采掘交鋒時5214軌道巷圍巖穩定性控制技術研究

魯曉斐

(大同煤礦集團 燕子山礦，山西 大同 037037)

經過幾十年的發展，我國的煤炭開采技術得到了長足進步，越來越多的礦井逐漸向集約化生產轉變[1-2]。在此轉變過程中不可避免地面臨著諸多問題，其中最為典型的是如何在采掘交鋒下有效減少掘進巷道受鄰近工作面的采動影響，有關學者對此進行了研究，并提出相應的圍巖穩定性控制措施[3-5]。

大同煤礦集團燕子山礦5214軌道巷和8216工作面在生產過程中存在著采掘交鋒的情況，且5214軌道巷和8216工作面之間的間距僅為35 m，該巷受采動影響較大，圍巖受力復雜，在采掘交鋒時若不采取任何控制措施，則存在著較高的安全隱患。因此在采掘交鋒時對5214軌道巷制定合理有效的控制措施成為當前該礦急需解決的首要任務。

1 工程概況

5214軌道巷和8216工作面位于燕子山礦3號煤層302盤區，該煤層傾角約為2°，平均厚度為5.3 m，系全區穩定可采煤層。其中5214軌道巷埋深450 m，為矩形巷道，巷寬4 m，巷高3.3 m，斷面積為13.2 m2，從盤區軌道巷開口，沿頂板掘進，巷道走向長度為2 490 m。支護方案為：頂板采用D20 mm、L2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，共布置6根，間排距900 mm×1 000 mm，頂板兩側角錨桿呈60°布置；錨索采用D17.8 mm、L7 000 mm的低松弛鋼絞線，每排布置2根，分別位于距巷道中線左右兩側1 000 mm處，排距為2 000 mm。兩幫錨桿采用D18 mm、L1 700 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置3根，上排距頂板600 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm。錨桿所施加的預緊力為45 kN，并采用一支MSCKa2360型樹脂藥卷進行錨固，錨索所施加的預緊力為125 kN，采用一支MSCKa2360、一支MSZ2360型樹脂藥卷對其進行錨固，巷道斷面支護如圖1所示。5214軌道巷進巷右側為8216工作面，該工作面傾向長200m，走向長2 100 m。

圖1 5214巷道斷面支護(mm)

2 5214軌道巷在掘進過程中面臨的問題

為了提高生產效率，加快采掘銜接，5214軌道巷和8216工作面存在著采掘交鋒的情況，采掘交鋒所引起的動壓疊加現象會嚴重影響工作面和掘進巷道的圍巖穩定性，特別是5214軌道巷受鄰近工作面采動影響較大，若不采取相應的控制措施保證其能夠順利的通過壓力區，必然會造成嚴重的安全隱患。

3 巷道圍巖原位探測

3.1 5214軌道巷頂底板巖層物理力學參數測試

掌握5214軌道巷頂底板巖層的賦存情況以及各巖層的圍巖物理力學參數對于制定圍巖控制措施具有重要意義。故在5214軌道巷頂底板選取合適的位置打鉆取芯并將所取巖芯密封后帶回實驗室，使用巖石力學試驗機對其物理力學參數進行測試，測試結果見表1。

表1 巷道頂底板圍巖賦存狀況及力學參數統計

從表1可以看出，3號煤層厚度較厚且強度偏低，5214軌道巷的偽頂為炭質泥巖，該巖層的厚度僅為0.8 m；直接頂為3.6 m的細粒砂巖和2.9 m的粉砂巖，這兩層圍巖的完整性相對較好，具有較高的強度；老頂為18.6 m厚的高嶺巖。直接底為6.85 m的粉砂巖。

測試結果表明，5214巷頂板圍巖強度整體偏高，而兩幫為煤體強度偏低，易受到8216工作面的采動影響，從而造成對頂板的支撐能力出現一定程度的下降。

3.2 巷道右幫窺視結果分析

5214軌道巷右幫靠近8216工作面，在采掘交鋒時右幫所受的采動影響較大，為了對采掘交鋒時巷道圍巖控制措施的制定提供一定的依據，在工作面和掘進面相距200 m時，在5214軌道巷右幫選取合適的位置布置窺視鉆孔，對其圍巖內部破碎狀況以及裂隙發育情況進行窺視，窺視結果如圖2所示。

從圖2可以看出，窺視孔1.4 m深處圍巖較為破碎，2.2 m深處裂隙比較發育且張開度較大，2.4 m深處以上圍巖完整性較好。而在原支護方案中幫部錨桿的長度僅為1.7 m，錨固基礎較差，在較強的采動影響下難以保障巷道圍巖的穩定性。

圖2 鉆孔窺視結果

4 采掘交鋒時5214軌道巷圍巖穩定性控制措施

5214軌道巷和8216工作面間距較小，且該巷道幫部為煤體，距巷幫0～2 m深處范圍內的圍巖破碎嚴重，煤層整體強度偏低，若掘進面和工作面強行交鋒，則會引起一定程度的應力疊加，同時5214軌道巷受強烈的采動影響，圍巖穩定性必然會出現一定程度的下降，為了避免在采掘交鋒時發生重大的安全事故，保證其順利交鋒，根據圍巖原位測試結果，提出如下治理措施。

1) 為了保證巷道在掘進期間能夠順利通過壓力區，并使工作面和掘進巷道的圍巖應力得到一定程度的釋放，在5214軌道巷掘進面位于8216工作面前方60 m時開始對5214軌道巷進行加強支護，同時巷道的掘進速度由原來的8 m/d降低至4 m/d。

2) 為了防止5214軌道巷和8216工作面之間的壓力區進一步疊加，當交鋒剩余30 m時5214巷停止掘進，工作面的推進速度由5 m/d降至3 m/d。

3) 交鋒完畢且5214軌道巷掘進面位于工作面后方20 m時方可恢復掘進，掘進速度仍保持4 m/d，巷道圍巖采用加強支護對其進行控制。

4) 當5214軌道巷掘進面位于8216工作面后方60 m時，掘進速度恢復至原來的8 m/d并一直保持到巷道掘進完畢，工作面的推進速度恢復為5 m/d，由于5214軌道巷使用時間較長，在此過程中仍采用加強支護的方式對其進行支護。

對5214軌道巷進行加強支護的措施主要為：

1) 頂板錨桿在原方案的基礎上將其排距縮小為900 mm，預緊力由原來的45 kN提高至60 kN，頂板錨索的布置方式改為在巷中心處布置一根，距巷中心左右兩側1 400 mm處分別布置一根，排距改為900 mm，預緊力則由125 kN提高至160 kN。

2) 為了對巷幫0～2 m范圍內的圍巖進行加強控制，幫部錨桿在原方案的基礎上將其全部更換為D20 mm×L2 400 mm規格，排距縮小為900 mm，同時兩幫各布置一根3.5 m長的錨索，距頂板1 500 mm，排距900 mm，幫部錨桿(索)所施加的預緊力與加強支護后頂板錨桿(索)所施加的預緊力一致，圖3為加強支護后的巷道斷面。

圖3 加強支護后的巷道斷面(mm)

5 圍巖控制效果

5214軌道巷掘進面位于8216工作面前方60 m時開始實施加固措施，同時在掘進面后方3 m處布置測站，對5214巷的圍巖變形進行為期30 d的現場監測，監測結果如圖4所示。

從圖4可以看出，在監測期間的第17 d工作面通過測站，在第1 d～14 d期間，測站圍巖變形較小，從第14 d開始測站圍巖受采動影響變形量開始增大，并一直持續到20 d后，圍巖變形開始減緩并逐漸趨于平穩。最終頂板下沉量和兩幫移近量分別為81 mm和114 mm，兩幫移近量略大于頂板下沉量，同時在采掘交鋒時以及采掘交鋒后5214軌道巷掘進面并未發生明顯變形，上述結果顯示，采取加強支護后巷道圍巖穩定性較好，可以有效保證礦井的正常安全生產。