南關(guān)煤業(yè)不穩(wěn)定復(fù)合頂板巷道差異性支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

張森波

（山西汾西礦業(yè)南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 靈石 031304）

我國(guó)煤礦一直以井工開(kāi)采為主，需要掘進(jìn)大量的地下巷道。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年掘進(jìn)的巷道已超過(guò)2 萬(wàn)km。因此，巷道圍巖的穩(wěn)定控制一直是影響煤礦安全高效回采的主要因素之一[1-3]。目前，由于錨桿索支護(hù)具有施工速度快、成本低、支護(hù)效果好的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于煤礦井下巷道支護(hù)。但是，對(duì)于一些特殊地質(zhì)條件，比如煤層頂板賦存厚度不穩(wěn)定且較為軟弱的復(fù)合頂板巖層，單一的巷道支護(hù)技術(shù)手段已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求[4-6]。南關(guān)煤業(yè)3210 工作面頂板賦存0.8～3.2 m 含砂泥巖或泥巖復(fù)合結(jié)構(gòu)，目前采用的錨桿索支護(hù)技術(shù)和參數(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

1 工程概況

3210 運(yùn)輸巷位于三采區(qū)南翼，該巷道服務(wù)于三采區(qū)南翼第五個(gè)回采工作面，東為3210 工作面，西為2016 年已回采結(jié)束的3212 工作面，南臨三采區(qū)邊界，北為三采區(qū)西翼軌道下山大巷，井田邊界外無(wú)煤礦。巷道地面標(biāo)高1086～967 m，巷道標(biāo)高584～464 m，埋深496～503 m。3210 工作面煤層為2#煤層，較穩(wěn)定，該煤層以半亮煤為主，暗煤次之，層狀結(jié)構(gòu)，屬中強(qiáng)度硬度煤層，斷口不平整，性脆，條痕黑色，煤厚2.10～2.60 m，平均厚度2.40 m，煤層傾角1°～15°，平均8°。工作面直接頂為含砂泥巖和泥巖互層結(jié)構(gòu)，厚0.8～4.2 m，巖層厚度變化較大；基本頂為平均厚度4.6 m 的黑白色互層粉沙巖，屬穩(wěn)定巖層；直接底為平均厚度1.8 m 的黑白色細(xì)粒砂巖；基本底為平均厚度5.9 m 的黑色粉砂巖或泥巖。采掘地質(zhì)資料顯示，直接頂巖層賦存不穩(wěn)定，厚度在0.8～4.2 m 范圍，屬于復(fù)合頂板巖層?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鄰近3209運(yùn)輸巷在工作面回采期間，巷道頂幫梯子梁鋼帶受擠壓變形、崩脫現(xiàn)象嚴(yán)重，局部錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，直接影響到工作面的安全回采。

2 不穩(wěn)定復(fù)合頂板巷道差異性支護(hù)技術(shù)

根據(jù)一、三采區(qū)礦壓觀察，2#煤層直接頂巖層厚度不穩(wěn)定（厚度在0.8～4.2 m 范圍的含砂泥巖和泥巖復(fù)合巖層），因此需針對(duì)性地提出不穩(wěn)定復(fù)合頂板巷道差異性支護(hù)技術(shù)與參數(shù)。3210 運(yùn)輸巷道設(shè)計(jì)斷面為矩形，掘進(jìn)寬度4.6 m，掘進(jìn)高度2.8 m，具體技術(shù)方案和參數(shù)如下：

（1）當(dāng)復(fù)合頂板巖層厚度在0.8～2.0 m 或2.6～4.2 m 范圍時(shí)，頂板采用“錨桿+長(zhǎng)錨索+W鋼帶+六邊網(wǎng)”，其中頂板錨桿強(qiáng)化復(fù)合頂板巖層強(qiáng)度，頂板錨索加強(qiáng)支護(hù)將錨桿形成的錨桿錨固強(qiáng)化區(qū)域懸吊至穩(wěn)定巖層。圖1 中（a）給出了該區(qū)域范圍內(nèi)巷道支護(hù)斷面，具體支護(hù)參數(shù)如下：

① 頂板錨桿采用規(guī)格Φ22 mm、L2.4 m 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，矩形布置，每排布置7 根，間排距0.75 m×0.8 m；巷道兩幫錨桿同樣采用規(guī)格Φ22 mm、L2.4 m 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距0.85 m×0.8 m，每根錨桿配套1 支CK2355、1 支K2355 型樹(shù)脂錨固劑，同時(shí)配套12 mm×120 mm×120 mm 的專用蝶形托盤，保證錨桿支護(hù)在堅(jiān)硬巖石上；頂板錨桿采用規(guī)格4600 mm×280 mm×4.5 mm 的W 鋼帶連接，幫部錨桿采用規(guī)格2000 mm×280 mm×4.5 mm的W 鋼帶連接。

② 頂板采用規(guī)格Φ21.8 mm、L6.3 m 的預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，三花眼布置，其中一排布置兩根一排布置一根，間排距1.5 m×1.6 m，頂板破碎時(shí)，間排距縮減至1.5 m×0.8 m；幫部采用單錨索用于加強(qiáng)支護(hù)，單錨索規(guī)格與頂板一致，排距3.2 m，每根錨索配套1 支CK2355、2 支K2355 型樹(shù)脂錨固劑，同時(shí)配套規(guī)格16 mm×300 mm×300 mm 的專用蝶形托盤和鎖具。

③ 金屬網(wǎng)采用規(guī)格2.5 m×1.0 m 的六邊網(wǎng)。

④ 頂幫錨桿預(yù)緊扭矩不小于300 N·m，錨索預(yù)緊力不小于200 kN。

（2）當(dāng)復(fù)合頂板巖層厚度在2.0～2.6 m 范圍時(shí)，頂板錨桿支護(hù)形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，因此該范圍內(nèi)巷道頂板采用“短錨索+長(zhǎng)錨索+W 鋼帶+六邊網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)。其中，頂板短錨索用于強(qiáng)化厚度在2.0～2.6 m 范圍內(nèi)的復(fù)合頂板巖層強(qiáng)度，直接將其錨固至穩(wěn)定巖層，頂板錨索主要用于加強(qiáng)支護(hù)。即頂板采用Φ21.8 mm、L4.3 m 的預(yù)應(yīng)力短錨索代替頂板錨桿，單錨索配1 支MSK23120型樹(shù)脂錨固劑，其余參數(shù)不變。圖1 中（b）為該區(qū)域范圍內(nèi)巷道支護(hù)斷面。

圖1 巷道支護(hù)斷面圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

將提出的不穩(wěn)定復(fù)合頂板巷道差異性支護(hù)技術(shù)和參數(shù)應(yīng)用于3210 運(yùn)輸巷，監(jiān)測(cè)了巷道掘進(jìn)期間以及工作面回采時(shí)期的圍巖變形情況。巷道掘進(jìn)后2.5 個(gè)月圍巖變形趨于穩(wěn)定，該階段巷道頂?shù)装鍘r層變形量為46 mm，兩幫圍巖變形量為53 mm，巷道整體呈現(xiàn)良好。

工作面回采期間，受采動(dòng)影響巷道變形量有所增加，其中復(fù)合頂板巖層厚度在2.0 m 以下或2.6 m以上區(qū)域巷道變形量相對(duì)較大。圖2 為該區(qū)域范圍內(nèi)巷道頂板深基點(diǎn)累計(jì)位移和變形速度曲線圖。如圖所示，根據(jù)曲線分布特征將巷道圍巖離層現(xiàn)象分為采動(dòng)初期變形區(qū)域、采動(dòng)中期變形區(qū)域、采動(dòng)后期變形區(qū)域3 個(gè)區(qū)域。

圖2 巷道頂板深基點(diǎn)累計(jì)位移和變形速度曲線圖

采動(dòng)初期變形區(qū)域?yàn)槌肮ぷ髅?5 m 范圍外，該區(qū)域圍巖離層累計(jì)位移和變形速度均較小，圍巖結(jié)構(gòu)相對(duì)完整；采動(dòng)中期變形區(qū)域?yàn)槌肮ぷ髅?5～45 m 范圍內(nèi)，圍巖離層累計(jì)位移和變形速度有所增加，變形速度在3～6 mm/d 范圍內(nèi)，離層相對(duì)不明顯；采動(dòng)后期變形區(qū)域?yàn)槌肮ぷ髅?5 m 范圍內(nèi)，該區(qū)域圍巖離層現(xiàn)象明顯增加，最大離層累計(jì)位移達(dá)200 mm，最大離層變形速度達(dá)15 mm/d。同時(shí)，根據(jù)不同深度基點(diǎn)位移量可以看出，巷道圍巖1 m 和2 m 深的基點(diǎn)累計(jì)位移和變形速度相對(duì)穩(wěn)定，曲線分布一致性良好，而巷道圍巖2 m 和3 m深的基點(diǎn)累計(jì)位移和變形速度存在明顯差異性，表明兩基點(diǎn)間巖層徑向裂隙張開(kāi)寬度明顯增加，由此可判斷巷道圍巖塑性區(qū)在2.5 m 左右。

綜上所述，采用提出的不穩(wěn)定復(fù)合頂板巷道差異性支護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了南關(guān)煤業(yè)不穩(wěn)定復(fù)合頂板巷道的穩(wěn)定控制，證明了技術(shù)和參數(shù)的合理性。

4 結(jié)論

煤層賦存厚度不穩(wěn)定且較為軟弱的復(fù)合頂板巖層，單一的巷道支護(hù)技術(shù)手段已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。為此，提出了南關(guān)煤業(yè)不穩(wěn)定復(fù)合頂板巷道差異性支護(hù)技術(shù)：當(dāng)復(fù)合頂板巖層厚度在0.8～2.0 m或2.6～4.2 m 范圍時(shí)，巷道采用“錨桿+長(zhǎng)錨索+W鋼帶+六邊網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)；當(dāng)復(fù)合頂板巖層厚度在2.0～2.6 m 范圍時(shí)，巷道采用“短錨索+長(zhǎng)錨索+W鋼帶+六邊網(wǎng)”支護(hù)。技術(shù)應(yīng)用后，實(shí)現(xiàn)了南關(guān)煤業(yè)不穩(wěn)定復(fù)合頂板巷道圍巖的穩(wěn)定控制。