優(yōu)化支護設(shè)計在深井開采巷道圍巖控制技術(shù)中的應(yīng)用

文/王振海 吳文哲

黑龍江龍煤礦業(yè)集團雞西分公司東海煤礦井田東西走向11km，南北傾向3km，井田面積33km2。井田內(nèi)斷層發(fā)育縱橫交錯，褶曲現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜。東海礦五采區(qū)為礦井四個主要采區(qū)之一，五采區(qū)32#煤層現(xiàn)已開拓延伸至四水平底部，距地表垂直深度已達1100多米，東海礦現(xiàn)處在典型深井復(fù)雜地質(zhì)條件的開采階段，井巷掘進及回采期間礦壓顯現(xiàn)異常，通過對五采32#層左十二路采面上回風(fēng)順槽錨網(wǎng)索鋼帶聯(lián)合支護理論分析與實踐，在深井開采礦壓顯現(xiàn)日趨劇烈情況下，不斷優(yōu)化高強度錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、“W”鋼帶聯(lián)合支護設(shè)計與材料選型，32#層右十一采面回風(fēng)順槽通過優(yōu)化支護技術(shù)參數(shù)和斷面設(shè)計成功控制巷道圍巖大變形，取得了一定成效，保證了安全生產(chǎn)。

一、深井礦壓顯現(xiàn)原因分析

礦井進入深部層開采后，由于煤巖層自重壓力的增大，巷道主要表現(xiàn)在巷道圍巖變軟，圍巖面易發(fā)生爆裂，巷道圍巖三向受力狀態(tài)發(fā)生改變，加上深部層開采頂板壓力變大，造成巷道圍巖的擠壓破壞。隨著擠壓破壞向深部層發(fā)展，引起煤巖體裂隙擴張和體積膨脹，造成巷道煤巖層彎曲變形。彎曲拉應(yīng)力逐漸變大，導(dǎo)致巷道頂板、巷幫煤巖體的破壞，尤其回采工作面上回風(fēng)順槽受工作面超前動壓與上部沿空采空區(qū)殘余應(yīng)力釋放疊加的影響，造成巷道變形嚴重、巷道斷面的收縮量急劇增大，嚴重影響到礦井的安全生產(chǎn)。

二、煤層自然狀況

五采區(qū)32層煤層厚度平均1.5m，煤層傾角 15°，煤質(zhì)硬度為 f=1.0～1.5，煤層中部含 2～3層20～30mm厚夾矸，偽頂為0.2～0.6m厚度不等的砂質(zhì)頁巖及泥質(zhì)頁巖，直接頂為細質(zhì)砂巖、泥頁巖、炭質(zhì)砂巖，厚度5～6m，層理發(fā)育抗壓強度低，松軟、易破碎，巖性不穩(wěn)定。

三、巷道工程概況

五采區(qū)32#層左十二路采面上回風(fēng)順槽埋深1020m，工作面開切眼185m，上回風(fēng)順槽走向660m，沿煤層頂板掘進施工，與左十一路采空區(qū)留設(shè)5m寬區(qū)段煤柱。左十二路采面回風(fēng)順槽礦壓觀測回采期間工作面超前動壓影響范圍已達150m范圍，巷道圍巖變形嚴重地段在工作面超前50m范圍，巷道兩幫移近量最大達2.0m，頂?shù)资湛s量達1.5m，嚴重制約和影響了安全生產(chǎn)。

四、優(yōu)化支護方案設(shè)計

1.原32層十二路采面回風(fēng)順槽巷道支護參數(shù)

錨桿參數(shù)：錨桿采用20MnSi左旋無縱筋預(yù)應(yīng)力螺紋鋼，直徑∮18mm；長度1800mm；采用樹脂錨固，錨固長度700mm，錨固劑：CK2335樹脂錨固劑兩卷。設(shè)計錨固力90KN：預(yù)緊力70KN：錨桿矩形布置每排4根，間排距：1000mm×1000mm；金屬蝶形托盤：規(guī)格 120×120×8mm。 錨索：直徑∮15.24、1860低松弛鋼絞線、長度7.2m、靠上幫單排布置，間距2.0m。“W”鋼帶：規(guī)格3200×280×35mm，厚度 2.75mm。 金屬網(wǎng)：10# 鍍鋅鐵線；菱形金屬網(wǎng)規(guī)格：3200×1500×35mm；網(wǎng)孔尺寸45×65mm。幫錨桿支護規(guī)格：∮35mm管縫式錨桿，長度 1600mm；間排距 700×700mm。

根據(jù)錨桿支護的剛性梁理論，通過錨桿的高預(yù)緊力使錨桿長度范圍和錨桿長度以上的頂板離層得以消除，使頂板形成一個“剛性”梁體，提高頂板整體的抗剪強度，使水平應(yīng)力對頂板剪切破壞不向頂板縱深發(fā)展，頂板的垂直壓力被轉(zhuǎn)移到巷道兩側(cè)煤體內(nèi)，為使巷道兩側(cè)煤體壓力減小，巷道兩側(cè)錨桿支護要與鉛垂線保證一定角度，使錨固端錨在幫部穩(wěn)定巖層中，增加錨桿與頂板的剛性梁長度，使巷道壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移，緩解巷幫角應(yīng)力的破壞，減小巷道兩側(cè)煤幫壓力。增加錨桿長度后，盡量使錨桿深入到穩(wěn)定巖層中，保證剛性梁足夠厚度，使其具有較高的承載能力。

通過使用KBD5電磁輻射監(jiān)測儀，利用煤巖體受不同壓力后其內(nèi)部電磁輻射波發(fā)生不同變化的電磁理論，在32層左十二路采面掘進及回采期間，找出采面掘進與回采時巷道壓力電磁強度與頻率變化峰值的大小，為下一步確定32層右十一路采面巷道支護參數(shù)與材質(zhì)選型奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)以上理論和電磁輻射儀電磁強度的預(yù)測，決定對32右十一采面回風(fēng)順槽巷道支護參數(shù)、支護材質(zhì)等加以修改，控制深井開采巷道圍巖劇烈變化。

2.修改后32層右十一路采面回風(fēng)順槽巷道支護參數(shù)

錨桿參數(shù)：錨桿采用20MnSi左旋無縱筋預(yù)應(yīng)力螺紋鋼，修改直徑為∮22mm長度22mm；采用樹脂錨固，錨固長度700mm，錨固劑：CK2335數(shù)值錨固劑兩卷。設(shè)計錨固力120KN；錨桿矩形布置每排4根，間排距改為：1000mm×900mm；金屬蝶形托盤：規(guī)格 120×120×8mm。

錨索補強支護：錨索改為直徑∮18.7mm高強度低松弛鋼絞線，長度7200mm，外露長度控制在不大于350mm，張拉預(yù)緊力控制在60～80KN，矩形布置：間排距1800×2000mm。每孔裝入5根樹脂錨固劑固定，型號為 MSK2335、MSZ2335，每孔眼底裝入1根MSK2335，外側(cè)用4根MSZ2335，錨固力不低于200KN/根，托盤用長度300mm、寬度200mm、厚度 5mm 槽鋼。 “W”鋼帶：規(guī)格：3200×280×35mm,厚度2.75mm。金屬網(wǎng)：10#鍍鋅鐵線；規(guī)格：3200×1800mm；網(wǎng)孔尺寸 45×65mm。 幫錨桿支護規(guī)格；修改為∮20mm高強度螺紋鋼高桿：長度 1800mm，間排距：600×600mm。

對32層左十二路采面上回風(fēng)順槽巷道支護設(shè)計修改后，通過增加錨桿直徑與支護密度，提高錨桿承載強度，加大錨桿預(yù)緊力的基礎(chǔ)上，同時還增加錨索直徑，加大錨索支護密度，提高頂板整體剛性承載強度。幫錨桿支護由管縫式改為高強度螺紋鋼錨桿，并且還增加了幫錨固長度與支護密度，有效控制了松軟煤巖體大的變形對安全生產(chǎn)的影響。

32層右十一路采面上回風(fēng)順槽在正常回采期間，通過對巷道的礦壓觀測，修改后的支護基本上控制住了巷道的收縮變形，保證了安全生產(chǎn)。

五、結(jié)論

東海煤礦在深井開采特殊地質(zhì)條件下，通過合理的選擇巷道支護技術(shù)參數(shù)，積極采用先進的支護工藝，在支護材料選型上積極探索與實踐，研究制定出錨桿、索、金屬網(wǎng)、鋼帶聯(lián)合支護技術(shù)，同時制定出安全質(zhì)量檢查與頂板動態(tài)監(jiān)測規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，保證了錨桿、索、網(wǎng)、鋼帶的施工質(zhì)量與安全。