深部綜采工作面巷道二次支護(hù)實(shí)踐

高 鵬

(黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

近年來，隨著我國煤炭開采強(qiáng)度的逐漸增大，加速優(yōu)質(zhì)礦井產(chǎn)能釋放。巷道的擾動及開采造成二次擾動，出現(xiàn)不同程度的巷道變形、底鼓量加大等礦壓顯現(xiàn)情況。尤其深部作用下，地質(zhì)環(huán)境愈加復(fù)雜，初始的巷道支護(hù)技術(shù)難以滿足巷道的長期使用，給深部巷道支護(hù)工程問題提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。長期的礦山安全高效開采的關(guān)鍵是保證巷道圍巖穩(wěn)定[1-2]。目前巷道的支護(hù)技術(shù)主要分為2個方面。一方面，單一支護(hù)形式難以滿足深部巷道控制圍巖大變形的要求時，進(jìn)行不同程度的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，如錨桿(索)與注漿、格柵拱架等聯(lián)合支護(hù)方式[3-4]；此方法往往支護(hù)成本較高，且不具有推廣性。另一方面，依靠適用于淺部巷道工程的類比法來設(shè)計深部巷道支護(hù)參數(shù)，造成與實(shí)際工程差距過大，達(dá)不到圍巖支護(hù)效果[5-8]。近年來，從圍巖巷道支護(hù)理論、高阻讓壓和高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)、“三錨”聯(lián)合支護(hù)體系技術(shù)及巷道綜合支護(hù)方式等多角度研究[9-11]，為復(fù)雜條件下礦井巷道支護(hù)技術(shù)提供了豐富的理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

地質(zhì)條件不同的礦井，其巷道采取的支護(hù)方式也不盡相同。黃陵二號煤礦二采區(qū)頂板為巨厚頂板，來壓分區(qū)現(xiàn)象明顯。為此，根據(jù)監(jiān)測現(xiàn)場超前區(qū)域壓力分布情況，論證現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證巷道支護(hù)新方案的可行性，提出巷道分布補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案，以增加巷道的穩(wěn)定性。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)條件

黃陵二號煤礦位于陜西省黃陵縣境內(nèi)，東距縣城約55 km，其北部與黨家河勘查區(qū)毗鄰，西北部為蘆村勘查區(qū)，東南部與黃陵一號煤礦相鄰，西部、南部以2號煤層自然零點(diǎn)線為界，主采2號煤層，核準(zhǔn)生產(chǎn)規(guī)模為800萬t/a。采用斜井開拓方式，工作面采用大采高一次采全高綜合機(jī)械化開采，全部垮落法管理頂板，目前主開采區(qū)域?yàn)槎P區(qū)。

盤區(qū)內(nèi)主要回采2號煤層，平均埋深580 m，為穩(wěn)定-較穩(wěn)定煤層；煤層平均傾角2°。目前回采418工作面，東北部、西北部為未采區(qū)，西南緊鄰416采空區(qū)，東北部緊鄰211工作面。工作面設(shè)計傾向長度約300 m，走向長度約2 700 m。工作面布置如圖1所示，根據(jù)煤層柱狀圖工作面頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)見表1。

圖1 工作面概況Fig.1 Overview of the working face

表1 418工作面圍巖特性Table 1 Surrounding rock characteristics of 418 working face

1.2 原支護(hù)方案及礦壓顯現(xiàn)概況

418工作面巷道設(shè)計為矩形巷道尺寸為4.6 m×3.8 m。原巷道支護(hù)方案如圖2所示。頂部采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，頂錨桿為φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿，每排7根，錨桿間排距650 mm×800 mm；錨索使用φ21.8 mm×10 300 mm十九芯防腐錨索，錨索間排距1 625 mm×1 200 mm。幫部采用φ22 mm×2 800 mm金屬錨桿配合T100鋼帶支護(hù)，每排4根，錨桿間排距800 mm×1 000 mm。

圖2 初始巷道支護(hù)方案示意Fig.2 Initial roadway support scheme

418采煤工作面回采期間，機(jī)尾頂板出現(xiàn)劇烈的頂板壓力顯現(xiàn)，來壓過程中，劇烈聲響如同爆破施工?；仫L(fēng)巷頂板下沉破壞嚴(yán)重，超前18 m范圍內(nèi)單體全部受擠壓歪斜，局部有頂板漏矸、支護(hù)失效現(xiàn)象；巷道煤柱側(cè)片幫嚴(yán)重。因此，需要總結(jié)回采期間回風(fēng)巷超前支承壓力分布情況，為回采過程中回風(fēng)巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)提供實(shí)施現(xiàn)場檢測依據(jù)，以保證安全回采。

2 巷道超前支承壓力分布規(guī)律

2.1 現(xiàn)場檢測方案

超前工作面400 m(即418回風(fēng)巷九聯(lián)巷向前70 m)每隔20 m布置一個測站對頂板壓力及兩幫移近量進(jìn)行觀測，共布置測站6個，對各測點(diǎn)錨桿應(yīng)力和兩幫移近量進(jìn)行觀測，測站布置如圖3所示。巷道左右兩幫在幫部中部對稱布置1.2 m錨桿，錨桿外漏0.2～0.3 m，測量兩幫間距及各幫應(yīng)力；巷道頂板中部施工2.8 m螺紋鋼錨桿，監(jiān)測頂部應(yīng)力分布規(guī)律。

圖3 測站布置Fig.3 Observation station layout

2.2 支承壓力分布規(guī)律

工作面周期來壓步距為18～28 m，工作面支架的支護(hù)阻力較大，周期來壓期間工作面壓力顯現(xiàn)不明顯，相應(yīng)的錨桿應(yīng)力變化的趨勢線未出現(xiàn)周期性波動，說明工作面周期來壓與巷道超前壓力分布沒有明顯關(guān)系。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，分別選取測點(diǎn)2至測點(diǎn)5的巷道頂板及兩幫擾動壓力分布情況，發(fā)現(xiàn)各測點(diǎn)應(yīng)力分布情況大體相同，如圖4所示。相比較而言，巷道支承應(yīng)力范圍煤柱側(cè)>煤壁側(cè)>頂部。

圖4 各位置支承應(yīng)力分布情況Fig.4 Distribution of bearing stress at each position

通過對比4個測點(diǎn)的應(yīng)力分布，隨著采動的影響，對超前壓力影響范圍內(nèi)的各測點(diǎn)影響劇烈。影響范圍約120 m，尤其是40 m處、60 m處、80 m處比較明顯。錨桿應(yīng)力在超前工作面100 m左右開始有明顯變化；0～60 m錨桿應(yīng)力變化最為劇烈，此段應(yīng)力值最大。說明頂板應(yīng)力在超前0～60 m內(nèi)變化最為劇烈，在超前30 m范圍內(nèi)頂板壓力顯現(xiàn)最為明顯。錨桿應(yīng)力最大值不大于200 kN，且原始支護(hù)的錨桿大部分完好，說明目前使用的錨桿能夠基本滿足支護(hù)要求。進(jìn)入超前支護(hù)范圍后，錨桿應(yīng)力值受人為擾動明顯，說明目前的超前支護(hù)裝置能夠抵御頂板淺層的離層，能夠有效支撐頂板且滿足支護(hù)需要。受超前工作面40 m、100 m工作面?zhèn)扔幸粋€抽放鉆場，說明抽放鉆場位置的斷面積增大，壓力顯現(xiàn)可能會更加明顯。

2.3 巷道高度變化情況

通過對黃陵二號煤礦418工作面回風(fēng)巷120 m的監(jiān)測范圍內(nèi)的頂板，416及418側(cè)鉆場頂板進(jìn)行的連續(xù)檢測，3處頂板的高度變化特征如圖5所示。巷道頂板在超前15 m范圍內(nèi)最為嚴(yán)重；418工作面回風(fēng)超前100 m外，高度大致在3.5 m左右；回風(fēng)超前50～100 m位置巷道高度下降0.5 m；回風(fēng)超前35～50 m位置巷道高度下降0.5 m；回風(fēng)超前20～35 m位置巷道高度下降0.5 m；回風(fēng)超前20 m至工作面回風(fēng)口下降0.5 m以上。結(jié)果表明，巷道高度從超前外30 m位置開始已不能滿足超前支架移架需要。

圖5 各位置頂板高度變化特征Fig.5 The height change of the roof at each position

受主幫側(cè)與副幫側(cè)布置的鉆場位置影響，418側(cè)鉆場高度基本保持不變，約2.5 m。416側(cè)鉆場受開采和煤柱的雙重影響，變化趨勢與巷道頂板基本一致。但416側(cè)鉆場已為遺棄鉆場，故不考慮其影響。

2.4 巷道破壞關(guān)鍵因素分析

2.4.1 礦井賦存條件

埋深約620 m，為深部開采，垂直應(yīng)力約15.6 MPa。頂板為破碎粉砂巖，雖然厚度大，但在開采擾動下加劇了圍巖松散破碎；同時受深部高應(yīng)力作用，巷道變形由塑性變形向流變轉(zhuǎn)化。這些原因共同導(dǎo)致巷道的大變形，可以認(rèn)為是巷道破壞的主要原因。

2.4.2 支護(hù)方式

該巷道支護(hù)方式為頂、幫傳統(tǒng)支護(hù)防治，井下巷道支護(hù)變形及實(shí)時監(jiān)測。說明該支護(hù)方式雖能起到支護(hù)效果，但支護(hù)強(qiáng)度過低，需要補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2.4.3 采動及其他影響

工作面正?；夭蛇^程中，巷道受到煤柱及采動的雙重影響，降低了圍巖的完整性。此外，工作面為高瓦斯礦，頂板進(jìn)行了預(yù)處理，導(dǎo)致頂板裂隙發(fā)育，因此巷道穩(wěn)定性低。

3 巷道補(bǔ)強(qiáng)方案確定

3.1 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)工藝

根據(jù)上述分析并結(jié)合生產(chǎn)工藝，在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行分區(qū)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的范圍為整個前端面回風(fēng)巷。巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)工藝如圖6所示。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時需將頂、幫網(wǎng)包處理后進(jìn)行加固，遇聯(lián)巷、3號煤鉆場口均向里支護(hù)2 m。根據(jù)頂板實(shí)際情況，錨桿、錨索施工位置、支護(hù)方式可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，確保支護(hù)效果。煤柱側(cè)受雙重擾動影響，采用錨索代替錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖6 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案Fig.6 Reinforcing support scheme

3.2 頂板支護(hù)方式

采用“一梁兩索”交替邁步式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，下壓原支護(hù)鋼帶，間距2 400 mm。錨索采用φ21.8 mm×8 300 mm十九芯非防腐錨索配合索具，“一梁兩索”托梁為槽鋼梁，孔距2 400 mm，張拉力200 kN，并在新支護(hù)的錨索之間用錨網(wǎng)片連接完整。

3.3 煤柱側(cè)支護(hù)方案

采用單錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，布置形式為在原有巷道錨桿間錨索布置3排，錨索采用φ21.8 mm×5 300 mm十九芯防腐錨索配合索具，間排距為1 000 mm×1 600 mm，托盤采用Q235鋼托盤，每根錨索采用4節(jié)錨固劑進(jìn)行錨固，張拉力200 kN。底角采用金屬錨桿支護(hù)，錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 800 mm，每根錨桿采用2節(jié)錨固劑進(jìn)行錨固，下壓木托盤，錨桿傾角30°，張拉力100 kN。

3.4 煤墻側(cè)支護(hù)方案

采用規(guī)格為φ22 mm×2 800 mm高強(qiáng)樹脂錨桿，布置形式為在原有巷道錨桿間布置3排，間排距為1 000 mm×800 mm。幫部錨桿托盤下壓木托板，底部錨桿傾角30°，張拉力100 kN。

4 結(jié)論

(1)黃陵二號煤礦418工作面來壓對巷道的變形影響不大，造成巷道變形的主要因素為正常推采的二次擾動，原支護(hù)方案難以滿足生產(chǎn)的實(shí)際需求。

(2)通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，雙重擾動下的巷道影響范圍約120 m，尤其是40 m處、60 m處、80 m處出現(xiàn)臺階式變形，超前20 m處的巷道變形影響最大。

(3)提出巷道分區(qū)式補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，煤柱側(cè)由錨索代替錨桿支護(hù)，巷道兩邊底角施工壓邊錨桿，頂部采用“一梁兩索”施工方案，可以增加巷道的穩(wěn)定性，對補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)具有重大意義。