)力方向夾角為58.3°，與最佳布置方位相差23°，巷道變形受到最大水平主應(yīng)力方向的影響。

2.2 圍巖強度測試

圍巖強度測試結(jié)果可對巷道頂板巖層的穩(wěn)定程度進行判斷[4]，為1-209A工作面巷道支護形式和參數(shù)提供理論依據(jù)。因此，在地應(yīng)力測孔和兩幫施工水平鉆孔中利用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置分別對2-1002巷頂板和幫部10 m范圍內(nèi)的煤巖體進行了原位強度測試，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 2-1002巷頂板巖體強度測試結(jié)果

結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，由圖2(a)可知巷道頂板以上0～5 m范圍為細粒砂巖，巖層強度為40～80 MPa，平均值為57.32 MPa；5.0～10 m范圍為粉砂巖，巖層強度為25～50 MPa，平均值為37.45 MPa。由圖2(b)可知，測試區(qū)域煤體平均強度為14.54 MPa。由此可知，巷道頂板0～5.0 m范圍內(nèi)圍巖強度相對較高，5～10 m范圍內(nèi)圍巖強度較低。從2-100工作面已掘的兩巷來看，在采動影響下，頂板松軟破碎，成形較差，兩幫同樣松軟破碎，部分巷幫網(wǎng)包嚴重；且1-209A2巷工作面需服務(wù)1-209A和1-209B兩個工作面，服務(wù)年限較長，應(yīng)充分考慮巖層風(fēng)化對支護的影響。

3 巷道支護設(shè)計及效果分析

3.1 巷道支護設(shè)計

基于相鄰工作面已掘巷道支護狀況和礦壓顯現(xiàn)情況，結(jié)合地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果和1-209A工作面基本地質(zhì)資料，提出采用樹脂加長錨固錨網(wǎng)索聯(lián)合支護系統(tǒng)對1-209A工作面2巷進行支護，巷道支護斷面如圖3所示，具體如下：

圖3 巷道支護斷面(mm)

3.1.1 頂板支護

錨桿為D22 mm×2 500 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，沿頂板法線方向布置，間排為900 mm×900 mm，每排6根錨桿，錨桿預(yù)緊扭矩不低于400 N·m。采用規(guī)格為K2340和Z2360的低粘度樹脂錨固劑各1支進行加長錨固，錨固長度為1 272 mm。托板規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm的拱型高強度托盤，力學(xué)性能與桿體相匹配，配調(diào)心球墊和減摩墊圈[6]。W鋼護板規(guī)格為4 mm×280 mm×450 mm(厚×寬×長)。采用10號鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護頂，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格為5 200 mm×1 000 mm。錨索為D21.6 mm×8 300 mm的1×7股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為2 000 mm×1 800 mm，錨索預(yù)緊力為150～200 kN，采用兩支K2340和兩支Z2360樹脂錨固劑加長錨固，錨固長度4 153 mm，配合300 mm×300 mm×14 mm拱形高強錨索托板和調(diào)心球墊。

3.1.2 巷幫支護

錨桿為D22 mm×2 500 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，垂直巷幫布置，間排為1 000 mm×900 mm，每排4根錨桿，錨桿預(yù)緊扭矩不低于400 N·m。采用規(guī)格為K2340和Z2360的低粘度樹脂錨固劑各1支進行加長錨固，錨固長度為1 272 mm(采用加長錨固，1支錨固劑為端錨)。托板規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm的拱型高強度托盤，力學(xué)性能與桿體相匹配，配調(diào)心球墊和減摩墊圈。W鋼護板規(guī)格為4 mm×280 mm×450 mm(厚×寬×長)。采用10號鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護頂，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格為3 800 mm×1 000 mm。

3.2 支護效果分析

為了掌握巷道圍巖變形情況，采用十字布點法在1-209A2巷工作面內(nèi)安設(shè)測站，對工作面推進200 m范圍內(nèi)的巷道表面位移進行監(jiān)測，根據(jù)所監(jiān)測得數(shù)據(jù)對支護效果進行分析，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，巷道兩幫和頂?shù)装逦灰屏侩S工作面推進呈現(xiàn)出先快速增長，再緩慢增長，后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。在工作面推進45 m范圍內(nèi)，巷道兩幫和頂?shù)装逦灰屏吭鲩L速度較快；在工作面推進45～150 m范圍時，巷道兩幫和頂?shù)装逦灰屏吭鲩L速度逐漸變慢，最終在工作面推進至150 m以外時趨于穩(wěn)定。巷道兩幫和頂?shù)装逦灰屏孔畲笾捣謩e為92.47 mm和259.96 mm；由此可見，所采用的支護方案有效控制了2-109A2巷工作面圍巖變形，巷道支護效果顯著。

4 結(jié) 語

1) 地應(yīng)力測試結(jié)果表明：1-209A工作面最大水平主應(yīng)力為16.18 MPa，垂直主應(yīng)力11 MPa，為中等地應(yīng)力場；最優(yōu)巷道軸向與最大水平主應(yīng)力夾角35.42°，而巷道軸向為北偏東60°，與最佳布置方位相差23°，巷道變形受最大水平主應(yīng)力影響。

2) 圍巖強度測試結(jié)果表明：巷道頂板0～5 m范圍內(nèi)圍巖強度相對較高，5～10 m范圍內(nèi)圍巖強度較低。在采動影響下，頂板和兩幫圍巖松軟破碎，成形較差，巷道服務(wù)年限較長，應(yīng)充分考慮巖層風(fēng)化對支護的影響。

3) 提出采用高預(yù)應(yīng)力樹脂加長錨固錨網(wǎng)索聯(lián)合支護系統(tǒng)，現(xiàn)場實測結(jié)果表明：支護后巷道兩幫和頂?shù)装逦灰屏孔畲笾捣謩e為92.47 mm和259.96 mm，巷道圍巖控制效果顯著。