潞寧煤礦24102運輸巷圍巖控制技術優化及應用研究

吳 昊

(山西潞安集團 潞寧煤業公司， 山西 忻州 036000)

潞安集團潞寧煤業有限公司現階段主采侏羅系大同組上部的2#煤，2#煤層結構簡單，中部夾不連續的薄層炭質泥巖夾矸，煤層厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m. 由于該礦井采掘接替緊張，24102運輸巷掘進時其臨近的24101工作面仍在回采中，其掘進受到臨近工作面較為劇烈的動壓影響，掘巷初期圍巖表現出較大的位移現象，需采取適當的措施進行治理。

1 工作面概況

潞寧煤礦24102工作面位于礦田西南部，二四采區三條下山西南側，地面為中低山區，通過地面巡查未發現高壓線塔、房屋等建筑物，只有一條鄉間公路，根據資料分析，預計采掘活動對其影響不大。24102工作面位于井田西南部的二四采區，是二四采區第2個工作面，工作面北部為正在回采的24101工作面，南部為該礦未采動區域，西部為該礦邊界(未采動部分)，東部為該礦二四采區三條下山。24102工作面地面標高+1 498～+1 674 m，工作面標高+1 086～+1 126 m，工作面上部為正在回采的24101工作面，區段煤柱寬度為26 m，工作面位置見圖1. 24102工作面平均走向長度為1 855 m，傾向長236 m(斜長，里邊—里邊)，可采段煤層厚度3.8 m，直接頂為厚度5 m左右的泥巖，基本頂為細粒砂巖，頂底板巖層特征見表1.

表1 頂底板巖性特征表

2 24102運輸巷原有支護方案評價

該礦24102運輸巷采用梯形斷面，巷道寬度為4.5 m，上幫高4.2 m，下幫3.5 m，采用傳統的錨網索支護，頂板錨桿采用d22 mm，長度2.4 m的螺紋鋼錨桿，每排7根，錨桿間排距為850 mm×900 mm，兩幫錨桿規格與頂板錨桿相同，上幫每排4根錨桿，間排距為1 000 mm×900 mm，下幫每排4根錨桿，間排距為950 mm×900 mm，所有錨桿均垂直頂板和兩幫安裝，錨桿預緊力250 N·m. 頂板采用d22 mm，長度7.0 m的鋼絞線錨索，每排3根，錨索間排距為1 800 mm×1 800 mm，垂直巷道頂板安裝，24102運輸巷原有支護方案見圖2a).

圖1 24102工作面位置圖

通過現場圍巖位移觀測得知，24102運輸巷前期掘進過程中，巷道頂底板相對移近量較小，頂板下沉量最大為300 mm，底板底鼓量最大為400 mm，而巷道兩幫的圍巖變形較大，上幫變形最大達1 000 mm，下幫變形最大達800 m，兩幫移近量最大可達1 800 mm左右，巷道兩幫多處出現明顯的網兜現象，頂板個別位置出現了網兜現象。總體來說，24102運輸巷圍巖的位移以兩幫向巷內“平移”為主，圍巖變形示意圖見圖2b).

圖2 24102運輸巷原有支護方案及效果圖

為了解24102運輸巷兩幫煤巖體的破壞特征，在24102運輸巷掘進55 m處，距離巷道底板2.0 m的上幫施工窺視鉆孔[1-2]，鉆孔d30 mm，深度為5.8 m，窺視儀觀察到圍巖內部裂隙的發育情況見圖3. 巷幫破壞程度較大的為深度0～1.2 m，裂隙多為拉伸破壞形成的橫向裂隙，無明顯的縱向裂隙；深度為1.2～2.5 m時，巖體較完整，但是個別位置出現2～3 mm的縱向裂隙；深度大于2.5 m時，巖體表現為無裂隙發育。巷道掘進初期通過水壓致裂地應力測量得知兩幫煤巖體內最大垂直主應力為12.35 MPa.

圖3 24102運輸巷上幫(煤柱幫)圍巖內部結構窺視圖

24102運輸巷圍巖變形的原因：

1) 圍巖應力較大，24101工作面回采后，24102運輸巷掘進的位置處于應力升高區，應力集中系數為2～3. 2) 軟弱煤層堅硬頂板結構。實驗室測定表明，煤層f值為0.8～1.3，直接頂泥巖f值2.5～3.8，基本頂細粒砂巖f值為3.5～4.5，為典型的軟弱煤層硬巖巷道[3]，導致兩幫顯著內移。3) 回采動壓影響。受臨近24101工作面較為強烈的采動影響。4) 支護方式及參數的因素。原有錨桿錨索支護強度不足，預應力較低，未能有效地控制兩幫煤體內松動圈的持續擴大。

3 支護方案優化設計

根據24102運輸巷具體的地質和技術條件，結合“攜頂底，控兩幫”的支護思想，通過提高錨桿錨索的預緊力及在兩幫增加錨索提高兩幫的承載能力。頂板錨桿間排距為850 mm×900 mm，上幫錨桿間排距為1 000 mm×900 mm，下幫錨桿間排距為950 mm×900 mm，錨桿安裝時預緊力加大至不小于400 N·m，頂板和兩幫錨索間排距為1 800 mm×1 800 mm，錨索安裝預緊力應≥300 kN，頂板錨桿間采用由16#圓鋼焊制的鋼筋梯子梁連接，兩幫錨桿和錨索間均采用鋼筋梯子梁配合W鋼護板(長450 mm×寬280 mm×厚5 mm)護幫。24102運輸巷優化后的支護方案見圖4.

圖4 24102運輸巷優化支護方案圖

4 現場應用效果分析

24102運輸巷至掘巷100 m后采用了上述支護方案，為考察優化后支護方案的應用效果，在運輸巷掘進150 m(1#測站)和200 m(2#測站)處分別布置圍巖位移觀測站[4]，對現場監測結果整理見圖5. 24102運輸支護完成后，隨著觀測天數的增大，圍巖的變形速度逐漸較小，最終趨近于零，圍巖的變形主要集中在成巷后的40天內，其中1#測站在成巷25天后圍巖位移量基本穩定，而后圍巖又出現明顯的位移現象，最終在成巷35天后巷道變形量穩定不變；2#測站成巷35天后圍巖位移基本穩定；最終1#、2#測站處兩幫移近量最大分別為306 mm、360 mm，相對于原支護方案的1.8 m減小了約80%，頂底板移近量最大分別為261 mm、265 mm，相對于原支護方案減小約65%，總體來說，24102運輸巷圍巖位移量較小，圍巖變形破壞得到有效控制，能夠滿足為24102工作面服務的要求。

圖5 24102運輸巷圍巖位移觀測結果圖

5 結 論

潞寧煤業24102運輸巷掘進初期圍巖出現位移過大的現象，通過現場監測及理論分析得知，主要原因包括圍巖應力過大、軟弱煤層堅硬頂板結構、回采動壓影響及支護方案不合理，結合“攜頂底，控兩幫”的支護思想，提高整體支護的預緊力，兩幫增加錨索提高支護強度，現場應用后通過圍巖位移監測表明，采用優化的支護方案后，24102運輸巷兩幫移近量最大為360 mm，相對于原支護方案的1.8 m減小了約80%，頂底板移近量最大分別為261 mm、265 mm，相對于原支護方案減小約65%，圍巖的位移量顯著的減小，取得了良好的支護效果。