深井礦壓與采動(dòng)影響巷道支護(hù)研究

包常勝，張 巍

（沈陽(yáng)焦煤股份有限公司紅陽(yáng)三礦，遼寧 沈陽(yáng) 110100）

深井開(kāi)采礦壓?jiǎn)栴}一直是影響礦山開(kāi)發(fā)利用的重要因素，根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)可知，我國(guó)礦業(yè)開(kāi)采深度以8m/年～12m/年速度增加，而東部礦區(qū)的開(kāi)采深度會(huì)達(dá)到10-25m/年，隨著礦井的向下延伸，深井支護(hù)問(wèn)題日益突顯。特別是，深井回采巷道從掘出到工作面回采變形明顯且劇烈，巷道圍巖表現(xiàn)出高地應(yīng)力、高滲透壓、強(qiáng)流變、強(qiáng)烈開(kāi)采擾動(dòng)等，導(dǎo)致深井巷道支護(hù)問(wèn)題成為采礦安全、高效開(kāi)采的關(guān)鍵[1，2]。

井田位于遼河平原東部，井田面積49.11km2，礦井現(xiàn)開(kāi)采深度在785m～1120m之間，最大水平主應(yīng)力達(dá)到37MPa，深井開(kāi)采因此面臨著高地應(yīng)力挑戰(zhàn)，現(xiàn)根據(jù)工程實(shí)例對(duì)深井礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析，并研究相應(yīng)支護(hù)解決辦法。

1 工程概況

試驗(yàn)工程地點(diǎn)選取北二1210-2工作面（1#）運(yùn)輸順槽中部200m段開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，巷道掘進(jìn)期間支護(hù)采用錨桿、金屬網(wǎng)、鋼帶、U型鋼腿聯(lián)合支護(hù)。該段巷道位于上部采空區(qū)遺留煤柱范圍內(nèi)，在工作面回采期間受超前支撐應(yīng)力與上幅煤柱應(yīng)力影響區(qū)，巷道變形較為嚴(yán)重。為提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，減少回采巷道變形，保證工作面的安全高效回采，對(duì)該條回采巷道進(jìn)行礦壓研究和支護(hù)試驗(yàn)。

2 深井巷道礦壓的顯現(xiàn)規(guī)律分析

2.1 回采動(dòng)壓影響應(yīng)力分析

為加強(qiáng)巷道高應(yīng)力影響區(qū)域研究，對(duì)柱體內(nèi)部應(yīng)力變化狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)在北二1210-2工作面（1#）運(yùn)輸順槽軟幫礦層間隔30m布置一組應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，每組兩個(gè)測(cè)點(diǎn)、間距2m，埋設(shè)深度分別為8m、12m，布置長(zhǎng)度隨著回采超前工作面不少于200m。通過(guò)對(duì)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)隨采動(dòng)影響的變化分析，總結(jié)出工作面前方煤體應(yīng)力的變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖1、2。

圖1 運(yùn)輸順槽應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)7-1#

圖2 運(yùn)輸順槽應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)11-1#

通過(guò)分析，在工作面回采期間，隨著采空區(qū)域的不斷擴(kuò)大，采空區(qū)上方巖層垂直應(yīng)力向采場(chǎng)周?chē)鷮?shí)體煤轉(zhuǎn)移，在采空區(qū)四周形成一定范圍的支撐壓力區(qū)，巷道周邊固體礦物由原巖的三向主應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向甚至單向受力，使周邊產(chǎn)生不同程度的破壞，集中應(yīng)力逐漸向煤體深處轉(zhuǎn)移。在開(kāi)采過(guò)程中，回采巷道應(yīng)力升高區(qū)的壓力引起煤體變形，對(duì)巷道維護(hù)及頂板管理有這直接重要的影響。根據(jù)圖1順槽7-1#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值在距工作面100m時(shí)，數(shù)值開(kāi)始上升，在距工作面35m時(shí)達(dá)到峰值；圖2順槽11-1#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值在距工作面120m時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)值開(kāi)始升高，在距工作面20m左右達(dá)到峰值。根據(jù)監(jiān)測(cè)分析，工作面回采期間前方0m至120m為采動(dòng)應(yīng)力影響范圍，其中距工作面20m～35m附近區(qū)域?yàn)閼?yīng)力峰值區(qū)域。

2.2 該段回采巷道礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)

上幅煤層開(kāi)采引起回采空間周?chē)鷰r層應(yīng)力重新分布造成煤柱區(qū)域應(yīng)力集中，應(yīng)力通過(guò)深部巖層傳遞，嚴(yán)重影響下層巷道的穩(wěn)定。從巷道表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，該為減少該段巷道受工作面的超前支撐應(yīng)力及上覆煤柱應(yīng)力疊加影響，巷道潰幫、底鼓明顯，需要對(duì)巷道進(jìn)行擴(kuò)幫、拉底、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3 深井回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

3.1 深井巷道圍巖控制技術(shù)

（1）改善圍巖控制理念，改進(jìn)圍巖支護(hù)技術(shù)，探明覆巖活動(dòng)規(guī)律，避免應(yīng)力過(guò)度集中，減少圍巖變形量，充分發(fā)揮圍巖自承能力的同時(shí)采取必要的卸壓措施，變被動(dòng)防范為主動(dòng)控制，積極維護(hù)巷道的安全穩(wěn)定[3]。

（2）加大對(duì)深部圍巖結(jié)構(gòu)和巖層屬性的勘查力度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)摸清巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本屬性，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供資料參考；巷道支護(hù)過(guò)程中盡量采用聯(lián)合支護(hù)，借助錨桿、錨噴、錨索的錨固作用對(duì)巷道圍巖進(jìn)行定點(diǎn)加固，采用U型鋼、梯形棚、工字鋼等鋼棚支護(hù)對(duì)巷道圍巖的松動(dòng)破壞進(jìn)行二次加固，防止圍巖發(fā)生較大變形，限制圍巖向深層破壞。

（3）由于受地壓的高應(yīng)力、深部工作面采動(dòng)影響作用，深井巷道周?chē)脑瓗r已轉(zhuǎn)化為軟巖狀態(tài)，圍巖變形特征主要表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏看蟆型棚變形嚴(yán)重達(dá)不到支護(hù)效果，巷道整體變形嚴(yán)重。因此，應(yīng)用“開(kāi)窗口”卸壓技術(shù)，利用“先讓后抗”、“先柔后剛”的支護(hù)原理，實(shí)施開(kāi)幫卸壓控制圍巖大變形的應(yīng)力轉(zhuǎn)移新技術(shù)，改善巷道的承壓狀態(tài)，使巷道始終處于零壓狀態(tài)、減壓狀態(tài)。

（4）應(yīng)用恒阻大變形錨索，解決深井巷道受煤柱集中應(yīng)力、回采應(yīng)力等多種應(yīng)力疊加影響的問(wèn)題，可以有效應(yīng)對(duì)巷道頂板變形量大、高應(yīng)力的支護(hù)特點(diǎn)，持續(xù)提供巷道頂板主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度，降低對(duì)兩幫壓力的傳導(dǎo)，同時(shí)配合U型鋼棚等復(fù)合支護(hù)工藝，確保了卸壓后二次支護(hù)期間巷道的正常使用。

3.2 工程試驗(yàn)應(yīng)用

針對(duì)北二1210-2工作面（1#）運(yùn)輸順槽巷道應(yīng)力影響特點(diǎn)，在該段巷道距工作面120m距離前進(jìn)行擴(kuò)幫、拉底等擴(kuò)修施工，為滿足運(yùn)輸順槽綜采設(shè)備移動(dòng)空間要求，擴(kuò)修后巷道達(dá)到斷面5.4m×3.5m，并施工錨桿、恒阻大變形錨索及U鋼可縮梯形棚加強(qiáng)支護(hù)，具體支護(hù)形式如下（見(jiàn)圖3）。

3.2.1 施工幫錨桿

巷道擴(kuò)面翻修后，重新補(bǔ)打幫錨桿加強(qiáng)巷幫支護(hù)。設(shè)計(jì)錨桿選用MSGLD-335/20型?20mm×2.2m的等強(qiáng)錨桿，間距為800mm、排距800mm，錨桿長(zhǎng)度2200mm，每孔增加兩個(gè)錨固劑，錨桿外露長(zhǎng)度為10mm～40mm，保證托盤(pán)緊貼巖壁與煤壁，嚴(yán)禁出現(xiàn)松動(dòng)等情況。

3.2.2 補(bǔ)打頂板恒阻大變形錨索

因試驗(yàn)巷道位于煤柱應(yīng)力影響區(qū)域范圍內(nèi)，工作面回采期間受到采動(dòng)應(yīng)力二次影響，巷道原頂板錨索失效，為加強(qiáng)頂板支護(hù)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)補(bǔ)打恒阻大變形錨索提高支護(hù)強(qiáng)度。設(shè)計(jì)頂板恒阻錨索每排布置三根，排距為1.6m、間距為1.5m。所選用的錨索為21.7×6500mm鋼絞線為7股鋼絲扭制配用20mm厚鐵板加工的托盤(pán)。每根錨索均使用3根錨固劑，預(yù)緊力270kN。允許錨索外露的長(zhǎng)度在250mm以上，在施工結(jié)束后，用擴(kuò)孔鉆頭做擴(kuò)孔施工，設(shè)置擴(kuò)眼長(zhǎng)度0.6m。擴(kuò)孔結(jié)束后安裝錨索，錨固1h以上后將托盤(pán)套在恒阻器上，并使恒阻器通過(guò)外露的錨索線，此時(shí)恒阻器緊緊貼在巖壁上。

3.2.3 掛金屬網(wǎng)

金屬網(wǎng)采用8#鐵線編制成的70mm×80mm網(wǎng)孔，規(guī)格5m×1.1m。網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度在150mm以上，每隔150mm～200mm使用聯(lián)網(wǎng)工具將搭接處兩片金屬網(wǎng)擰緊成扣，且必須擰緊不少于2圈。

3.2.4 架設(shè)U鋼棚

設(shè)計(jì)U鋼棚梁長(zhǎng)度為4600mm，兩節(jié)棚梁的長(zhǎng)度為3m，搭接長(zhǎng)度1400mm，搭接位置用六道卡子固定好。在棚腳位置選擇可伸縮的捧腿，長(zhǎng)度3900mm左右；棚腿搭接長(zhǎng)度為1170mm以上，設(shè)置叉角25%，棚距為1000m。剎幫柈6根、頂柈6根均勻布置，且二層?xùn)陨希緰訋汀⒔禹敚锪荷侠?道距梁端1.5m以內(nèi)。

圖3 北二1210-2（1#）運(yùn)輸順槽翻修支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3.3 巷道變形觀測(cè)情況

本次工程試驗(yàn)擴(kuò)面翻修、支護(hù)完成后，在順槽沿著走向每間隔20m位置設(shè)置一組觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道變形情況進(jìn)行評(píng)估。最終觀測(cè)結(jié)果顯示，巷道表面位移變形量較小，巷道礦壓顯現(xiàn)情況得到有效控制，取得預(yù)期效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從紅陽(yáng)三礦采動(dòng)影響回采巷道礦壓顯現(xiàn)情況分析入手，通過(guò)對(duì)深井回采巷道支護(hù)應(yīng)用試驗(yàn)可知，在采用巷道擴(kuò)面支護(hù)工藝后，巷道變形情況得到顯著改善，是深井高應(yīng)力巷道支護(hù)中的成功案例，對(duì)于其他煤礦相似條件的支護(hù)有一定借鑒意義。