木瓜煤礦堅(jiān)硬頂板下輔助運(yùn)輸巷圍巖控制技術(shù)研究

樊子祿

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

煤炭作為支撐我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的主要消費(fèi)能源之一，其高效安全回采至關(guān)重要。我國(guó)煤礦一般以井工開采為主，需要掘進(jìn)大量巷道，由于地下巖層賦存環(huán)境復(fù)雜多變，保證服務(wù)期內(nèi)巷道圍巖的穩(wěn)定控制成為諸多專家學(xué)者研究的熱題[1-3]。目前較為成熟的圍巖控制理論包括懸吊理論、組合梁理論、壓縮拱理論以及圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論等。在諸多理論假說(shuō)的支撐下形成了錨桿支護(hù)、注漿支護(hù)、架棚支護(hù)為主的圍巖控制技術(shù)[4-5]。其中錨桿支護(hù)具有施工速度快、材料成本低、圍巖控制效果好等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用到全國(guó)大中小礦井，其還可與錨索、注漿等支護(hù)工藝形成錨注、錨網(wǎng)索等聯(lián)合控制技術(shù)，進(jìn)一步豐富了巷道圍巖控制理論和技術(shù)[6-7]。

1 工程概況

木瓜煤礦南區(qū)左翼下組煤輔助運(yùn)輸巷從集中大巷末端后216 m 處開口，位于采區(qū)中部，沿東西方向布置，開口穿層見(jiàn)9#煤頂板后沿煤層頂板掘進(jìn)。巷道服務(wù)于整個(gè)南擴(kuò)區(qū)，位于南區(qū)集中開拓大巷東側(cè)。工作面以北35 m 為左翼下組煤皮帶巷，以北70 m 為下組煤回風(fēng)巷。巷道布置在石炭系下統(tǒng)太原組的9#、10#煤層中，煤巖層賦存較穩(wěn)定，頂板均為石灰?guī)r，平均厚度為19.7 m，底板為砂質(zhì)泥巖，厚度為0.8～2.6 m。9#煤層厚度為2.2～3.8 m，10#煤層厚度為1.4～1.8 m，9#煤與10#煤層夾矸厚度為0.3～1.0 m。巷道所穿煤巖層情況見(jiàn)表1。

表1 巷道所穿煤巖層情況

2 堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)

2.1 堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制思路

基于試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件，提出適用于南區(qū)左翼下組煤輔助運(yùn)輸巷的圍巖控制思路，具體如下：（1）高預(yù)緊力及時(shí)主動(dòng)控制。試驗(yàn)巷道掘出后，極易出現(xiàn)擴(kuò)容變形現(xiàn)象，及時(shí)采用高預(yù)緊力錨桿（索）形成主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，避免巷道初掘后表層巖體碎脹擴(kuò)容造成巷道圍巖控制困難；（2）充分發(fā)揮圍巖巖層承載能力。試驗(yàn)巷道大部分區(qū)域沿9#煤層頂板掘進(jìn)，其頂板巖層為19.76 m 厚的二疊系石灰?guī)r，性質(zhì)堅(jiān)硬，中厚層狀分布，具備良好的承載性能。在設(shè)計(jì)巷道圍巖控制技術(shù)時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮其本身承載能力，促使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖形成整體承載體，實(shí)現(xiàn)支護(hù)圍巖協(xié)同承載，改善巷道圍巖條件。

2.2 堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)

試驗(yàn)巷道掘進(jìn)寬度為5700 mm，掘進(jìn)高度為4200 mm，如圖1 所示，具體支護(hù)參數(shù)如下：

圖1 試驗(yàn)巷道支護(hù)斷面圖

（1）頂錨桿參數(shù)：“七·七”布置，間排距為880 mm×1000 mm，靠近幫部的兩根錨桿與頂板呈75°夾角布置，其余垂直于頂板布置；錨桿規(guī)格均為Φ20 mm×L2500 mm 左旋螺紋鋼錨桿，頂錨桿預(yù)緊扭矩不低于280 N·m。

（2）幫錨桿參數(shù)：兩幫采用“五·五”布置，間排距為900 mm×1000 mm，靠近底板的一根錨桿與頂板方向呈20°夾角布置，其余垂直于幫部布置，錨桿規(guī)格均為Φ18 mm×L2000 mm 左旋螺紋鋼錨桿，幫錨桿預(yù)緊扭矩不低于200 N·m。

（3）頂錨索參數(shù)：采用“二·二”布置，間排距為2500 mm×3000 mm，頂錨索規(guī)格型號(hào)為Φ18.9 mm×L6200 mm 的鋼絞線，錨索托板采用300 mm×300 mm×16 mm 鋼板，錨索預(yù)緊力不低于180 kN。

（4）錨固劑參數(shù)：頂、幫錨桿孔均充填CK2340 及Z2360 樹脂錨固劑各一條；錨索孔充填CK2340 及Z2360 樹脂錨固劑各兩條。

（5）金屬網(wǎng)參數(shù)：頂、幫網(wǎng)采用規(guī)格為2000 mm×1050 mm 和1000 mm×1050 mm 的鋼筋片網(wǎng)（長(zhǎng)×寬），網(wǎng)孔規(guī)格為80 mm×80 mm。

（6）錨梁參數(shù)：頂幫錨梁全部采用Φ12 mm的鋼筋焊接而成的雙筋梯子梁，錨桿正常布置時(shí)頂錨梁長(zhǎng)度為5.5 m（7 孔，孔距880 mm）；兩幫錨梁長(zhǎng)度為3.8 m（5 孔，孔距900 mm）。

（7）墊片參數(shù)：頂幫錨桿托盤全部采用沖擊蝶形墊片，頂錨桿（索）墊片規(guī)格均為130 mm×8 mm×22.5 mm；幫錨桿墊片規(guī)格為130 mm×8 mm×20.5 mm。

3 圍巖控制效果分析

將開發(fā)的堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)應(yīng)用于南區(qū)左翼下組煤輔助運(yùn)輸巷，采用十字測(cè)試法監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r移近情況，圖2 給出了試驗(yàn)巷道掘進(jìn)90 d 內(nèi)巷道圍巖移近情況。巷道掘進(jìn)期間，圍巖變形主要發(fā)生在試驗(yàn)巷道掘巷初期40 d 內(nèi)。該階段內(nèi)頂?shù)装鍘r層累計(jì)移近量約為119 mm，移近速度約為3.0 mm/d，兩幫圍巖累計(jì)移近量約為86 mm，移近速度約為2.15 mm/d。試驗(yàn)巷道掘巷40～65 d 內(nèi)，巷道變形速度減緩。該階段頂?shù)装鍘r層累計(jì)移近量約50 mm，移近速度約1.25 mm/d，兩幫圍巖累計(jì)移近量約為32 mm，移近速度約為0.8 mm/d。此時(shí)巷道頂?shù)装鍘r層最大移近量約169 mm，兩幫圍巖最大移近量約為116 mm。試驗(yàn)巷道掘巷65 d 后，巷道變形逐漸趨于穩(wěn)定。該階段內(nèi)頂?shù)装鍘r層和兩幫圍巖移近速度小于0.5 mm/d。此時(shí)巷道頂?shù)装鍘r層最大移近量約為175 mm，兩幫圍巖最大移近量約為122 mm。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察結(jié)果顯示：試驗(yàn)巷道未發(fā)生明顯的片幫、冒頂?shù)却笞冃维F(xiàn)象，且巷道整體變形均在可控范圍內(nèi)，變形后的巷道斷面尺寸滿足服務(wù)需求，證明了木瓜煤礦堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。

圖2 試驗(yàn)巷道掘進(jìn)90 d 內(nèi)巷道圍巖移近情況

4 結(jié)論

錨桿支護(hù)具有施工速度快、材料成本低、圍巖控制效果好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大中小礦井巷道支護(hù)。以木瓜煤礦南區(qū)左翼下組煤輔助運(yùn)輸巷賦存堅(jiān)硬頂板為工程背景，提出了以高預(yù)緊力及時(shí)主動(dòng)控制和充分發(fā)揮圍巖巖層承載能力為核心的堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制思路，基于此，開發(fā)了木瓜煤礦堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)。該技術(shù)以高強(qiáng)度、高預(yù)緊力錨桿索為核心，配以鋼筋梯子梁、金屬網(wǎng)，形成錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。技術(shù)應(yīng)用后，監(jiān)測(cè)了巷道圍巖移近情況，證明了堅(jiān)硬頂板下圍巖控制技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。