連采掘進(jìn)巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)探討

郭 鵬

（山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河礦，山西 晉城 048200）

1 工程概況

寺河礦W23052、W23053 掘進(jìn)工作面沿3 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，工作面南為W2305 工作面（未采），北為W2306 工作面（未掘），西為西區(qū)北輔運(yùn)巷/ 北進(jìn)/北回風(fēng)二巷（已掘），見(jiàn)圖1。掘進(jìn)工作面地面標(biāo)高為+580～+750 m，工作面標(biāo)高為+254～+326 m。3號(hào)煤層平均厚度6.3 m，煤層平均傾角7°，條帶狀結(jié)構(gòu)，含夾矸1 層，屬穩(wěn)定型煤層，單巷掘進(jìn)時(shí)的瓦斯絕對(duì)涌出量為1.6 m3/min，具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。W23052、W23053 巷道掘進(jìn)毛斷面寬×高均為5 500 mm×3 800 mm，采用連續(xù)采煤機(jī)割煤成巷； 在W23053 巷割煤達(dá)到循環(huán)進(jìn)度后，調(diào)機(jī)到W23052 巷進(jìn)行割煤，錨桿鉆車(chē)調(diào)機(jī)到W23053 巷支護(hù)，連續(xù)采煤機(jī)在W23052 巷割煤； 待錨桿鉆車(chē)在W23053 巷支護(hù)完畢、連續(xù)采煤機(jī)在W23052 巷割煤達(dá)到循環(huán)進(jìn)度后，連續(xù)采煤機(jī)再調(diào)到W23053 巷，依次交替循環(huán)作業(yè)。

圖1 2305 工作面巷道布置平面

W2305 工作面巷道采用連采連掘技術(shù)能夠大大提高施工進(jìn)度和原煤產(chǎn)量，改善了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，但同時(shí)掘進(jìn)時(shí)兩巷應(yīng)力疊加效應(yīng)較為突出，巷道變形潛在災(zāi)害較為嚴(yán)重，尤其是寺河礦是有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的礦井，對(duì)連采連掘巷道穩(wěn)定性控制提出了更高的要求。

2 連掘巷道群穩(wěn)定性分析

單一巷道開(kāi)挖情況下，由于巷道周?chē)鷰r體承載能力不同，巷道所處的高地應(yīng)力環(huán)境會(huì)使開(kāi)挖后周?chē)鷰r體形成破碎區(qū)、塑性區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，巷道所受垂直應(yīng)力也由里向外呈現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[1-2]。而在多條巷道同時(shí)掘進(jìn)情況下，根據(jù)巷道斷面的不同，可以將巷道群之間應(yīng)力影響分為斷面相同和斷面不同的兩種情況。當(dāng)巷道斷面相同時(shí)（見(jiàn)圖2），不同巷道的應(yīng)力影響半徑相同，圍巖破碎發(fā)育規(guī)律也相似，此時(shí)兩巷道的相互應(yīng)力影響會(huì)受巷道間距控制； 當(dāng)巷道斷面不同時(shí)，小孔徑巷道對(duì)大孔徑巷道的應(yīng)力影響程度有限，應(yīng)力及圍巖破碎范圍為兩巷道各自應(yīng)力影響距離之和[3-4]。

圖2 巷道群開(kāi)掘后應(yīng)力場(chǎng)演變分布

W23052、W23053 巷道屬于同一水平層位，埋深平均為400 m，兩巷道連續(xù)交替開(kāi)挖，很容易產(chǎn)生應(yīng)力疊加現(xiàn)象造成巷道一直在高應(yīng)力區(qū)承載。高應(yīng)力區(qū)一方面會(huì)對(duì)巷道圍巖支護(hù)帶來(lái)困難，另一方面應(yīng)力集中狀態(tài)下交替掘進(jìn)工作會(huì)受到影響，進(jìn)尺無(wú)法得到保證[5]。因此，在對(duì)W23052、W23053 連掘巷道群穩(wěn)定性分析后，兩巷道的支護(hù)方式設(shè)計(jì)與巷道間合理煤柱尺寸留設(shè)成為巷道控制的關(guān)鍵因素。

W23052、W23053 巷道連采連掘過(guò)程中盡量避免巷道應(yīng)力疊加對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的破壞，因此需要在兩巷間留設(shè)足夠?qū)挾让褐ＷC應(yīng)力的均勻分布，以保證工作面和巷道開(kāi)挖后的疊加應(yīng)力不至于太過(guò)集中，見(jiàn)圖3。煤柱留設(shè)寬度的原則是煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，中間部位還存在一定寬度的彈性核區(qū)，按照經(jīng)典煤柱理論計(jì)算公式，同時(shí)考慮留設(shè)安全系數(shù)，W23052、W23053 巷間煤柱留設(shè)寬度應(yīng)達(dá)45 m。

圖3 工作面與巷道開(kāi)挖后的疊加應(yīng)力

3 2305 工作面連采連掘巷道控制技術(shù)

3.1 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

W23052、W23053 巷道采用連采機(jī)掘進(jìn)，掘進(jìn)過(guò)程對(duì)巷道穩(wěn)定控制的要求高，借鑒礦井其他巷道支護(hù)實(shí)際，確定采用強(qiáng)力錨網(wǎng)與錨索聯(lián)合支護(hù)方式，見(jiàn)圖4。頂錨桿桿體為Φ22 mm 螺紋鋼，長(zhǎng)度2 400 mm，型號(hào)為MSGLW-500/22×2400，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑一支規(guī)格為MSK2335、另一支規(guī)格為MSZ2360，鉆孔直徑為30 mm，錨固長(zhǎng)度為1 200 mm。鋼筋托梁采用Φ16 mm 鋼筋，寬度為100 mm。拱形高強(qiáng)度托盤(pán)長(zhǎng)×寬×高為150 mm×150 mm×10 mm。網(wǎng)片孔徑為100 mm×100 mm，規(guī)格為3 000 mm×1 300 mm 的鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)片之間相互搭接100 mm。頂錨桿排距為1 000 mm，每排6 根，間距1 000 mm，靠近巷幫的頂錨桿距巷幫250 mm，安設(shè)角度與巷道豎直線成10°（向外），其它與頂板垂直。

圖4 缺圖名？

頂錨索采用Φ22 mm 的單根鋼絞線，長(zhǎng)度7 300 mm，型號(hào)為SKP22-1/1720-7.3；樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用三支錨固劑一支規(guī)格為MSK2335、另兩支規(guī)格為MSZ2360；鉆孔直徑為30 mm，錨固長(zhǎng)度為1 970 mm。拱型高強(qiáng)度調(diào)心金屬托盤(pán)長(zhǎng)×寬×厚×孔直徑為300 mm×300 mm×16 mm×26 mm。頂錨索間距為2 000 mm，距幫1 750 mm，錨索每排2 根，排距2 000 mm，與頂板垂直布置。

巷幫錨桿采用桿體為Φ22 mm 螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度2 000 mm，型號(hào)為MSGLW-500/22×2000；采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為MSK2335、另一支規(guī)格為MSZ2360；鉆孔直徑為30 mm，錨固長(zhǎng)度為1 200 mm，巷幫排距為1 000 mm，每幫一排四根。幫錨桿間距為1 000 mm，靠近頂上的一根幫錨桿距頂板200 mm，起錨高度600 mm，超過(guò)900 mm 時(shí)必須補(bǔ)打一根幫錨桿。靠近頂板的巷幫錨桿，安設(shè)角度與巷道水平線成10°角向上，其它與巷幫垂直。

3.2 巷道支護(hù)作業(yè)實(shí)施流程

頂部和幫部的錨桿、錨索均采用CMM4-25 煤礦液壓鉆車(chē)機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)。作業(yè)之前先進(jìn)行敲幫問(wèn)頂，采用臨時(shí)支護(hù)架與頂板實(shí)現(xiàn)面接觸，緊接著進(jìn)行掛網(wǎng)和鋼帶，并按照設(shè)計(jì)方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)；預(yù)定好鉆孔位置后鉆進(jìn)至預(yù)定孔深，并保證鉆孔角度，到位后開(kāi)大水量進(jìn)行沖孔作業(yè)。鉆孔形成后，按先后順序放置樹(shù)脂藥卷，錨桿桿體套上托板、半球體和墊片并擰上螺母，桿尾通過(guò)螺母銷(xiāo)、攪拌器與液壓鉆車(chē)連接，桿端插入已裝好樹(shù)脂藥卷的鉆孔中，升起液壓鉆車(chē)，將孔口處的藥卷送入孔底，利用液壓鉆車(chē)攪拌樹(shù)脂藥卷。

施工過(guò)程中，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：錨桿（索）眼方向與層面夾角嚴(yán)格按設(shè)計(jì)角度布置；采用標(biāo)尺和基準(zhǔn)線標(biāo)定錨桿（索）眼位置，頂錨桿（索）孔打眼采用濕式打眼；18#鐵絲雙股對(duì)折后扭結(jié)聯(lián)網(wǎng)，不同網(wǎng)片（金屬網(wǎng)、塑料網(wǎng)）或相同網(wǎng)片之間相互搭接100 mm左右，鋼筋網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)搭接處需彎勾，搭接處用雙股18#鐵絲按不大于100 mm 的間隔相互搭接聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)時(shí)每匝不少于3 圈，每米不少于10 道；發(fā)現(xiàn)頂板存在夾矸或易風(fēng)化軟巖時(shí)，必須將夾矸、軟巖采取噴漿措施；巷道在掘進(jìn)過(guò)程中如出現(xiàn)冒頂?shù)惹闆r頂板使用鋼筋網(wǎng)支護(hù)困難時(shí)可使用鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨索施工時(shí)托盤(pán)下必須壓鋼筋網(wǎng)以保證后期留巷施工，當(dāng)巷道條件正常后，及時(shí)恢復(fù)為鋼筋網(wǎng)支護(hù)。

4 巷道穩(wěn)定性控制效果分析

在W23052、W23053 巷道各布置一組測(cè)站對(duì)圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，圍巖表面位移監(jiān)測(cè)周期為45 d，頂板離層監(jiān)測(cè)周期為120 d，W23052 巷道具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。由圖5監(jiān)測(cè)曲線可知：巷道圍巖兩幫最大移近量為22 mm，為初始巷道兩幫寬度的0.40%，頂?shù)装遄畲笠平繛?1 mm，為巷道初始高度的0.55%，其中，頂板下沉量為9 mm，底鼓量為12 mm，底鼓量占頂?shù)卓傄平康?7%；監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，測(cè)站處淺部離層為0，深部離層為5 mm，總離層值為5 mm。總體來(lái)看，整個(gè)掘進(jìn)期間內(nèi)兩巷道變形量較小，圍巖保持了較好的完整性，說(shuō)明錨網(wǎng)與錨索強(qiáng)力支護(hù)和煤柱留設(shè)寬度能夠最大程度地減少巷道應(yīng)力影響，減少巷道斷面變形量，保證巷道服務(wù)期間的安全穩(wěn)定。

圖5 巷道圍巖監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)語(yǔ)

連采掘進(jìn)巷道容易受巷道掘進(jìn)應(yīng)力疊加影響，影響程度與巷道半徑和巷間距離有關(guān)。在考慮工作面開(kāi)采和巷道開(kāi)挖的雙重作用下，確定巷間煤柱合理留設(shè)寬度為45 m，并且采用強(qiáng)力錨網(wǎng)與錨索聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。在W23052、W23053 巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，兩巷道圍巖變形范圍占巷道斷面比例很小，錨網(wǎng)與錨索受力較穩(wěn)定，能很好地保證巷道服務(wù)礦井的正常安全生產(chǎn)。