千米深井孤島工作面臨空巷道支護(hù)技術(shù)

張世偉

（大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同037000）

1 概述

近些年，一些煤礦相繼進(jìn)入深部開采階段，甚至新建礦井首采區(qū)就超過千米，生產(chǎn)條件不斷惡化，加之不合理的開拓、開采布置等，出現(xiàn)了兩側(cè)或多側(cè)處于臨空狀態(tài)的孤島煤柱工作面，巷道圍巖表現(xiàn)出明顯的高地壓、大變形、難支護(hù)等問題，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)〔1－2〕。

孤島工作面圍巖所處應(yīng)力條件的特殊性，使得臨空（窄煤柱）巷道圍巖控制比常規(guī)工作面更加困難。相關(guān)專家針對(duì)孤島工作面臨空巷道支護(hù)問題進(jìn)行了大量研究，提出了一些針對(duì)性的支護(hù)技術(shù)，但由于巷道賦存條件和影響因素的復(fù)雜性、多變性和不確定性，巷道支護(hù)技術(shù)不盡相同〔3－6〕。根據(jù)永定莊煤業(yè)7121孤島工作面的實(shí)際條件，基于孤島臨空巷道圍巖穩(wěn)定性特征及錨網(wǎng)索支護(hù)機(jī)理，對(duì)巷道進(jìn)行巷內(nèi)錨桿支護(hù)、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強(qiáng)支護(hù)。

2 工程概況

7121工作面位于礦井－1000m東一采區(qū)，西起工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱，東至F4正斷層，北為7123采空區(qū)，南臨7119采空區(qū)，為兩側(cè)臨空孤島煤柱工作面。工作面標(biāo)高－894.6 m～－990.0m，地面標(biāo)高＋31.7m，平均采深達(dá)到1000m；工作面開采7煤層，厚1.2～4.5m，傾角0°～12°，為較為穩(wěn)定煤層；工作面走向長(zhǎng)1893m，傾斜長(zhǎng)125m；工作面直接頂為6.20m的泥巖，基本頂為5.03m的細(xì)砂巖，直接底為4.69m的泥巖，基本底為24.4m的細(xì)砂巖；地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作面內(nèi)部發(fā)育一條落差較大的DF2斷層。

圖1 工作面平面布置示意

根據(jù)工作面實(shí)際條件，7121工作面材料道和溜子道均采用臨空（窄煤柱）布置形式，煤柱寬度5m，開采深度大，巷道圍巖松散破碎、穩(wěn)定性差、變形量大、支護(hù)難度大，給巷道支護(hù)帶來巨大困難，因此有必要對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

3 孤島工作面臨空巷道穩(wěn)定性分析

孤島工作面臨空巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈。臨空巷道一側(cè)為實(shí)體煤，另一側(cè)為采空區(qū)，實(shí)體煤一側(cè)相當(dāng)于板的固支端，靠近采空區(qū)側(cè)又有一段外伸的頂板。基本頂斷裂沿工作面傾向形成的破斷面弧形三角塊B與實(shí)體煤側(cè)巖體A、采空區(qū)側(cè)塊體C形成鉸接的弧形三角塊結(jié)構(gòu)，對(duì)臨空巷道圍巖穩(wěn)定起決定性作用，見圖2。

圖2 孤島工作面臨空巷道覆巖結(jié)構(gòu)特征

巷道掘進(jìn)期間，弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向基本未斷裂，在其“掩護(hù)”之下，臨空（窄煤柱）巷道只承受部分頂板壓力，頂板巖層不僅是載荷體，而且是承載體，不但承擔(dān)自身重量，還承擔(dān)上覆巖層壓力，在采空區(qū)側(cè)煤體一定范圍內(nèi)形成降壓區(qū)，弧形三角塊結(jié)構(gòu)對(duì)巷道掘進(jìn)影響較小。在采動(dòng)作用下，弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向發(fā)生斷裂，臨空（窄煤柱）巷道承受冒落帶巖層的全部重量以及上覆巖層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力，懸臂巖梁的回轉(zhuǎn)破斷引起巷道瞬間水平移動(dòng)以及頂板下沉，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞，回采期間弧形三角塊結(jié)構(gòu)對(duì)巷道穩(wěn)定性影響較大。

4 孤島工作面臨空巷道支護(hù)技術(shù)

4.1 錨桿支護(hù)作用機(jī)理

（1）錨桿支護(hù)可不同程度提高錨固區(qū)煤巖體強(qiáng)度、彈性模量、粘聚力等力學(xué)參數(shù)，增加圍巖自身承載力。

（2）提高圍巖節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面的強(qiáng)度，保持圍巖的整體強(qiáng)度、完整性與穩(wěn)定性。

（3）對(duì)圍巖施加一定的壓應(yīng)力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖抗拉能力、抗剪能力、屈服強(qiáng)度等。

（4）控制圍巖的離層、滑動(dòng)、張開裂隙等變形與破壞，在錨固區(qū)內(nèi)形成次生承載層，最大限度保持錨固區(qū)圍巖的完整性。

（5）高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力對(duì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)起著決定性作用。

（6）托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件可擴(kuò)大錨桿作用范圍，使載荷趨于均勻，同時(shí)提高護(hù)表能力，共同形成組合支護(hù)系統(tǒng)。

（7）錨索將錨桿形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部穩(wěn)定圍巖相連，使更大范圍內(nèi)的巖體共同承載，提高支護(hù)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

4.2 巷道支護(hù)技術(shù)

冒落帶巖層在煤體上方沿傾向方向彎曲、下沉和斷裂是造成窄煤柱臨空巷道變形破壞失穩(wěn)的力學(xué)根源。如何防止臨空巷道上方的冒落帶巖層斷裂或減緩其彎曲下沉，使巷道始終處于懸臂巖梁的“掩護(hù)”之下，是根本上減輕和控制沿空巷道圍巖變形的重要技術(shù)途徑。為此，深井孤島工作面臨空巷道采用巷內(nèi)錨桿支護(hù)、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強(qiáng)支護(hù)。

（1）巷內(nèi)錨桿支護(hù)。巷道主體采用錨桿支護(hù)，高強(qiáng)螺旋鋼錨桿配高強(qiáng)、高預(yù)應(yīng)力螺母、托盤等，改善圍巖受力狀態(tài)，提高圍巖強(qiáng)度；增加錨桿的長(zhǎng)度、直徑及密度，提高錨桿支護(hù)強(qiáng)度；頂部錨桿使頂板巖層錨固起來，提高頂板的承載力；幫部錨桿加固煤幫，增強(qiáng)煤體的殘余強(qiáng)度和煤幫對(duì)頂板的支護(hù)強(qiáng)度。

（2）巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強(qiáng)支護(hù)。巷道頂部及臨空側(cè)巷幫采用錨索加強(qiáng)支護(hù)，加長(zhǎng)、高預(yù)應(yīng)力錨索可發(fā)揮圍巖的自身承載能力，形成支護(hù)–圍巖共同承載體系；高強(qiáng)度大托板可實(shí)現(xiàn)錨索預(yù)應(yīng)力與工作阻力的有效擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)均壓；頂部錨索將煤體、支護(hù)物與深部頂板相連，充分調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力；幫部錨索進(jìn)一步加強(qiáng)煤幫，不僅減輕巷旁支護(hù)的壓力，同時(shí)提高頂板的穩(wěn)定性。

5 工程實(shí)踐

根據(jù)7121孤島工作面材料道的實(shí)際條件，類比礦井其他巷道支護(hù)方式，參考國(guó)內(nèi)類似條件礦井巷道支護(hù)形式，采用巷內(nèi)錨桿支護(hù)、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強(qiáng)支護(hù)。巷道支護(hù)斷面（見圖3）。

1）巷道斷面形狀為梯形，凈斷面規(guī)格：下凈寬×高（中）＝4500mm×2700mm，凈斷面積12.15m2；掘進(jìn)斷面規(guī)格：掘進(jìn)寬×高（中）＝4700mm×2800mm，掘進(jìn)斷面積13.16m2。巷道采用掘進(jìn)機(jī)沿煤層頂板掘進(jìn)，先打錨桿進(jìn)行支護(hù)，然后補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)。

2）巷道頂部及兩幫采用左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿及相配套的塑性減磨墊圈、等強(qiáng)防松螺母配合Φ12mm鋼筋焊制的托梁及金屬菱形網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。錨桿間排距為700 mm×700mm，外露長(zhǎng)度10～40mm，每根錨桿使用一支CK2350型樹脂藥卷；金屬網(wǎng)規(guī)格為1000mm×8000mm，壓茬寬度100～200mm；金屬托盤規(guī)格：長(zhǎng)×寬×厚＝100 mm×100mm×10mm。頂部錨桿Φ22mm×2400mm，每排布置8根，鋼筋托梁規(guī)格為60mm×5000mm，螺母扭距為200N·m。兩幫為Φ20mm×2000mm的錨桿，鋼筋托梁規(guī)格為60mm×1800mm，每排布置9根錨桿，高幫6根，低幫3根，錨桿垂直巷道輪廓線，底角錨桿水平向下、頂角錨桿水平向上均不大于15°，螺母扭距為150N·m。

3）巷道頂部及臨空側(cè)巷幫采用Φ18.9mm鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)；每根錨索使用1卷CK2350和1卷Z2370樹脂錨固劑，CK2350放在端頭；托盤規(guī)格：300mm×300mm×15mm，錨索外露150～250mm。巷道頂板中線左、右1400mm處各布置一根長(zhǎng)度8250mm預(yù)應(yīng)力錨索，間排距2800mm×2800mm，錨索預(yù)緊力140kN。臨空側(cè)巷幫距離底板1900mm處布置一根長(zhǎng)度為6250mm的錨索，排距2800mm，錨索水平向上與巷道成45°，預(yù)緊力為120kN。

圖3 工作面支護(hù)斷面

6 工作面支護(hù)效果分析

為更好的檢驗(yàn)巷道支護(hù)效果，對(duì)巷道掘進(jìn)和回采期間進(jìn)行礦壓觀測(cè)，觀測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平浚?0m布置一測(cè)站，共布置3組測(cè)站，見圖4。

圖4 巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?/p>

結(jié)果表明：

1）巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平恐饾u增加，變形速率逐漸降低，并慢慢趨于穩(wěn)定。

2）3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)巷道頂?shù)装逡平科骄鶠?5.60mm，變形速率最大為4.97mm／d，最小為0.18mm／d；巷道兩幫移近量平均為95.00mm，變形速率最大為3.83mm／d，最小為0.33mm／d。

3）目前該巷道已掘進(jìn)結(jié)束，巷道變形量較小，現(xiàn)有斷面能夠滿足使用需要。

實(shí)踐證明，該支護(hù)技術(shù)能夠有效控制巷道圍巖變形，具有較好的支護(hù)效果。

7 結(jié)語

1）孤島工作面臨空巷道覆巖形成的弧形三角塊結(jié)構(gòu)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定狀態(tài)和應(yīng)力條件起決定性作用。巷道掘進(jìn)期間，弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向基本未斷裂，對(duì)巷道穩(wěn)定性影響較小；采動(dòng)作用下，弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向發(fā)生斷裂，巷道穩(wěn)定性影響較大。

2）基于錨桿支護(hù)作用機(jī)理，根據(jù)7121孤島工作面材料道的實(shí)際條件，巷道主體采用巷內(nèi)錨桿支護(hù)、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強(qiáng)支護(hù)。

3）實(shí)踐表明，該支護(hù)技術(shù)能夠有效地控制巷道圍巖變形，具有較好的支護(hù)效果，對(duì)礦井安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

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