伯方煤礦松軟厚煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究

馮思儒，暴斌

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

0 引言

煤炭開采分為露天開采和井工開采，在我國現(xiàn)階段，主要以井工開采為主，井工開采煤炭時(shí)需要在井下掘出大量的巷道用來通風(fēng)、行人和運(yùn)料[1]。我國松軟破碎巖層礦區(qū)分布很廣[2]，松軟厚煤層回采巷道一般沿煤層頂板掘進(jìn)，底板與兩幫均為松軟破碎巖體，在工作面采動(dòng)影響下常常出現(xiàn)兩幫內(nèi)移、底板鼓起量大的特征[3]。松軟、破碎煤巖體巷道的圍巖控制問題一直是困擾煤礦工程技術(shù)人員和科研人員的難以完全解決的難題。隨著開采深度的增加，巷道圍巖應(yīng)力也逐漸增大，原本強(qiáng)度較高的煤巖體在高應(yīng)力作用下，也逐漸表現(xiàn)出軟巖的特性，發(fā)生越來越難以控制的大變形，導(dǎo)致巷道圍巖控制越來越困難[4]。

已有研究表明，國內(nèi)外學(xué)者通過對實(shí)際工程案例的分析研究，對松軟破碎煤巖體巷道圍巖變形特征及破壞機(jī)理作了較多且較為深入的研究[5]，利用不同的研究手段從不同的角度研究了國內(nèi)較為常見的松軟破碎煤巖體巷道圍巖破壞形式，獲得了較多的研究成果。孟慶彬等[6]依據(jù)趙樓礦井底車場巷道圍巖內(nèi)外部變形特征和應(yīng)力分布規(guī)律，深入研究了深部軟巖巷道圍巖變形破壞原因，提出了“三錨”聯(lián)合支護(hù)體系，取得較好的圍巖控制效果。孫曉明、何滿朝等[7]以錨網(wǎng)索耦合支護(hù)設(shè)計(jì)理念為前提，提出了適合軟巖巷道支護(hù)的強(qiáng)化支護(hù)方案，有效控制了軟巖巷道的圍巖大變形。劉立東、王俊虎等研究了霍州白龍礦典型的松散膨脹性軟巖巷道的破壞機(jī)理并得出相關(guān)結(jié)論[8]。白國良、梁冰從能量的角度研究了巖體的破壞機(jī)制，提出了判別圍巖失穩(wěn)的能量準(zhǔn)則[9]。目前我國巷道圍巖控制技術(shù)主要有表面支護(hù)[10]、錨桿錨固、圍巖改性、圍巖卸壓及多種控制方法聯(lián)合控制技術(shù)[11-12]。伯方煤業(yè)煤層約6 m厚，工作面順槽一般沿煤層底板布置，采用高強(qiáng)錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)形式，但由于支護(hù)參數(shù)不合理，巷道圍巖變形較大，除頂板下沉量較大外，底板底鼓和兩幫的大量移近，也給巷道的安全使用和通風(fēng)行人帶來了諸多的困難，亟需對這種松軟厚煤層巷道圍巖支護(hù)提出新的支護(hù)技術(shù)或方案，才能保證工作面巷道的安全和正常使用。

1 概況

井田位于山西省高平市城區(qū)西北約7 km 處的伯方村西，為沁水煤田高平礦區(qū)王報(bào)井田的一部分。井田東西長約6.886 1 km，南北寬約6.020 09 km，面積27.491 6 km2，限采標(biāo)高+900—+370 m。井田內(nèi)可采煤層為3 號煤層，位于山西組下部，煤層厚3.15～6.13 m，平均厚5.31 m，煤層底板標(biāo)高+900—+470 m，埋藏深度40～372 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單至復(fù)雜，含夾矸0～3 層，屬穩(wěn)定全區(qū)可采厚煤層。煤層直接頂板主要為粉砂巖，次為砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖，局部有炭質(zhì)泥巖偽頂；底板主要為砂巖、粉砂巖和泥巖，偽底為炭質(zhì)泥巖。

井田總體為傾向北西的單斜構(gòu)造，傾角3°～10°。根據(jù)已掘巷道揭露及三維地震勘探結(jié)果，井田內(nèi)共分布3 m 以上高角度正斷層57 條，其中，12 條斷層落差在10 m 及以上；20 條斷層落差在5～9 m；25 條斷層落差在5 m 以下。斷層走向以北東至近東西為主，次為北西向。

2 伯方煤礦三盤區(qū)運(yùn)輸巷錨桿、錨索的支護(hù)參數(shù)

伯方煤礦三盤區(qū)工作面運(yùn)輸沿煤層底部掘進(jìn)，總寬5 500 m，總高3 050 mm。建議巷道錨索布置放方式為：屋面采用6 根錨桿，錨桿間距設(shè)置為900 mm；工作臺面兩側(cè)各有4 根錨桿。采用間距設(shè)置為800 mm，錨桿確定為1 000 mm。三盤區(qū)運(yùn)輸巷錨桿、錨索支護(hù)情況如圖1所示。

圖1 三盤區(qū)運(yùn)輸巷錨桿、錨索支護(hù)示意Fig.1 Bolt,anchor cable support of three panel transportation roadway

2.1 頂板錨桿

采用屈服強(qiáng)度不低于335 MPa 的左旋螺紋鋼高強(qiáng)度錨桿進(jìn)行頂板支護(hù)，錨桿φ22 mm，長2 400 mm。配備高強(qiáng)度拱形托盤和高強(qiáng)度螺母。托盤尺寸為150 mm x 150 mm x 10 mm。小于300 kN。使用較長的樹脂錨，鉆孔直徑為30 mm 以下，并使用1 卷CKb2360 標(biāo)準(zhǔn)錨固劑，使用Z2360 樹脂錨固劑。本設(shè)計(jì)使用的錨桿固定力為150 kN。輔助工具由鉛絲網(wǎng)和加強(qiáng)梯梁組成，鉛絲網(wǎng)采用第10根鉛絲編織而成的菱形網(wǎng)。網(wǎng)格長度為5 900 mm，寬度為1 100 mm。鉛絲網(wǎng)長50 mm，寬50 mm。配套的鋼梯梁焊接在直徑14 mm、寬100 mm 的鋼筋上。梯梁長5 100 mm，寬100 mm。鐵線與按鈕相連。錨固件的臨時(shí)擰緊力矩為290 N·m 或更大。

2.2 頂板錨索

選用1×19 股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線制作成頂板錨索，錨索直徑為22 mm，其極限破斷力的強(qiáng)度為1 860 MPa，此時(shí)破斷力為532 kN，其延伸率大于7%。錨索長8 000 mm，1 排2 根布置，間排距為1 900 mm×2 000 mm 規(guī)格。錨索鉆孔直徑≤30 mm，采用K2360 樹脂錨固劑錨固1 支，采用Z2360 樹脂錨固劑錨固2 支。錨索錨固力設(shè)計(jì)為300 kN。采用300 mm×300 mm×15 mm 的高強(qiáng)球型托盤，其承載能力應(yīng)不低于532 kN，預(yù)緊力≥250 kN 的錨索。

2.3 兩幫錨桿

采用屈服強(qiáng)度不低于335 MPa 的左旋螺紋鋼高強(qiáng)度錨桿進(jìn)行兩幫支護(hù)，錨桿長度2 400 mm，φ22 mm，配套高強(qiáng)拱形托盤和高強(qiáng)螺母規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。使用直徑28 mm 的鉆頭打孔，鉆孔直徑≤30 mm。每孔1 支Z2335 和1 支Z2360 樹脂錨固劑，錨固長度約1 210 mm；錨桿錨固力100 kN?；夭蓭筒捎靡?guī)格為MTS421φ16 mm×2 200 mm 型脹套錨桿，設(shè)計(jì)預(yù)緊力矩100 N.m，錨固力50 kN，鉆孔直徑43 mm，托盤尺寸120 mm×120 mm×8 mm。

2.4 兩幫錨索

在巷道開挖過程中，煤質(zhì)較軟，根據(jù)實(shí)際情況，可在巷道兩排中安裝錨索。錨桿采用1×19 高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，直徑22 mm，極限強(qiáng)度1 860 MPa，極限破壞力532 kN，伸長率7%以上。錨索長度為5 300 mm。錨索在巷道高度中心以2 000 mm 的間距排列成一排。錨索孔徑為30 mm 以下，樹脂錨固劑共使用3 種，K2360 型1 種，Z2360 型2 種。錨索錨固力一般不低于錨索屈服荷載，此處設(shè)計(jì)為300 kN。錨索托盤采用規(guī)格為300 mm×300 mm×15 mm 的高強(qiáng)度球形托盤，承載力必須在532 kN 以上，錨索的預(yù)緊力未損失前必須在250 kN 以上。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

為及時(shí)獲取巷道錨桿、錨索的實(shí)際受力狀態(tài)，評估巷道錨桿、錨索設(shè)計(jì)是否合理，以便能夠及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測、動(dòng)態(tài)調(diào)整的目的。根據(jù)錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范的要求，需要對巷道收斂情況進(jìn)行監(jiān)測。

設(shè)計(jì)采用十字布點(diǎn)法安設(shè)測站，在距離試驗(yàn)巷道開口段50 m 左右和150 m 左右各布置1 個(gè)測站，每個(gè)測站各安設(shè)2 個(gè)監(jiān)測斷面。測站的基點(diǎn)采用直徑為22 mm、長度為400 mm 的左旋螺紋鋼打設(shè)在圍巖內(nèi)并外露100 mm 左右（也可以采用左旋螺紋鋼錨桿直接截?cái)嗍褂茫?，基點(diǎn)應(yīng)安設(shè)牢固，不能在受到其它工作影響后就松動(dòng)脫落。測站建立初期，每天觀測1 次，一周后3 d 觀測1 次，30 d 天后7 d 觀測一次，根據(jù)觀測記錄，及時(shí)分析巷道圍巖變形特征并反饋給設(shè)計(jì)單位，便于及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保巷道圍巖穩(wěn)定。圖2是巷道采用項(xiàng)目提出的新的支護(hù)設(shè)計(jì)后頂、底板及兩幫圍巖移近量變化規(guī)律。

圖2 巷道圍巖變形量趨勢Fig.2 Deformation trend of roadway surrounding rock

從圖2可以看出，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，巷道掘出約10 d 左右內(nèi)，巷道圍巖變形量較大，且變形速度也較快，隨著時(shí)間的推移，巷道圍巖變形速度逐漸降低，變形量也逐漸減小。測站1 前10 d內(nèi)的頂?shù)装逡平考s為95 mm，兩幫移近量約為94 mm；測站2 前10 d 內(nèi)的頂?shù)装逡平考s為98 mm，兩幫移近量約為92 mm；10～30 d，測站1和測站2 的巷道圍巖頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平吭黾泳苄?，其中頂?shù)装逡平考s50 mm，兩幫移近量約10 mm；30 d 以后，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平繋缀蹙辉僭黾?，巷道圍巖處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。由此可見，采用該支護(hù)方案后有效控制了松軟厚煤層圍巖的大變形問題，滿足了巷道在服務(wù)期內(nèi)的使用要求。

4 結(jié)論

（1） 分析了松軟厚煤層大變形巷道變形機(jī)理及控制方法，針對伯方煤礦三采區(qū)運(yùn)輸順槽的大變形問題，采用松軟厚煤層巷道大變形控制技術(shù)，保證了巷道順槽沿煤層底板掘進(jìn)，提高工作面煤層回采率，增加巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

（2） 采用該支護(hù)方案后，有效的控制了松軟厚煤層圍巖的大變形問題，滿足了巷道在服務(wù)期內(nèi)的使用要求。在蘭花集團(tuán)內(nèi)，可為類似地質(zhì)條件的松軟厚煤層大變形巷道的圍巖控制提供借鑒。