近距離煤層開采下軟弱煤層巷道圍巖控制技術(shù)研究

崔瑞軍

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，山西 介休 032000）

近距離煤層下進(jìn)行煤層開采作業(yè)，受煤層巷道開挖、上方煤層內(nèi)回采作業(yè)面殘余支撐壓力等因素影響，會導(dǎo)致煤礦開采過程中出現(xiàn)巷道快速變形問題，特別是遇到巷道圍巖強度偏低時，巷道掘出后，圍巖會在短時間內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重變形、垮落等問題，這會對煤礦開采后期的掘進(jìn)、支護(hù)等各項工作的開展造成不良影響，影響采掘和生產(chǎn)作業(yè)?？梢姡訌妼ο锏绹鷰r控制技術(shù)的探究。

1 煤礦工程概況

試驗巷道為某礦工程的21604 工作面所在巷道，整個工作井下位于4 號煤層北一采去運輸大巷西側(cè)，回風(fēng)順槽沿煤層頂板掘進(jìn)，回風(fēng)順槽系層距離42 m是21604 工作面采空區(qū)，對工作面的具體情況進(jìn)行量測，可以確定工作面的垂直間距位22 m，整條工作面東側(cè)為全部實體煤。對工作面內(nèi)媒質(zhì)進(jìn)行勘察，作業(yè)面內(nèi)媒質(zhì)以半亮型煤為主，煤層厚度主要集中在2.7～3.2 m 之間，煤層結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，含有一層泥巖夾矸，厚度在0.06～0.12 m，煤層厚度變化大，較為軟弱，在煤層開采過程中，為了確保開采作業(yè)順利進(jìn)行，需要做好巷道圍巖控制。

2 巷道圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)相關(guān)內(nèi)容

2.1 巷道圍巖穩(wěn)定性

影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素有圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力大小、采動等。下面，針對這三項內(nèi)容對21604 工作面回風(fēng)順槽圍巖穩(wěn)定性的分析。

2.1.1 地應(yīng)力

地應(yīng)力指的就是我們常說的原始應(yīng)力，主要包括地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力，水平方向力主要來自陷落柱、斷層等各項因素工程的影響，豎向力主要由巖石自重造成的[1]。地應(yīng)力大小會對巷道圍巖穩(wěn)定性會造成直接影響，而從實際情況來看，埋深的增加會導(dǎo)致地應(yīng)力不斷加大，而且會提高煤與瓦斯突出現(xiàn)象，同時，還會提高沖擊地壓的出現(xiàn)幾率，容易引發(fā)各種事故。21604 工作面平均埋深約為658 m，垂直方向地應(yīng)力約為17.8 MPa，巷道圍巖水中都處于較大應(yīng)力狀態(tài)[2]。同時，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，回風(fēng)順槽主要集中在背斜兩翼，同時，對該區(qū)域情況進(jìn)行詳細(xì)勘察，還會發(fā)現(xiàn)該區(qū)域出現(xiàn)了較為嚴(yán)重中斷層發(fā)育現(xiàn)象，致使巷道圍巖體內(nèi)水平應(yīng)力顯著，環(huán)境十分復(fù)雜，煤礦開采作業(yè)進(jìn)行時，面臨著的困難會進(jìn)一步加大。

2.1.2 圍巖強度與完整性

在煤礦開采期間，圍巖巷道的整體穩(wěn)定性主要受力學(xué)性質(zhì)影響，從大量煤礦開采經(jīng)驗來看，若開挖煤礦巷道期間，周圍煤巖體內(nèi)形成了較大能力，而且該應(yīng)力超出了煤巖體極限強度大小，受煤巖體破碎問題影響，會形成塑性區(qū)域，而且大量松散破碎塊都會集中在淺部區(qū)域，這將會導(dǎo)致巷道圍巖整體性大幅度降低，增加掘進(jìn)，以及支護(hù)作業(yè)在具體開展時的難度[3]。

21604 工作面回風(fēng)順槽兩幫為4 號煤，相關(guān)工作人員依據(jù)制定要求勘察煤層強度，通過勘察可以確定，煤層強度系數(shù)集中在0.3～0.8 之間，煤體硬度較低，松散破碎，穩(wěn)定差，同時，考慮到褶曲、斷層等各種不良構(gòu)造對都會對地應(yīng)力造成較為嚴(yán)重的不良影響，針對這一情況，施工人員要采取炮掘施工工藝方式掘進(jìn)，這會不斷擴大圍巖塑性區(qū)和巷道破碎區(qū)范圍，大幅度降低圍巖強度，容易引起開采事故。

2.1.3 開采造成的影響

通過對21604 工作面回風(fēng)順槽井下位置情況進(jìn)行全面分析可以發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖會在同一時間會經(jīng)受20602 和21604 工作面掘進(jìn)和回采作業(yè)，以及遭受北一采區(qū)排水掘進(jìn)影響，而21604 回風(fēng)順槽危巖體都受較高地應(yīng)力影響，對該區(qū)域情況進(jìn)行勘察與計算，確定該位置垂直應(yīng)力大小為20.24 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.45，因此，在進(jìn)行煤礦開采時，巷道會受到采動影響，并且這一影響較為顯著[4]。

2.2 自攻錨適用性

依據(jù)21604 工作面順槽域區(qū)地質(zhì)情況來看，在實際作業(yè)開展時，采用自攻錨支護(hù)巷道兩幫，從實際應(yīng)用情況來看，與螺紋鋼樹脂錨桿的應(yīng)用情況進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，自攻錨桿在應(yīng)用時具有支護(hù)效果良好、施工速度快、質(zhì)量高、經(jīng)濟效益好等多項優(yōu)點，這也是該類型錨桿得到了廣泛應(yīng)用的一項重要原因。

自攻錨桿與螺紋錨桿在應(yīng)用時存在不同，尤其是在進(jìn)行安裝時，差異較為明顯，安裝自攻錨桿時，要先在安裝位置處設(shè)置一個直徑略小于錨桿直徑的鉆孔，完成鉆孔后，將自攻錨桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)鉆孔，完成上述作業(yè)后，適當(dāng)預(yù)緊，達(dá)到指定要求，同時，在處理鉆孔時，不惜要采取沖孔或吹孔方式處理，以免發(fā)生安全事故?？偠灾?，自攻錨桿安裝速要快于普通錨桿，并且對其進(jìn)行應(yīng)用，能夠達(dá)到全長錨固目的[5]。通過分析全長自攻錨桿在具體應(yīng)用過程中受力情況能夠發(fā)現(xiàn)，若巷道圍巖處媒體松散破碎，全長自攻錨桿性能要優(yōu)于長錨固螺紋鋼錨桿，能夠滿足應(yīng)用需求。綜上所述，21604 工作面回風(fēng)巷會受巷道采掘作業(yè)和臨近作業(yè)面、褶曲、斷層情況影響，而且巷道圍巖煤巖體應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，而且巷道頂板及兩幫巖石的整體完整性和強度都較低，可見，在進(jìn)行21604 工作面回風(fēng)順槽支護(hù)時，需要提高對頂板與兩幫支護(hù)內(nèi)容內(nèi)容的重視[6]。從以往大量生產(chǎn)經(jīng)驗來看，將自攻錨桿應(yīng)用在松軟哦隨煤體中，能夠提高連續(xù)摩擦力，充分發(fā)揮錨固性能，因此，在對整體問題進(jìn)行綜合分析基礎(chǔ)上，將全長自攻錨桿合理應(yīng)用到巷道兩幫，完成加固作業(yè)。

3 高強度錨索支護(hù)與自攻錨桿的配合應(yīng)用

為了對采用的支護(hù)方案加以確定，依據(jù)21604 工作面體質(zhì)條件，采用模擬軟件科學(xué)分析錨索支護(hù)效果，模擬方案如下：

1）普通錨索支護(hù)。采用樹脂全長錨固，科學(xué)布置鋼筋網(wǎng)，同時，采用樓梯筋，排距大小為0.98 m，間距為1.05 m。錨索采用21.4 mm 支架，礦用錨索長度為6.2 m，加強支護(hù)，排距大小為1.48 m，間距為1.95 m；兩幫錨桿采取直徑20 mm，長度2.48 m 全長自攻錨桿，錨桿排距0.78 m，間距為1.42 m。針對工程中采用過的頂角錨桿、巷幫頂角采用的螺紋鋼錨桿與頂板中采用的型號相同，將金屬網(wǎng)安裝在頂板和兩幫，同時，還要安裝鋼筋梯子梁，實現(xiàn)相應(yīng)補強作業(yè)，從而為后續(xù)煤礦開采順利進(jìn)行提供保障。

2）加強支護(hù)。減小頂板錨桿排距，距離減小約為0.78 m，錨索間距也減小了約1.56 m，其余內(nèi)容保持不變。

3）提高左幫支護(hù)質(zhì)量。在對上述兩個方案繼進(jìn)行應(yīng)用基礎(chǔ)上，巷道左幫保護(hù)煤柱側(cè)錨桿長度延長了3.4 m，其直徑大小并未發(fā)生變化。

對上述三種支護(hù)方案進(jìn)行對比，巷道煤柱側(cè)圍巖圍巖發(fā)生了變形，變形范圍約為5.8 m，通過實測可以確定煤側(cè)變形范圍為3.8 m，底板變形范圍在3.2 m 以內(nèi)，頂板發(fā)生變形范圍約為1.8 m，巷道圍巖的關(guān)鍵變形區(qū)域都較小，能夠達(dá)到圍巖控制要求。加強支護(hù)方案與普通錨索支護(hù)相比，巷道兩幫與頂板發(fā)生的位移減小顯著，而提高左幫支護(hù)質(zhì)量與加強支護(hù)相比，頂板位移雖然并未發(fā)生顯著改變，但從整體情況來看，煤柱側(cè)圍巖變形量減小顯著，最終確當(dāng)采取提高左幫支護(hù)質(zhì)量方案對21604 回風(fēng)順槽支護(hù)。

4 巷道支護(hù)施工質(zhì)量管理

4.1 加強錨往支護(hù)材料管理

1）對于施工中采用的錨桿強度要通過抽樣方式進(jìn)行檢查。外購錨桿需要具有生產(chǎn)廠家出具的錨桿力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)，每5 000 根做一次試驗，如果一批數(shù)量沒有達(dá)到5 000 根，需要逐批開展試驗。

2）錨索生產(chǎn)采用1860 鋼絞線，采取的錨固劑產(chǎn)品性能必須良好，而且穩(wěn)定性強，在具體施工作業(yè)開展時，不得采用劣質(zhì)，無法滿足要求的錨固劑。

3）錨桿采用快速安裝螺母，需要特別注意的是，螺母與錨桿桿體螺紋型號各項內(nèi)容都要符合要求。

4）由礦方自行加工支護(hù)材料需要嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計圖紙加工，加工作業(yè)采用材料強度必須能夠達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 做好施工高質(zhì)量管理

1）施工開展時，施工人員必須要嚴(yán)格依據(jù)事先設(shè)計好的方案進(jìn)行，不得隨意更改，以免對施工質(zhì)量造成不良影響。

2）針對施工質(zhì)量要進(jìn)行全面檢查，檢查要注重密集性和長期性，確保能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，快速解決問題。第一，巷道掘進(jìn)斷面尺寸要需要達(dá)到具體設(shè)計要求。第二，控制好錨桿誤差，其大小不得超過±50 mm，而對于錨索來說，需要將誤差控制在±100 mm 以內(nèi)[7]。第三，鋼筋網(wǎng)需要與巖壁緊密粘貼，搭接鋼筋網(wǎng)長度需要超過20.0 cm，而且鐵絲網(wǎng)連接必須要牢固，不得出現(xiàn)松動問題。第四，采用錨固劑時，要將其運輸?shù)娇椎?，并且藥卷?shù)量需要達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)，不得利用劣質(zhì)，或變質(zhì)錨固劑。第五，各項施工工序都必須要嚴(yán)格依據(jù)要求開展，下一道工序開展前，要對上一道工序進(jìn)行檢查，確定上一道工序完成，且達(dá)到滿足要求后，再開展。