堅硬頂板下采動影響巷道圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

毛望平

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

長期以來，煤炭一直是我國的主要消費能源，短期內(nèi)，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)還不會改變[1-2]。在煤炭開采中，由于井田開拓和采區(qū)布置規(guī)劃，工作面回采巷道必然面臨著采動影響。受采動影響，巷道圍巖應(yīng)力顯著增加，圍巖易出現(xiàn)嚴重的變形破壞，必須進行加強支護[3-5]。為此，開展堅硬頂板下采動影響巷道圍巖控制技術(shù)研究具有顯著的現(xiàn)實意義，可為類似堅硬頂板下回采巷道支護技術(shù)提供借鑒。

1 概況

辛置煤礦2-559工作面位于2#煤層450 m水平南五采區(qū)，工作面地面標高720～755 m，工作面標高306～370 m，走向長760 m，傾斜長131 m。地面位于南桃花渠村東南，跑蹄進風井工業(yè)廣場東北部，全為農(nóng)田耕地、山丘溝壑，黃土覆蓋厚度220～234 m，基巖厚度312～394 m。井下位置及四鄰采掘情況：北為2-534工作面采空區(qū)，東部為2-560掘進工作面，南部為310回風巷、310皮帶巷及310軌道巷，西部為上跑蹄風井與工業(yè)廣場保安煤柱。煤層煤厚3.35～4.10 m，平均3.75 m，煤層結(jié)構(gòu)1.82（0.03）0.60（0.44）0.86，煤層傾角3°～12°，平均5°?；卷敒镵8中細砂巖，厚度5.0～6.0 m，石英為主，含少量云母片，波狀層理、堅硬；直接頂為泥巖、砂泥巖，厚度4.5～7.5 m，局部為粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，上部為0.2 m煤線；直接底為泥巖，厚度5.5 m，厚層狀、水平層理，半堅硬；基本底為中砂巖，厚度3.5 m，較堅硬。2-5591（正）巷服務(wù)于2-559工作面，用于進風、行人、運煤，設(shè)計斷面為矩形斷面，設(shè)計斷面尺寸4.0 m×3.5 m，設(shè)計長度833 m。

2 堅硬頂板下采動影響巷道圍巖控制技術(shù)

2-5591（正）巷頂板賦存堅硬頂板巖層，受采動影響，頂板巖層垮落步距和來壓強度明顯增加，巷道圍巖應(yīng)力明顯增大，圍巖破碎程度較高，控制難度較大。為保證巷道服務(wù)期內(nèi)圍巖的穩(wěn)定控制，根據(jù)采掘條件，開發(fā)了堅硬頂板下采動影響巷道圍巖控制技術(shù)，充分利用圍巖承載能力，實現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

2.1 錨網(wǎng)梁主動支護技術(shù)

巷道掘進后，及時采用錨網(wǎng)梁主動支護，通過錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼筋梯子梁等支護材料，采用主動控制的方式，充分利用圍巖承載能力，從而實現(xiàn)巷道掘進后的穩(wěn)定控制。具體支護參數(shù)如下：

（1）錨桿支護。頂幫錨桿均采用直徑22 mm、長度2.4 m的高強錨桿，頂幫錨桿間排距均為800 mm×800 mm，每根錨桿配套規(guī)格120 mm×120 mm×12 mm的高強蝶形托盤，同時配套1支型號CK2335、1支型號Z2360的樹脂錨固劑，錨桿預緊扭矩設(shè)計不低于300 N·m，錨桿采用直徑12 mm的圓鋼焊接的鋼筋梯子梁成排連接。主動的高強度錨桿支護結(jié)構(gòu)，可有效改善巷道圍巖承載性能，有效控制巷道變形，如圖1。

（2）錨索W鋼帶支護。頂板采用直徑21.8 mm、長度7.3 m的預應(yīng)力鋼絞線錨索進行加強支護，間排距設(shè)計為1600 mm×1600 mm，每排兩根，每根錨索配套規(guī)格300 mm×300 mm×14 mm的高強蝶形托盤，同時配套1支型號K2335、2支型號Z2360的樹脂錨固劑，錨索張拉預緊力設(shè)計不低于45 MPa，每排兩根錨索采用3 mm厚的W鋼帶連接。直徑21.8 mm、長度7.3 m的預應(yīng)力鋼絞線錨索可將錨桿形成主動承載結(jié)構(gòu)錨固在5.0～6.0 m厚的K8中細砂巖，充分利用堅硬基本頂巖層的承載能力，實現(xiàn)巷道掘進后的穩(wěn)定控制。

（3）頂幫均鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，采用10#鐵絲編制而成，頂網(wǎng)規(guī)格為4200 mm×1000 mm，幫網(wǎng)規(guī)格為3400 mm×1200 mm。金屬網(wǎng)用于增加巷道支護表面積，配合鋼筋梯子梁等材料，有效約束巷道表層圍巖變形。

2.2 超前單梁單柱支護技術(shù)

巷道超前工作面20 m范圍內(nèi)采用單梁單柱進行超前支護，單體液壓支柱型號DZ-42（Φ110 mm）型，小梁為規(guī)格1.2 m的π型梁，小梁垂直于巷幫布置，兩排支柱距兩側(cè)煤幫1.0 m，柱距1.0 m，如圖1所示。當超前工作面范圍圍巖破碎或頂板壓力大時，柱距可縮小到0.5～0.8 m；或在巷道中加設(shè)一排單梁單柱，柱距0.6 m；也可采用套單體液壓支柱與3.2～3.6 m工字鋼梁配合成的一梁兩柱的棚子支護，柱距3.2 m，棚距0.8 m。

圖1 巷道支護斷面示意圖（mm）

3 巷道圍巖控制效果

對2-5591（正）巷掘進影響時期和工作面采動影響時期巷道圍巖變形情況進行現(xiàn)場監(jiān)測，變形曲線圖如圖2。

圖2 巷道變形曲線圖

圖2（a）所示，掘進影響時期巷道變形主要發(fā)生在巷道掘進后80 d內(nèi)，該時期頂?shù)装謇塾嬜冃?24 mm，兩幫累計變形98 mm，之后巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。巷道掘進穩(wěn)定后，頂?shù)装謇塾嬜冃?25 mm，兩幫累計變形105 mm。圖2（b）所示，采動影響時期巷道變形主要發(fā)生在超前工作面30 m范圍內(nèi)。超前工作面20～30 m范圍內(nèi)，頂?shù)装謇塾嬜冃?1 mm，兩幫累計變形18 mm；超前工作面10～20 m范圍內(nèi)，頂?shù)装謇塾嬜冃?33 mm，兩幫累計變形87 mm；超前工作面0～10 m范圍內(nèi)，頂?shù)装謇塾嬜冃?02 mm，兩幫累計變形89 mm。其中，超前工作面0～20 m范圍內(nèi)，巷道變形較大，但變形仍在可控范圍內(nèi)，且整體處于超前單梁單柱支護區(qū)域范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

針對堅硬頂板下采動影響巷道維護困難問題，以堅硬頂板2-5591（正）巷為工程背景，開發(fā)了堅硬頂板下采動影響巷道圍巖控制技術(shù)，主要包括錨網(wǎng)梁主動支護技術(shù)和超前單梁單柱支護技術(shù)。錨網(wǎng)梁主動支護充分利用圍巖承載能力，從而實現(xiàn)巷道掘進后的穩(wěn)定控制，超前單梁單柱支護用于采動影響巷道的加強控制。技術(shù)應(yīng)用后，有效解決了堅硬頂板下采動影響巷道維護難題，實現(xiàn)了辛置煤礦2-5591（正）巷的穩(wěn)定控制。