沿空留巷礦壓增大的支護(hù)技術(shù)與實(shí)踐

張文豪

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽(yáng)煤礦分公司，山西晉城 048000）

煤炭屬于不可再生資源，在我國(guó)煤炭大量開(kāi)采的當(dāng)下，煤企如何在保證安全高效生產(chǎn)的前提下，獲得更高的資源采出率成為了企業(yè)所面臨的技術(shù)難關(guān)[1]。無(wú)煤柱開(kāi)采對(duì)于煤炭資源采出率的提高具有顯著效果，特別在中厚煤層的開(kāi)采中具有良好的應(yīng)用前景。而沿空留巷技術(shù)的提出更是對(duì)無(wú)煤柱開(kāi)采的重要補(bǔ)充，可以有效減少巷道掘進(jìn)的工作量、延長(zhǎng)工作面服務(wù)年限，并對(duì)工作面瓦斯涌出有一定治理效果[2-4]。但沿空留巷后如果對(duì)巷道支護(hù)不足，則會(huì)產(chǎn)生二次來(lái)壓，圍巖發(fā)生傾斜、底鼓等現(xiàn)象，影響礦井生產(chǎn)安全[5]。本文以大陽(yáng)煤礦3406 工作面為研究對(duì)象，對(duì)其沿空留巷的支護(hù)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

1.1 工作面概況

大陽(yáng)煤礦3406綜采工作面位于3號(hào)煤層四采區(qū)中部，地面標(biāo)高+1145～+1310m，地形總體為西高東低，工作面傾向長(zhǎng)1181m，走向長(zhǎng)260m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含有夾矸0～2層。巖層頂?shù)装逍畔⑷绫?所示。

表1 3406工作面頂?shù)装逍畔?/p>

1.2 工作面礦壓?jiǎn)栴}

3號(hào)煤層采用無(wú)煤柱開(kāi)采法進(jìn)行采掘，目前該工作面軌道巷礦壓大，礦壓顯現(xiàn)劇烈。柔模砼墻有明顯傾斜變形，目測(cè)最大傾角10°左右，墻體傾斜段巷道底鼓明顯，底鼓高隆處距離柔模墻1.2m 左右。同時(shí)端頭區(qū)墻體有明顯壓碎現(xiàn)象，π型鋼梁壓彎變形，具體表現(xiàn)為墻體一側(cè)壓力大，煤幫整體松散破碎。

1.3 大變形機(jī)理分析

基于3406 工作面地質(zhì)與開(kāi)采條件，根據(jù)無(wú)煤柱開(kāi)采礦壓理論分析，認(rèn)為造成3406 工作面軌道巷大變形的直接原因在于以下幾個(gè)方面：①底鼓主要由留巷壓力及采動(dòng)壓力造成，底鼓造成墻體傾斜，墻體傾斜后持續(xù)給底板一個(gè)向巷內(nèi)的水平力，造成底板的二次擠壓，進(jìn)而加劇底鼓，同時(shí)傾斜角度越大，則底鼓越明顯；②當(dāng)前單體柱的打設(shè)角度不合理造成單體柱傾斜，支護(hù)強(qiáng)度不足，導(dǎo)致巷道變形；③墻體側(cè)補(bǔ)強(qiáng)錨索打設(shè)角度和位置不盡合理，未能保護(hù)墻體頂角處頂煤完整性，造成頂煤臺(tái)階下沉量過(guò)大，頂板尤其是臺(tái)階下沉段頂煤隨頂板向采空區(qū)方向位移，推倒墻體，加劇傾斜。

綜上所述，減少3406 工作面軌道巷大變形應(yīng)著重從避免墻體傾斜入手，加強(qiáng)墻體頂角側(cè)頂煤的管理，同時(shí)保證單體柱支撐有力。

2 頂板注漿錨索加固設(shè)計(jì)

基于前述分析結(jié)論，設(shè)計(jì)在軌道巷頂板補(bǔ)打注漿錨索，實(shí)現(xiàn)錨索的全長(zhǎng)錨固和破碎圍巖的膠結(jié)加固，保護(hù)頂煤完整性，發(fā)揮圍巖自承能力，減少臺(tái)階下沉量和幫鼓量，減輕頂煤對(duì)墻體上部的側(cè)推力，確保3406工作面長(zhǎng)時(shí)間停采期間軌道巷斷面符合生產(chǎn)要求。

2.1 注漿錨索設(shè)計(jì)

針對(duì)關(guān)鍵部位選用SKZ22-1/1860 型號(hào)錨索進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)，該錨索屈服強(qiáng)度大于1640MPa，破斷荷載大于1860MPa，破斷力大于400kN，最大外徑22.4mm，適應(yīng)孔徑32mm，長(zhǎng)度8300mm，索體為中空結(jié)構(gòu)，自帶注漿芯管，可直接與注漿泵連接進(jìn)行高壓注漿。錨索布置方面如圖1 所示，每排打設(shè)2 根注漿錨索，間距2000mm，排距1800mm。第1根錨索距離墻體500m 位置處打設(shè)。這樣的排列方式可以保證錨索的預(yù)應(yīng)力得到充分的釋放，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿（索）支護(hù)才是真正的主動(dòng)支護(hù)，才能發(fā)揮錨桿（索）支護(hù)的作用。

圖1 軌道巷注漿錨索加固橫斷面

2.2 注漿材料設(shè)計(jì)

注漿材料選擇馬麗散及水泥進(jìn)行分情況注漿。由于到馬麗散成本較高，因此利用其凝固速度快早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在對(duì)結(jié)石體后期強(qiáng)度的齡期要求不超過(guò)3d時(shí)采用馬麗散注漿。對(duì)結(jié)石體后期強(qiáng)度的齡期要求超過(guò)14d 時(shí)采用水泥注漿，以降低注漿成本。當(dāng)采用馬麗散注漿時(shí)，馬麗散與催化劑配合比：體積比1∶1，重量比1∶1.17。當(dāng)采用水泥注漿時(shí)，按照水灰比1∶2配制水泥漿液，同時(shí)加水泥質(zhì)量8%的ACZ—II 水泥注漿添加劑，水泥采用PO52.5。每根錨索的注漿量以實(shí)際注漿量為準(zhǔn)，注漿壓力要求達(dá)到7MPa。

2.3 施工設(shè)備及工藝

當(dāng)采用馬麗散注漿時(shí)，采用馬麗散廠家配備的化學(xué)漿液專用注漿泵。當(dāng)采用水泥注漿時(shí)，選擇ZBQ-8/7 型礦用氣動(dòng)注漿泵進(jìn)行注漿加固。注漿設(shè)備的額定壓力都保持在8MPa以上，流量大于7L/min。

3 底板加強(qiáng)支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

底鼓的專項(xiàng)支護(hù)如圖2所示，超前工作面80m外在底板上開(kāi)槽，埋設(shè)大板梁，大板梁采用直徑不小于200mm 的落葉松圓木將兩對(duì)稱面削平而成，板梁厚度不宜小于200mm，大板梁長(zhǎng)度根據(jù)軌道巷實(shí)際寬度現(xiàn)場(chǎng)制作。大板梁一端緊靠實(shí)體煤幫，另一端緊貼柔模墻。大板梁兩端通過(guò)木板和木楔與墻（幫）楔緊，保證大板梁橫撐有力，限制墻體底部向巷內(nèi)位移。大板梁上預(yù)留用于固定大柱鞋的限位裝置。當(dāng)空間有限，施工整條大板梁困難時(shí)，可將工字鋼底梁與小段大板梁對(duì)接施工，兩端同樣與墻（幫）楔緊。

圖2 3406軌道巷支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)橫斷面

4 其他輔助泄壓方式

在3406 工作面推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)保證工期快速穩(wěn)定，避免工作面長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)。因?yàn)樵诹粝飶?fù)用期間，保持高效生產(chǎn)的工作面可以將頂板側(cè)懸臂快速甩入采空區(qū)，減輕周期來(lái)壓對(duì)軌道巷夾制作用。而且軌道巷圍巖經(jīng)過(guò)多次采動(dòng)作用，一般比較破碎，自穩(wěn)能力差，流變性明顯，加快推進(jìn)，可避免流變作用的時(shí)間累積效應(yīng)，減少變形。同時(shí)針對(duì)2406 工作面提出以下開(kāi)采建議：

（1）3406工作面調(diào)偽斜，在保證工作面正常生產(chǎn)條件下，可適當(dāng)增加溜槽，最大限度地保證軌道巷超前運(yùn)輸巷，超前距越大越好，減輕工作面來(lái)壓對(duì)軌道巷影響，從根源上優(yōu)化軌道巷應(yīng)力環(huán)境；

（2）調(diào)整3406 機(jī)尾側(cè)支架位態(tài)。一方面機(jī)尾側(cè)支架的初撐力不應(yīng)低于工作阻力的70%，另一方面機(jī)尾側(cè)4 臺(tái)支架范圍內(nèi)適當(dāng)破底200～300mm，保證機(jī)尾側(cè)工作面高度，刻意形成軌道巷與工作面底板高差，增加軌道巷底板應(yīng)力釋放通道。

（3）后續(xù)沿空留巷澆筑柔模砼墻時(shí)，墻體必須具有3°～5°迎山角，減輕留巷和復(fù)用期間的底鼓量。

（4）對(duì)于3406 工作面礦壓把不穩(wěn)定的區(qū)域可以對(duì)底板進(jìn)行增加卸壓措施。如圖3 所示，在3406 工作面軌道巷底板可采取大直徑卸壓鉆孔措施，改善巷道應(yīng)力環(huán)境。圖3（a）為底板泄壓鉆孔縱斷面，鉆孔每排布置3 個(gè)鉆孔，排距不超過(guò)4m。鉆孔沿巷道中線對(duì)稱布置，中間孔沿巷道中線打設(shè)，俯角45°。圖3（b）為底板泄壓鉆孔橫斷面，兩側(cè)孔沿巷道底角打設(shè)，俯角45°，并向煤幫（采空區(qū)）內(nèi)水平外甩45°。該卸壓鉆孔直徑不小于105mm，鉆孔深度h≥3m；卸壓孔孔口段500mm采用封孔材料封堵嚴(yán)實(shí)。

圖3 礦壓較大區(qū)域底板特殊泄壓

5 結(jié)論及建議

在3406 工作面持續(xù)推進(jìn)的四個(gè)月過(guò)程中，運(yùn)輸巷側(cè)工作面推進(jìn)了510m，軌道巷正在進(jìn)行留巷的復(fù)用，軌道巷側(cè)工作面推進(jìn)了540m。巷道底鼓并無(wú)明顯特征，同時(shí)為掌握專項(xiàng)支護(hù)措施在巷道掘進(jìn)過(guò)程中的實(shí)際效果，在3406 工作面運(yùn)輸巷布置了監(jiān)測(cè)斷面用于監(jiān)測(cè)頂?shù)准皟蓭妥冃吻闆r，巷道變形量曲線如圖4所示。掘進(jìn)階段巷道在前60d變形量增加明顯，隨后進(jìn)入穩(wěn)定期，最終頂?shù)装遄冃瘟繛?62mm，兩幫為138mm，整體變形較小。滿足礦井安全生產(chǎn)的要求，說(shuō)明不對(duì)稱錨架補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到很好地控制圍巖變形的效果。在推進(jìn)過(guò)程中，3406工作面處于偽斜狀態(tài)，采場(chǎng)頂板分區(qū)段垮落，覆巖懸頂面積減少超過(guò)60%，工作面來(lái)壓強(qiáng)度降低了40%，對(duì)復(fù)用巷道頂板管理有利。

圖4 工作面運(yùn)輸側(cè)掘進(jìn)階段巷道變形量曲線

總體可以看出，對(duì)頂?shù)装暹M(jìn)行的錨索注漿支護(hù)整體有效，3406 工作面復(fù)用巷道變形可控，基本滿足工作面安全生產(chǎn)要求。