四盤區(qū)巷道松軟厚煤層巷道圍巖大變形控制關(guān)鍵技術(shù)研究

暴斌

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

0 引 言

松軟、破碎煤巖體圍巖控制問題一直是煤礦生產(chǎn)面臨的重大難題。隨著開采深度的增加，圍巖應(yīng)力增大，煤巖體表現(xiàn)出軟巖的特性，圍巖控制越來越困難[4]。已有研究表明，國內(nèi)學(xué)者在大量工程實踐的基礎(chǔ)上，對松軟破碎煤巖體巷道圍巖破壞機(jī)理作了較為深入的研究，通過大量的工程案例，從不同的角度和不同的深度研究了目前國內(nèi)較為常見的松軟破碎煤巖巷道破壞形式，取得豐富的理論成果。孟慶彬等[5]依據(jù)趙樓礦井底車場巷道分析，深入揭示了深部軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)理，提出了以內(nèi)注漿錨桿為核心的“三錨” 聯(lián)合支護(hù)體系。孫曉明、何滿朝等[6]根據(jù)錨網(wǎng)索耦合支護(hù)設(shè)計步序，對南屯煤礦93 上01 工作面巷道支護(hù)變形破壞比較嚴(yán)重問題進(jìn)行了分析，提出了具體的復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化對策設(shè)計，提出了錨網(wǎng)索耦合支護(hù)設(shè)計。目前我國巷道圍巖控制技術(shù)主要有5 類，分別為表面支護(hù)、錨固、改性、卸壓及聯(lián)合控制技術(shù)[7]。伯方煤業(yè)在松軟厚煤層工作面順槽沿底板布置，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)形式，對運輸巷道的掘進(jìn)過程提供了安全保障。

1 概 況

井田位于山西省高平市城區(qū)西北約7 km 處的伯方村西，為沁水煤田高平礦區(qū)王報井田的一部分。井田東西長約6.886 1 km，南北寬約6.020 09 km，面積27.491 6 km2，限采標(biāo)高+900—+370 m。

井田內(nèi)可采煤層為3 號煤層，位于山西組下部，煤層厚3.15～6.13 m，平均厚5.31 m，煤層底板標(biāo)高+900—+470 m，埋藏深度40～372 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單至復(fù)雜，含夾矸0～3 層，屬穩(wěn)定全區(qū)可采厚煤層。煤層直接頂板主要為粉砂巖，次為砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖，局部有炭質(zhì)泥巖偽頂；底板主要為砂巖、粉砂巖和泥巖，偽底為炭質(zhì)泥巖。

井田總體為一傾向北西的單斜構(gòu)造，傾角一般3°～ 10°，局部達(dá)14°，在井田范圍內(nèi)發(fā)育有18個小型寬緩褶皺，軸向以北東向為主，次為近東西向。延展長度200～2 100 m，一般在1 000 m 以下。礦井目前開采的3 號煤層，經(jīng)生產(chǎn)揭露及三維地震勘探解釋，井田范圍區(qū)內(nèi)3 m 及其以上斷層57 條，全為高角度正斷層。其中落差10 m 及其以上斷層12 條；落差5～9 m 的斷層20 條；落差5 m 以下斷層25 條。斷層走向以北東至近東西為主，次為北西向。

2 四盤區(qū)運輸巷錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)

四盤區(qū)運輸巷沿煤層底板掘進(jìn)，寬5 200 m，高3 500 mm，巷道頂板設(shè)計布置6 根錨桿，錨桿間排距為950 mm×1 000 mm；兩幫各4 根錨桿，間排距為950 mm×1 000 mm。巷道錨桿、錨索布置如圖1 所示。

圖1 四盤區(qū)運輸巷錨桿、錨索支護(hù)示意Fig. 1 Anchor bolt support of No. 4 mining area

2.1 頂板錨桿

頂板使用左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿直徑為22 mm，錨桿長度為2 400 mm，配套高強拱形托盤和高強螺母，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，托盤的強度不低于300 kN；鉆孔直徑28 mm，采用加長樹脂錨固，采用K2360 和Z2360 樹脂錨固劑各1 支。錨桿錨固力設(shè)計為150 kN。頂板配以鋼筋網(wǎng)和鋼筋梯子梁作為輔助支護(hù)，鋼筋網(wǎng)采用φ4 mm 或φ6 mm 鋼筋焊接的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)片尺寸為5 200 mm×1 100 mm，網(wǎng)格大小為100 mm×100 mm；鋼筋梯子梁采用φ14 mm 的鋼筋焊接而成，寬度為100 mm，梯子梁尺寸為5 050 mm× （80 ～100 mm），相鄰的鋼筋網(wǎng)搭接不少于100 mm，采用8 號鐵絲聯(lián)結(jié)，鉸接至少2 圈，鐵絲聯(lián)結(jié)間距不大于200 mm。錨桿預(yù)緊力矩不小于300 N·m。

2.2 頂板錨索

頂板錨索采用1×19 股高強度低松弛鋼絞線制作，錨索直徑為22 mm，極限破斷力532 kN，延伸率大于7%。錨索1 排布置2 根，長8 000 mm，間排距為1 900 mm×2 000 mm，掘進(jìn)迎頭頂板空頂距離夠1 排錨索必須及時布置錨索，錨索一般不能滯后布置。錨索鉆孔直徑為30 mm，采用3 根樹脂錨固劑錨固，錨固劑規(guī)格分別為K23601 支和Z23602 支。錨索錨固力設(shè)計為450 kN。錨索托盤采用300 mm×300 mm×15 mm 的高強球型托盤，承載能力不低于532 kN，錨索預(yù)緊力應(yīng)不小于250 kN。

2.3 兩幫錨桿

巷道兩幫使用左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿φ22 mm，錨桿長度為2 400 mm，配套高強拱形托盤和高強螺母，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，托盤的強度不低于300 kN；鉆孔直徑28 mm，采用加長樹脂錨固，采用K2360 和Z2360 樹脂錨固劑各1 支。錨桿錨固力為150 kN。巷道兩幫配以鋼筋網(wǎng)和鋼筋梯子梁作為輔助支護(hù)，鋼筋網(wǎng)采用φ4 mm 或φ6 mm 鋼筋焊接的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)片尺寸為3 500 mm×1 100 mm，網(wǎng)格為100 mm×100 mm；鋼筋梯子梁采用φ14 mm 的鋼筋焊接而成，寬度為100 mm，梯子梁為3 150 mm× （80～100 mm），相鄰鋼筋網(wǎng)搭接不少于100 mm，采用8 號鐵絲聯(lián)結(jié)，鉸接至少2 圈，鐵絲聯(lián)結(jié)間距不大于200 mm。錨桿預(yù)緊力矩不小于300 N·m。

需要注意的是，由于錨索的預(yù)緊力要大于錨桿，錨索張拉時錨桿的預(yù)緊力會減小，因此，錨索張拉后要對錨桿進(jìn)行二次緊固，預(yù)緊力矩必須滿足設(shè)計要求。

2.4 兩幫錨索

如巷道掘進(jìn)過程中，煤質(zhì)松軟，可根據(jù)實際情況，在巷道兩幫打設(shè)錨索。

兩幫錨索采用1×19 股高強度低松弛鋼絞線制作，錨索直徑為22 mm，極限破斷力532 kN，延伸率大于7%。錨索1 排布置1 根，長5 300 mm，布置在巷道高度中間位置，掘進(jìn)迎頭幫部空白距離夠一1 錨索必須及時布置錨索，錨索一般不能夠滯后布置。錨索鉆孔直徑為30 mm，采用3 根樹脂錨固劑錨固，錨固劑規(guī)格分別為K2360 一支和Z2360兩支。錨索錨固力設(shè)計為450 kN。錨索托盤采用300 mm×300 mm×15 mm 的高強球型托盤，承載能力不低于532 kN，錨索預(yù)緊力應(yīng)不小于250 kN。

3 工業(yè)性試驗

為監(jiān)測巷道錨桿、錨索工作狀態(tài)，及時評估支護(hù)方案的合理性，對巷道表面進(jìn)行位移監(jiān)測，包括頂?shù)装逑鄬σ平亢蛢蓭拖鄬σ平?。采用十字布點法安設(shè)測站，每個測站應(yīng)安設(shè)2 個監(jiān)測斷面，基點應(yīng)安設(shè)牢固。在距離試驗巷道開口段100 m 左右布置1 個測站，在距離試驗巷道開口段200 m 左右布置第二個測站，對巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平窟M(jìn)行觀測和分析，測站建立初期，每天觀測1次，兩周后每周觀測2 次并記錄數(shù)據(jù)。圖2 為巷道采用新的支護(hù)設(shè)計后的兩測站頂、底板及兩幫圍巖移近量變化圖。

圖2 巷道圍巖變形量趨勢Fig. 2 Deformation trend of roadway surrounding rock

從圖2 可以看出，支護(hù)方案實行初期由于受到巷道掘進(jìn)動壓影響，巷道圍巖變形較大，巷道頂、底板移近量和兩幫移近量變化幅度大，變形量大。但在巷道掘進(jìn)中后期時，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，錨桿索起到關(guān)鍵作用，測站1 頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在195.6 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在105.0 mm；測站2 頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在199.4 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在105.7 mm。圍巖變化趨于穩(wěn)定，可見高強錨桿索聯(lián)合支護(hù)滿足回采巷道掘進(jìn)要求。

4 結(jié) 論

（1） 通過理論分析，針對松軟厚煤層開采中由采動導(dǎo)致圍巖大變形的特點，采用高強錨桿索聯(lián)合支護(hù)，解決了伯方煤礦松軟煤層巷道的掘進(jìn)支護(hù)問題，提高了巷道掘進(jìn)率，保證快速安全生產(chǎn)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

（2） 工業(yè)性試驗結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，巷道圍巖變形量大大減小，且巷道圍巖變形在20 d 左右趨于穩(wěn)定，說明該方案提出的支護(hù)設(shè)計合理可行，支護(hù)強度適中可靠，能夠保證伯方煤礦松軟厚煤層巷道的長期穩(wěn)定與安全使用。