辛置煤礦堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

彭邦林

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

資源賦存決定了我國是以煤炭作為主要消費(fèi)能源的國家。由于煤炭地質(zhì)賦存所限，我國煤礦以井工開采為主，需要掘進(jìn)大量的地下巷道。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國每年掘進(jìn)巷道長(zhǎng)度超過2萬km[1]。在煤礦開采過程中，保證地下巷道服務(wù)期內(nèi)的圍巖穩(wěn)定是煤礦安全開采的基本保障。為此，針對(duì)煤礦地下巷道的圍巖穩(wěn)定控制，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行大量研究，形成了諸如懸吊理論、組合拱、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化等眾多圍巖控制理論與假說，又如錨桿、錨索、注漿、型鋼、鋼管混凝土及其聯(lián)合支護(hù)等巷道圍巖控制技術(shù)，推動(dòng)了煤礦巷道圍巖控制技術(shù)和理論的快速發(fā)展。目前，應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)數(shù)錨桿支護(hù)，其屬于主動(dòng)支護(hù)的主要技術(shù)手段之一，具有支護(hù)效果好、成巷速度快等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。

1 工程概況

辛置煤礦2-216綜采工作面位于310 m水平二采區(qū)正前軌道巷左側(cè)，東北面緊鄰二采區(qū)正前軌道巷，東面距離2-206工作面約310 m，其余方向無任何工作面。地面標(biāo)高+628～ +716 m，工作面標(biāo)高+208～ +228 m。工作面開采2#煤層，區(qū)域內(nèi)煤層厚3.8～4.3 m，平均厚度4.1 m，煤層傾角5°～10°，平均傾角9°。煤層穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層夾矸，其中第二層夾矸層位較穩(wěn)定，厚度稍大，為低硫肥煤。工作面直接頂為泥巖、砂泥巖，厚0～7.5 m，平均厚度3.0 m，灰黑色，薄層狀，層面含豐富植物化石，半堅(jiān)硬，下部為泥巖，局部相變?yōu)樯皫r；基本頂為K8中細(xì)砂巖，厚6.0～8.2 m，平均7.2 m，灰白色，厚層狀，石英為主，次圓狀，分選中等，堅(jiān)硬；直接底為泥巖，厚4.0～6.5 m，平均厚度4.5 m，灰黑色，厚層狀，水平層理，半堅(jiān)硬，中上部含有菱鐵礦結(jié)核；基本底為中砂巖，厚4.0～7.8 m，平均厚度6.5 m，灰白色，中厚層狀，分選中等，堅(jiān)硬。2-216工作面運(yùn)輸巷沿煤層走向布置，矩形斷面，設(shè)計(jì)斷面尺寸5.0 m×3.9 m，長(zhǎng)度669 m，用途：進(jìn)風(fēng)、行人、運(yùn)煤。

2 堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)

2.1 堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制思路

2-216工作面運(yùn)輸巷頂板賦存平均厚度7.2 m的厚層狀灰白色K8中細(xì)砂巖，堅(jiān)固性系數(shù)在11～12之間，巖層穩(wěn)定性較高，承載能力較好?；诖?，提出適用于試驗(yàn)巷道的堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制思路，具體如下：

（1）發(fā)揮堅(jiān)硬頂板巖層承載能力。試驗(yàn)巷道沿頂掘進(jìn)，頂板賦存的厚層狀灰白色K8中細(xì)砂巖，具有較高穩(wěn)定承載性能。因此，在巷道支護(hù)時(shí)，將軟弱巖層錨固至基本頂穩(wěn)定巖層，充分發(fā)揮基本頂K8中細(xì)砂巖的承載能力，促使支護(hù)圍巖形成統(tǒng)一承載結(jié)構(gòu)。

（2）高強(qiáng)度及時(shí)主動(dòng)控制。巷道掘出后，圍巖由三向受力轉(zhuǎn)為雙向受力，未約束的圍巖側(cè)短時(shí)間內(nèi)易出現(xiàn)嚴(yán)重的碎脹變形。因此，應(yīng)及時(shí)施工支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用高強(qiáng)度的主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，如三高錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索等材料，充分改善巷道圍巖承載能力，形成高強(qiáng)度的主動(dòng)承載結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的主動(dòng)控制。

（3）支護(hù)參數(shù)合理優(yōu)化。根據(jù)試驗(yàn)巷道揭露情況合理優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，如揭露斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，巷道圍巖維護(hù)相對(duì)困難，可采用架棚、注漿或通過縮減錨桿間排距方式實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

2.2 堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)

基于2-216工作面運(yùn)輸巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，結(jié)合提出的堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制思路，開發(fā)相對(duì)的堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)，具體支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板采用“高強(qiáng)度錨桿+預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索+鋼筋梯子梁+W鋼帶+金屬網(wǎng)”支護(hù)。高強(qiáng)度錨桿采用Φ22 mm×2400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，每排布置7根，均垂直于頂板布置。每根錨桿配套1支CK2335和1支Z2360樹脂錨固劑，預(yù)緊力矩不小于270 N·m。錨桿采用Φ14 mm圓鋼焊接而成的鋼筋梯子連接。高預(yù)緊力、高強(qiáng)度錨桿促使支護(hù)和淺部圍巖（直接頂巖層泥巖和砂巖）形成主動(dòng)錨固結(jié)構(gòu)，改善巷道圍巖條件。預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索采用規(guī)格為Φ21.6 mm×7300 mm的鋼絞線，間排距2200 mm×2400 mm，每排布置2根。每根錨索配套1支CK2335和2支Z2360樹脂錨固劑，張拉預(yù)緊力不低于40 MPa。錨索采用4 mm厚的W鋼帶連接。預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索將主動(dòng)錨固結(jié)構(gòu)懸吊至穩(wěn)定巖層（基本頂巖層K8中細(xì)砂巖）。金屬網(wǎng)采用直徑Φ3.3 mm的鐵絲編制而成，規(guī)格5200 mm×1200 mm。

（2）兩幫采用“高強(qiáng)度錨桿+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)”支護(hù)。高強(qiáng)度錨桿采用Φ20 mm×2200 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，每排布置5根，均垂直于巷幫布置。每根錨桿配套1支CK2335和1支Z2360樹脂錨固劑，預(yù)緊力矩不小于220 N·m。錨桿采用Φ14 mm圓鋼焊接而成的鋼筋梯子連接。高預(yù)緊力、高強(qiáng)度錨桿促使支護(hù)和淺部圍巖（巷幫煤體）形成主動(dòng)錨固結(jié)構(gòu)，改善巷道圍巖條件。金屬網(wǎng)采用Φ3.3 mm的鐵絲編制而成，規(guī)格3800 mm×1200 mm。巷道支護(hù)斷面圖如圖1。

圖1 巷道支護(hù)斷面圖

（3）根據(jù)礦井地質(zhì)資料，試驗(yàn)巷道將揭露多條斷層構(gòu)造。在該區(qū)域內(nèi)，合理優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，通過縮減錨桿索間排距實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制。具體如下：頂幫錨桿間排距由800 mm×800 mm縮減至600 mm×600 mm，錨索間排距由2200 mm×2400 mm縮減至1600 mm×1600 mm，同時(shí)幫部增加預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索支護(hù)。錨索采用規(guī)格為Φ21.6 mm×5300 mm的鋼絞線，間排距1400 mm×1600 mm。其余參數(shù)同正常區(qū)域一致。

3 巷道圍巖控制效果

將提出的堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)應(yīng)用于2-216工作面運(yùn)輸巷，同時(shí)監(jiān)測(cè)掘巷后巷道圍巖變形情況。圖2給出了巷道圍巖變形曲線圖，從變形曲線上看圍巖變形大概可分為3個(gè)階段，包括巷道初掘快速變形時(shí)期、中期緩速變形時(shí)期以及后期穩(wěn)定變形時(shí)期。其中，巷道初掘快速變形時(shí)期大概在巷道掘出45 d階段內(nèi)，該階段巷道圍巖變形速度最快，頂?shù)装鍘r層變形速度約1.07 mm/d，兩幫圍巖變形速度約0.80 mm/d；中期緩速變形時(shí)期在巷道掘出45～90 d階段內(nèi)，該階段巷道圍巖變形速度有所減緩，頂?shù)装鍘r層變形速度約0.65 mm/d，兩幫圍巖變形速度約0.44 mm/d，變形速度相對(duì)降低39%和45%；后期穩(wěn)定變形時(shí)期在巷道掘出45～90 d后，該階段巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，圍巖變形速度整體低于0.2 mm/d，此時(shí)巷道頂?shù)装遄畲笠平考s77 mm，巷道圍巖兩幫最大移近量約56 mm。綜上所述，試驗(yàn)巷道圍巖變形較小，均在允許變形范圍內(nèi)，表明了堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制思路和技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。

圖2 巷道圍巖變形曲線圖

4 結(jié)論

堅(jiān)硬頂板巖層具備良好的承載能力，辛置煤礦2-216工作面運(yùn)輸巷頂板賦存基本頂巖層K8中細(xì)砂巖，基于此，提出了以充分發(fā)揮堅(jiān)硬頂板巖層承載能力、高強(qiáng)度及時(shí)主動(dòng)控制、支護(hù)參數(shù)合理優(yōu)化為核心的堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制思路，形成以“高強(qiáng)度錨桿+預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索+鋼筋梯子梁+W鋼帶+金屬網(wǎng)”實(shí)現(xiàn)頂板控制、以“高強(qiáng)度錨桿+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)”實(shí)現(xiàn)巷幫控制的堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)。該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，實(shí)現(xiàn)了2-216工作面運(yùn)輸巷圍巖的穩(wěn)定控制。