傾斜厚煤層沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

張 哲，張巨峰，李文忠，胡天輝

(1. 甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司 魏家地煤礦，甘肅 白銀 730913；2.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

我國傾斜煤層綜放開采造成的煤炭損失占總煤損的44%，為此，通過留設(shè)窄小煤柱、沿空掘巷提高煤炭回采率，但是，沿空掘巷采用的小煤柱寬度一般為3～10 m，服務(wù)期間受動壓影響，巷道支護(hù)破壞嚴(yán)重，圍巖穩(wěn)定性控制成為安全生產(chǎn)的關(guān)鍵要素。

眾多學(xué)者[1-7]對沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制進(jìn)行了研究，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為應(yīng)遵循“軟巖”巷道控制的思路，推廣應(yīng)用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)、錨注聯(lián)合支護(hù)等技術(shù)才能提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，往往忽略了傾斜煤層沿空掘巷非對稱承載這一突出特點(diǎn)，實(shí)際上，傾斜煤層沿空巷道層間相對運(yùn)動劇烈，塑性剪切滑移變形量大，是導(dǎo)致巷道失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，穩(wěn)定性控制技術(shù)需要進(jìn)一步探索。

魏家地煤礦一般采用8.0 m煤柱沿空掘巷，生產(chǎn)期間，巷道底鼓嚴(yán)重，兩幫收斂劇烈，在整個(gè)服務(wù)期間，動壓顯現(xiàn)劇烈，支護(hù)體失效、破壞嚴(yán)重，需要多次擴(kuò)幫、起底才能滿足使用要求，2303綜放工作面傾斜厚煤層運(yùn)輸和回風(fēng)兩巷道采用沿空掘巷，巷道層間運(yùn)動劇烈，圍巖穩(wěn)定性難以控制，基于此，以2303運(yùn)輸巷為研究對象，研究傾斜煤層沿空巷道圍巖控制與支護(hù)技術(shù)。

1 工程概況

甘肅靖遠(yuǎn)礦區(qū)魏家地煤礦2303工作面位于西二采區(qū)3號煤層中，東部為1306和1308工作面采空區(qū)，北部為2301工作面采空區(qū)，頂部為2103和2105工作面采空區(qū)，西部為西二采區(qū)巷道保護(hù)煤柱，工作面設(shè)計(jì)走向1 122 m，傾斜長232.5 m，距上部一煤層采空區(qū)距離48 m，基本不受上覆煤層開采影響，總厚度為5.9～7.6 m，平均為7.5 m，煤巖層傾角為19～26°，平均為25°。煤層開采深度為452～536 m，運(yùn)輸巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為5.4 m×3.9 m(其中，直墻高1.2 m)，工作面布置如圖1所示。

圖1 2303工作面布置示意

2 巷道支護(hù)參數(shù)確定

2.1 錨桿材質(zhì)

因高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度大，有利于圍巖穩(wěn)定性控制，且桿體表面具有凹凸螺紋，更有利于錨桿和錨固劑的粘結(jié)，因此，魏家地煤礦2303運(yùn)輸巷頂板和兩幫選用材質(zhì)為BHRB335以上的高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿。

2.2 預(yù)緊力

錨桿預(yù)緊力P與預(yù)緊扭矩M有以下關(guān)系：

P=K0M

式中：K0為轉(zhuǎn)換系數(shù)，主要與錨桿直徑、螺母外接圓直徑、螺紋升角、絲扣間摩擦系數(shù)，以及螺母和托盤間的摩擦系數(shù)相關(guān)。

D22 mm×L2 600 mm的螺紋鋼錨桿，其錨桿預(yù)緊力P與預(yù)緊扭矩M值的關(guān)系見表1。由表1可知，只有預(yù)緊力扭矩達(dá)到250 N·m，錨桿預(yù)緊力才能達(dá)到60 kN。

表1 錨桿預(yù)緊力與預(yù)緊扭矩關(guān)系

2.3 巷道錨網(wǎng)支護(hù)附件

巷道錨網(wǎng)支護(hù)除了主要的錨桿外，還應(yīng)有金屬網(wǎng)、托盤等，巷道表面全部鋪設(shè)金屬網(wǎng)，托盤有200 mm×200 mm×60 mm的木托盤和125 mm×125 mm×10 mm的鐵托盤，以及#型墊板等。

2.4 巷道錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)

1) 巷道頂板支護(hù)。拱型巷道頂部采用D22 mm×L2 600 mm高強(qiáng)度錨桿，間排距一般為600 mm×700 mm，每排13根，并配套1支K2360和1支Z2360樹脂藥卷進(jìn)行錨固，錨桿與巷道拱型面垂直。

2) 兩幫支護(hù)。巷道兩幫采用D22 mm×L2 600 mm的高強(qiáng)度錨桿，間排距一般為600 mm×700 mm，每排2根，并配套1支K2360和1支Z2360樹脂藥卷進(jìn)行錨固，第一排錨桿沿水平15°打設(shè)，第二排與巷幫垂直打設(shè)。

3) 錨索支護(hù)參數(shù)。巷道表面每2排錨桿打6根錨索，錨索排距為1 400 mm。煤柱幫側(cè)打設(shè)參數(shù)為D17.8 mm×L4 000 mm的3根短錨索。第一根短錨桿水平打設(shè)，一般距離底板1.0 m；第二根垂直巷幫打設(shè)，一般距離底板2.0 m；第三根沿半圓拱中心45°打設(shè)，并垂直于巷道表面。實(shí)體煤幫打設(shè)2根錨索，第一根錨索距離底板2.0 m垂直巖面安裝，參數(shù)為D17.8 mm×L7 000 mm，第二根錨索與半圓拱中心呈45°夾角垂直巖面安裝，參數(shù)為D17.8 mm×L10 000 mm。巷道拱頂中心垂直于拱頂打設(shè)1根D17.8 mm×L7 000 mm的錨索，并分別配套1支K2360和2支Z2360樹脂藥卷進(jìn)行錨固，錨固長度一般為1 800 mm。

3 礦壓監(jiān)測方案

3.1 巷道礦壓監(jiān)測點(diǎn)布置

為研究深部巷道圍巖穩(wěn)定性，針對典型的圍巖地質(zhì)條件，進(jìn)行了巷道圍巖表面位移、深部多點(diǎn)位移、頂板離層、煤幫應(yīng)力、錨桿和錨索受力的跟蹤監(jiān)測，從巷道開口每隔50 m布置1個(gè)測站，每個(gè)測站共6個(gè)測點(diǎn)，兩監(jiān)測測點(diǎn)沿巷道軸向間隔0.6～1.0 m，如圖2所示。

圖2 測站與測點(diǎn)布置圖(mm)

3.2 巷道表面位移監(jiān)測

表面位移測點(diǎn)布置如圖3所示，主要監(jiān)測頂板下沉量、底鼓量、底板相對移近量、兩幫位移量和相對移近量等內(nèi)容。

圖3 表面位移測點(diǎn)布置圖

每個(gè)監(jiān)測斷面內(nèi)采用十字布點(diǎn)法布置4個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)通過打設(shè)D29 mm×L380 mm鉆孔，并插入D29 mm×L400 mm的木樁固定，頂板和底板木樁端部安設(shè)彎形測釘，兩幫木樁端部安設(shè)平頭測釘，用測槍、測桿或鋼卷尺進(jìn)行測量，通過兩幫和頂部4個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算頂?shù)装迨諗孔兓亢蛢蓭褪諗孔兓俊?/p>

3.3 深部多點(diǎn)位移監(jiān)測

采用B19接長鉆桿，D28 mm鉆頭用錨桿機(jī)在頂板中部及兩幫直墻段與拱頂交線附近處打垂直鉆孔，拱頂與實(shí)體煤幫鉆孔深度6.0 m，煤柱幫鉆孔深度4.0 m。各測點(diǎn)與孔口距離分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m，數(shù)據(jù)處理分析后可得每個(gè)測點(diǎn)相對于孔底的位移，測試儀器為KDW-1型機(jī)械式多點(diǎn)位移計(jì)，見圖4(a)，深部多點(diǎn)位移測點(diǎn)設(shè)置如圖4(b)所示。

圖4 深部圍巖多點(diǎn)位移測點(diǎn)布置圖

3.4 錨桿和錨索軸力

分別應(yīng)用MCJ-16錨桿測力計(jì)和MCJ-25錨索測力計(jì)進(jìn)行錨桿軸力和錨索軸力監(jiān)測，以判斷錨桿、錨索是否屈服、破斷，錨桿(索)測點(diǎn)布置見圖5。

圖5 錨桿軸力監(jiān)測測點(diǎn)布置圖

4 礦壓監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 巷道表面位移監(jiān)測

2303運(yùn)輸巷共布置巷道表面位移測站2個(gè)，分別距巷道開口100 m、400 m，表面位移監(jiān)測曲線如圖6所示。

圖6 巷道表面位移監(jiān)測曲線圖

巷道開挖后，巷道兩幫移近量和頂板下沉量均急劇加大，持續(xù)時(shí)間大約5～9 d，主要是因巷道開挖破壞了圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)，彈性量瞬間釋放，承載力下降，圍巖裂隙向深部延伸，形成破碎區(qū)，巷道表面位移迅速增長。隨著掘進(jìn)工作的繼續(xù)，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，影響期一般為15 d。煤柱寬度6.0 m時(shí)，頂板下沉量為162 mm，兩幫移近量為254 mm；煤柱寬度為8.0 m時(shí)，頂板下沉量為92 mm，兩幫移近量為360 mm；煤柱寬度為9.0 m時(shí)，頂板下沉量為114 mm，兩幫移近量為595 mm，回采期間，煤幫需要補(bǔ)打錨桿加強(qiáng)支護(hù)。巷道表面位移監(jiān)測曲線變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果較為一致，煤柱寬度為6.0 m時(shí)頂板下沉量最大，但隨著煤柱寬度的增加變化不大，而兩幫劇烈收斂，至煤柱寬度為9.0 m時(shí)，需在回采期間煤幫補(bǔ)打錨桿加強(qiáng)支護(hù)。煤柱寬度為6.0 m時(shí)，圍巖控制效果好。

4.2 深部多點(diǎn)位移監(jiān)測

共布置2組巷道深部多點(diǎn)位移測站，分別距巷道開口100 m、400 m，多點(diǎn)位移監(jiān)測曲線如圖7所示。

由圖7(a)可知，深部圍巖位移的變形量整體變大，煤柱側(cè)圍巖2 m范圍松動，在2 m以外圍巖向巷道方向的移近量基本無變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)；巷道圍巖0～1 m錨固區(qū)內(nèi)，最大位移量為17.1 mm，錨桿受力最大，但仍在極限范圍內(nèi)；巷道圍巖1～1.5 m錨固區(qū)內(nèi)，最大變形量為5.5 mm，巷道圍巖1.5～2 mm錨固區(qū)內(nèi)，圍巖變形量最大為7.8 mm，仍在錨索極限范圍內(nèi)，煤柱比較穩(wěn)定。

圖7 煤柱側(cè)深部圍巖位移監(jiān)測曲線圖

由7(b)可知，深部圍巖位移變形量整體變大，實(shí)體煤側(cè)2 m范圍松動，2 m以外的圍巖向巷道方向的移近量基本無變化，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；巷道圍巖0～1 m錨固區(qū)內(nèi)，圍巖的最大位移量為31.4 mm，錨桿受力較大，但仍處于極限范圍內(nèi)；巷道圍巖1～1.5 m錨固區(qū)內(nèi)，圍巖最大變形量為51.3 mm，巷道圍巖1.5～2 m錨固區(qū)內(nèi)，巷道圍巖最大變形量為28.1 mm，一直處于錨桿的極限范圍內(nèi)。

4.3 錨桿受力

2303運(yùn)輸巷共布置巷道錨桿受力監(jiān)測站2個(gè)，分別距巷道開口100 m、400 m，錨桿軸力監(jiān)測曲線如圖8所示。

由圖8可知，錨桿軸力隨時(shí)間整體呈指數(shù)增長，巷道開挖5 d內(nèi)，錨桿軸力增長較快，巷道開挖5 d后，錨桿軸力基本穩(wěn)定。錨桿位于煤柱側(cè)，由于錨桿安裝時(shí)初始預(yù)應(yīng)力較大，在巷道開挖后，煤柱部分內(nèi)部應(yīng)力隨著圍巖的變形破壞得以釋放，導(dǎo)致了前期錨桿軸力隨時(shí)間增長而減小的趨勢，其后隨著圍巖與錨桿的相互作用關(guān)系，圍巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布調(diào)整并最終達(dá)到平衡。此時(shí)，錨桿最大載荷為132.5 kN，而直徑22 mm的BHRB335材質(zhì)錨桿的破斷載荷為186.3 kN，因此，錨桿還有很大承載空間，巷道安全系數(shù)高。煤柱寬度越大，錨桿整體承載越大。

圖8 錨桿受力監(jiān)測曲線圖

4.4 錨索受力

2303運(yùn)輸巷共布置巷道錨索受力監(jiān)測站2個(gè)，分別距巷道開口100 m、400 m，錨索軸力監(jiān)測曲線如圖9所示。

圖9 錨桿受力監(jiān)測曲線

錨索軸力隨時(shí)間整體呈現(xiàn)上升趨勢，一般地，巷道開挖5 d左右，錨索軸力快速增長，主要是因?yàn)橄锏篱_挖造成的強(qiáng)卸荷導(dǎo)致圍巖擴(kuò)容變形迅速增大；當(dāng)巷道開挖后大約8 d時(shí)，錨索軸力呈現(xiàn)出先變大后變小的情形，主要是因?yàn)閹r體及錨索內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)壓縮、回彈的反復(fù)狀況；當(dāng)巷道開挖15 d時(shí)，錨索軸力基本處于平穩(wěn)期，此時(shí)，錨桿承受的荷載最大，為150 kN，而2303運(yùn)輸巷采用的D17.8 mm錨索最大載荷為300 kN，仍有150 kN的承載空間，工況良好。

5 巷道圍巖控制效果

2303工作面運(yùn)輸巷沿空掘進(jìn)后，圍巖穩(wěn)定性控制效果良好，如圖10所示，漿層未出現(xiàn)開裂、脫落現(xiàn)象，錨網(wǎng)未出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象，拱頂形狀完好，未出現(xiàn)平頂、偏頂?shù)茸冃维F(xiàn)象。在距巷道開口400 m位置附近，煤柱幫沿直墻段與拱頂交界處鼓出約110 mm，需要補(bǔ)打錨桿加強(qiáng)支護(hù)，巷底鼓量約為400 mm，需起底1次，巷道整體維護(hù)狀態(tài)良好。

圖10 圍巖控制效果圖

6 結(jié) 語

1) 煤柱寬度為6.0 m時(shí)頂板下沉量最大，但隨著煤柱寬度的增加變化不大，而兩幫劇烈收斂，至煤柱寬度9.0 m時(shí)，需在回采期間煤幫補(bǔ)打錨桿加強(qiáng)支護(hù)。

2) 煤柱寬度為6.0 m時(shí)，圍巖控制效果好，傾斜煤層異型煤柱沿空巷道立體協(xié)控技術(shù)有效地控制了巷道圍巖變形。