錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在深部窄煤柱大斷面沿空掘巷中的應(yīng)用

王 逵

(中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司 門克慶煤礦,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017399)

中天合創(chuàng)門克慶煤礦是一座產(chǎn)能8 Mt/a的大型礦井。礦井當(dāng)前主采3-1煤層,埋深平均692 m,井下回采巷道為窄煤柱沿空單巷布置。窄煤柱沿空掘巷由于靠近相鄰面采空區(qū),處于復(fù)雜的礦壓環(huán)境中,施工期間受動(dòng)載擾動(dòng)和采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力雙重疊加影響,巷幫易破碎、片幫,增加了巷道跨度和懸頂距,導(dǎo)致巷道壓力增大、維護(hù)困難。因此,選擇科學(xué)合理的支護(hù)方案,是窄煤柱沿空巷道安全施工的前提和保障。

1 工程概況

3106工作面回風(fēng)巷為門克慶煤礦首個(gè)窄煤柱沿空巷道,相鄰3104工作面采空區(qū)。該采面為3-1煤南翼首采面,面長(zhǎng)320 m,設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度2934 m,開采煤厚平均5.1 m,直接頂為平均厚度7.8 m的細(xì)砂巖或砂質(zhì)泥巖,直接頂上方賦存平均厚度為25.8 m的砂巖互層。3104工作面采完后,沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn)3106工作面回風(fēng)巷(見圖1),煤柱留設(shè)寬度6 m,沿空巷道矩形斷面,設(shè)計(jì)寬5.4 m×高4 m,沿煤層底板掘進(jìn),掘錨工藝施工。

圖1 3106工作面回風(fēng)巷巷道布置設(shè)計(jì)平面

2 窄煤柱沿空巷道圍巖控制特點(diǎn)分析

1) 臨空煤巖體受到頂板多次采動(dòng)影響,裂隙大量發(fā)育,圍巖強(qiáng)度損傷嚴(yán)重,導(dǎo)致承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能下降、錨固力不穩(wěn)、支護(hù)阻力被裂隙阻隔,對(duì)比常規(guī)巷道支護(hù)效率下降。

2) 采空區(qū)側(cè)向殘留應(yīng)力存在低值應(yīng)力區(qū)和高值應(yīng)力區(qū),而低值應(yīng)力區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道,將造成高值應(yīng)力重新分布,加之掘進(jìn)期間圍巖應(yīng)力擾動(dòng)的二次疊加,給巷道支護(hù)造成困難。

3) 受采空區(qū)側(cè)向頂板巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)影響,窄煤柱沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)相比普通巷道明顯強(qiáng)烈,巷道維控難。

3 窄煤柱沿空巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)作為一種適用范圍廣、支護(hù)強(qiáng)度高的主動(dòng)性支護(hù)技術(shù),其常用的技術(shù)理論為懸吊理論和組合梁理論。實(shí)踐應(yīng)用中,通過錨桿(索)的伸縮性來控制和適應(yīng)圍巖變形,同時(shí)發(fā)揮了圍巖的自承載力,具有適應(yīng)圍巖壓力、分散圍巖受力,以及提升加固效果的特點(diǎn)。因此,支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),必須從材料選擇、間排距設(shè)計(jì)、支護(hù)強(qiáng)度、安裝工藝等方面綜合考慮,以保證其支護(hù)效果。

1) 頂板支護(hù)設(shè)計(jì)。每排4根φ21.8 mm×4300 mm柔性頂錨桿,垂直頂板布置,間距按頂錨桿機(jī)位置設(shè)計(jì),兩邊柔性錨桿間距為1057 mm,中間柔性錨桿間距為1986 mm,排距為1000 mm;頂板中間補(bǔ)強(qiáng)錨索采用氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)施工,錨索φ21.8 mm×7300 mm,按照1-0-0-0-1的方式垂直布置在2排柔性錨桿之間,排距3000 mm;每隔兩排柔性頂錨桿施工4根φ21.8 mm×7300 mm錨索,間距與柔性頂錨桿一致,排距3000 mm;錨桿(錨索)預(yù)緊力不小于200 kN;錨桿(錨索)托盤為300 mm×300 mm×20 mm拱形托盤。

2) 窄煤柱幫部支護(hù)設(shè)計(jì)。采用單排聯(lián)合支護(hù),優(yōu)點(diǎn)是減少了錨桿+錨索交叉支護(hù)需要后退掘錨機(jī)支護(hù)幫錨索的環(huán)節(jié),縮短支護(hù)時(shí)間,提高支護(hù)效率,每排3根φ22 mm×2800 mm螺紋鋼錨桿+2根φ21.8 mm×4300 mm短錨索,間排距800 mm×1000 mm,錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm,每個(gè)托盤下方加裝280 mm×400 mm×4 mm的W型鋼帶護(hù)板,增大護(hù)幫表面積,減少幫部破碎對(duì)支護(hù)的影響。

3) 回采幫支護(hù)設(shè)計(jì)。采用一排純錨桿與一排錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式布置,即第一排為5根φ22 mm×2800 mm螺紋鋼錨桿,第二排同窄煤柱幫錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù),按照“純錨桿-聯(lián)合支護(hù)-純錨桿-聯(lián)合支護(hù)”的方式依次類推。具體支護(hù)設(shè)計(jì)見圖2—5.

圖2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面

圖3 巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)平面

圖4 巷道煤柱幫支護(hù)設(shè)計(jì)剖面

圖5 巷道回采幫支護(hù)設(shè)計(jì)剖面

4 窄煤柱沿空巷道支護(hù)效果分析

為研究錨網(wǎng)索支護(hù)在窄煤柱沿空掘巷的應(yīng)用效果,形成深部疊加應(yīng)力擾動(dòng)條件下窄煤柱沿空巷道圍巖控制技術(shù)體系,對(duì)窄煤柱沿空掘巷施工期間礦壓進(jìn)行觀測(cè)分析,巷道礦壓觀測(cè)主要內(nèi)容為巷道表面位移和頂板離層。測(cè)點(diǎn)布置方案:自迎頭位置開始每8 m間距布置一處表面位移、頂板離層綜合測(cè)站,共布置5組。

4.1 巷道圍巖監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

1) 2#、3#、5#測(cè)站兩幫移近量見圖6. 由圖6可知,2#、3#、5#測(cè)站窄煤柱側(cè)幫、實(shí)體煤幫移近量趨勢(shì)相近,在距迎頭140 m時(shí)均已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),2#、3#、5#測(cè)站窄煤柱側(cè)幫移近量穩(wěn)定值分別是實(shí)體煤幫的106.52%、88.09%、107.14%.

圖6 2#、3#、5#測(cè)站兩幫移近量

2) 1#、4#測(cè)站兩幫移近量見圖7. 由圖7可知,1#、4#測(cè)站兩幫移近量曲線呈現(xiàn)出明顯差別,窄煤柱側(cè)幫移近量穩(wěn)定值分別是實(shí)體煤幫的209.09%、194.45%.

圖7 1#、4#測(cè)站兩幫移近量

3) 1#、2#、3#、4#、5#測(cè)站頂板下沉量見圖8. 由圖8可知,1#、2#、3#、4#和5#測(cè)站分別在距迎頭140 m、140 m、110 m、110 m及80 m時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定時(shí)下沉量分別為43 mm、60 mm、35 mm、69 mm、48 mm,占巷高比分別為1.02%、1.4%、0.83%、1.6%及1.1%.

圖8 1#、2#、3#、4#、5#測(cè)站頂板下沉量

4) 總體上,80%的巷段窄煤柱幫變形量大于實(shí)體煤幫,其中40%巷段窄煤柱幫變形量可達(dá)實(shí)體煤幫的2倍。

5) 上述變形規(guī)律符合窄煤柱沿空掘巷的結(jié)構(gòu)特征,主要原因:采空區(qū)側(cè)向頂板下沉對(duì)窄煤柱施加了較大壓力;窄煤柱承壓期間,裂隙發(fā)育、強(qiáng)度降低;窄煤柱易受采空區(qū)積水的影響。

6) 這種差異化變形特征的啟示:窄煤柱幫和實(shí)體煤幫應(yīng)采取差異化支護(hù)。在上區(qū)段工作面開采時(shí),可提前對(duì)煤柱幫進(jìn)行必要的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)以加固圍巖,提高煤柱承載能力;上區(qū)段回采時(shí),可提前對(duì)側(cè)向頂板預(yù)裂卸壓;必要時(shí),可對(duì)窄煤柱進(jìn)行注漿加固。

4.2 頂板離層監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

頂板離層儀淺基點(diǎn)安裝深度為1.5 m,深基點(diǎn)安裝深度為8.0 m.

距巷道開口121 m處測(cè)站頂板離層儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,該測(cè)站淺基點(diǎn)為0 mm,深基點(diǎn)在巷道空間開挖至距迎頭15 m時(shí)增長(zhǎng)至10 mm,開挖至距迎頭30 m處時(shí)增長(zhǎng)至20 mm,開挖至距迎頭58 m處時(shí)增長(zhǎng)至25 mm,距迎頭67 m處時(shí)增長(zhǎng)至0 mm,距迎頭118 m處時(shí)增長(zhǎng)至50 mm. 說明該處頂板1.5～8 m累計(jì)發(fā)生50 mm離層,而1.5 m以淺未監(jiān)測(cè)到離層。

距巷道開口129 m處測(cè)站頂板離層儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,該測(cè)站深基點(diǎn)示數(shù)保持為0 mm,淺基點(diǎn)示數(shù)在巷道空間開挖至45～71 m時(shí)從0 mm增長(zhǎng)至20 mm,而后保持在20 mm. 該監(jiān)測(cè)值不具有代表性,考慮基爪的抓力不足,深基點(diǎn)未監(jiān)測(cè)到合理數(shù)值。

距巷道開口169 m處測(cè)站頂板離層儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,該測(cè)站深基點(diǎn)在巷道空間開挖至距迎頭0～19 m時(shí)從0 mm增長(zhǎng)至10 mm,而后保持在10 mm. 淺基點(diǎn)在巷道空間開挖至距迎頭0～19 m時(shí)從0 mm增長(zhǎng)至10 mm,與深基點(diǎn)保持同步,開挖至距迎頭23～59 m時(shí)從10 mm增長(zhǎng)至20 mm,而后保持在20 mm.

總體來看,有1處測(cè)站離層發(fā)生在1.5 m以淺、數(shù)值為10 mm,有1處測(cè)站離層發(fā)生在1.5～8 m,累計(jì)離層量50 mm,在可控范圍之內(nèi)。頂板離層觀測(cè)結(jié)果表明,錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)在控制窄煤柱沿空巷道掘進(jìn)中應(yīng)用效果良好,頂板柔性錨桿能有效控制淺部圍巖離層的發(fā)育與擴(kuò)展。

4.3 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益分析

1) 經(jīng)濟(jì)效益。3106窄煤柱綜采工作面自2021年9月開始回采直至回采完畢,累計(jì)推采長(zhǎng)度為2934 m,與原預(yù)留35 m寬煤柱開采相比,預(yù)計(jì)新增經(jīng)濟(jì)效益1.02億元。

2) 社會(huì)效益。窄煤柱沿空掘進(jìn)能夠大幅度縮小區(qū)段煤柱寬度,提高煤炭采出率;通過錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案的科學(xué)設(shè)計(jì)及應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定可控。

5 結(jié) 語

1) 受圍巖特征和應(yīng)力環(huán)境分布的差異性影響,窄煤柱沿空掘巷施工面臨幫部破碎、錨固難度大等技術(shù)難點(diǎn),依據(jù)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論和控制原則,提出控制窄煤柱沿空掘巷巷道變形關(guān)鍵技術(shù):高預(yù)應(yīng)力是控制巷道變形的基礎(chǔ),控制兩幫圍巖變形是關(guān)鍵,通過采取“高強(qiáng)度柔性頂錨桿控頂+非對(duì)稱式幫部錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)護(hù)幫”的支護(hù)方式,保證了沿空巷道的整體穩(wěn)定性。

2) 工程實(shí)踐表明,采用錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)能充分體現(xiàn)錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)的主動(dòng)作用,發(fā)揮了較高的耦合支護(hù)性能,及時(shí)有力地抑制了巷道淺部破碎圍巖的有害變形,同時(shí)有效防止了破碎圍巖向深部發(fā)展,提高了深部圍巖的自承能力,成功解決了窄煤柱動(dòng)壓掘進(jìn)巷道支護(hù)難題,巷道整體支護(hù)效果良好。