高地應(yīng)力條件下巷道掘進(jìn)技術(shù)研究成果

李延偉

（冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)有限公司，河北邯鄲 056000）

1.造成巷道地應(yīng)力較高的因素

（1）巷道與井下四鄰及地表的關(guān)系：巷道地表地形主要為黃土山坡，大部分被第四系黃土覆蓋，植被較少，地面標(biāo)高為+1112～+1227m。巷道東部為8106工作面回風(fēng)順槽，北部為8號煤層三條上山，西部、南部均為未采動地區(qū)，工作面的底板標(biāo)高為+841m～+860m，工作面距地表的垂深約255m～337m。工作面距上部5號煤層約50m～60m，且巷道布置在5號煤層相鄰兩個工作面采空區(qū)的煤柱下方，5號煤層地應(yīng)力向下方傳遞，造成巷道掘進(jìn)期間地應(yīng)力較高。

（2）井田總體為一軸向呈北北東向的寬緩對稱的向斜構(gòu)造，隨著回采工作面自上而下依次布置，8106運輸順槽靠近礦井向斜構(gòu)造軸部，受向斜地質(zhì)構(gòu)造的影響致使巷道地應(yīng)力較大。

（3）8號煤層成煤于石炭系上統(tǒng)太原組，含1～2層夾矸。煤層平均厚度6m。該煤層為黑色，條痕為黑褐色，玻璃光澤，均一狀—條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀—層狀構(gòu)造，硬度中等，貝殼狀斷口，宏觀煤巖類型為光亮型—半亮型煤。8106運輸順槽掘進(jìn)過程中，8號煤層夾矸較厚約1.5m，將煤層上下隔離，夾矸易風(fēng)化膨脹、破碎、不易支護(hù)，造成巷道局部圍巖壓力較大。

（4）8號煤層與井田內(nèi)5號煤層相比煤質(zhì)較為酥軟，煤層節(jié)理較為發(fā)育，容易發(fā)生片幫掉渣情況，造成巷道成型不好，影響支護(hù)效果。

（5）邀請?zhí)斓乜萍脊煞萦邢薰緦Φ貞?yīng)力進(jìn)行測試。采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測量，采用鉆孔觸探法進(jìn)行頂板以上10m范圍內(nèi)和對應(yīng)的煤幫10m范圍內(nèi)的煤巖體強度測試，采用孔壁觀察法進(jìn)行頂板巖層分布情況和結(jié)構(gòu)觀測。在已掘巷道中有選擇性的布置三組測點，每個測點布置兩個測孔，鉆孔直徑均為58mm。頂孔深度20m左右，鉛垂布置；煤幫孔深度10m左右，要求與水平方向有3°～5°仰角，使水能順利流出，避免水的潤濕作用影響煤體強度的測試結(jié)果，頂板鉆孔施工完畢，用水把孔壁沖洗干凈，避免殘留巖屑對測試段選取的影響。

通過對井下地質(zhì)力學(xué)原位測試，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、綜合和分析，得出如下結(jié)論：

1）地應(yīng)力測試結(jié)果表明：測試區(qū)域8106運輸順槽中三組測點的最大水平主應(yīng)力平均值為17.36MPa，最小水平主應(yīng)力平均值為8.27MPa，垂直主應(yīng)力平均值為7.25MPa。地應(yīng)力場在量值上屬于低等應(yīng)力值區(qū)域，井下地應(yīng)力場類型為δH＞δh＞δv型應(yīng)力場。相關(guān)研究表明，最大水平主應(yīng)力對巷道的頂?shù)装逵绊懽饔么笥趯ο锏纼蓭偷挠绊?；垂直?yīng)力主要影響巷道兩幫的受力和變形，構(gòu)造應(yīng)力為最大主應(yīng)力，8號煤層最大水平主應(yīng)力最大值為14.48MPa，地應(yīng)力場最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為NWW方向。

鑒于8106運巷實際掘進(jìn)方向，可確定巷道軸向與最佳軸向相差角度較大，可初步確定巷道掘進(jìn)方向右側(cè)頂板易產(chǎn)生應(yīng)力集中。巷道主應(yīng)力差值較大，會導(dǎo)致圍巖中出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)和較大的剪切應(yīng)力，產(chǎn)生拉破壞與剪切破壞。

2）三組測點所在巷道所處層位相同，均處于8號煤層中，根據(jù)測試結(jié)果可知三組測點頂孔 10m范圍內(nèi)與錨桿支護(hù)直接相關(guān)的煤巖體巖性主要為8號煤、石灰?guī)r和泥巖。頂板巖層淺部存在多處裂隙，完整性相對較差，頂孔深部巖體完整性較好，巷幫煤體完整性較好。

3）三組測點圍巖強度測試結(jié)果表明，8號煤層強度主要集中在12MPa～18MPa，石灰?guī)r巖層強度均大于120MPa，泥巖強度主要集中45MPa～70MPa左右。

（6）巷道斷面及原有支護(hù)強度不夠。8106運輸順槽巷道采用矩形斷面，規(guī)格為寬×高=4.8m×3.1m，錨網(wǎng)索支護(hù)方式。頂錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格φ20×2200mm；鋼筋梁采用φ14mm的圓鋼焊接成，規(guī)格4600×80mm；錨索采用φ17.8×9000mm的鋼絞線，四趟均勻布置；兩幫錨桿采用圓鋼錨桿（頭部扁狀、左旋），規(guī)格φ16×1800mm；頂網(wǎng)、幫網(wǎng)均采用雙層網(wǎng)，即：里層為雙抗聚丙烯網(wǎng)，外層為10號鐵絲制做而成的金屬網(wǎng)，網(wǎng)格孔距為50×50mm。

巷寬跨度較大，且原有支護(hù)方式不能有效控制巷道頂板壓及兩幫壓力，需優(yōu)化巷道斷面及支護(hù)參數(shù)。

2.高地應(yīng)力條件給生產(chǎn)帶來的影響

（1）受高地應(yīng)力條件影響，巷道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)響炮聲。響炮聲不僅出現(xiàn)在巷道迎頭四周，而且還出現(xiàn)在巷道后路。并且隨著施工進(jìn)度的加快，響炮聲愈加頻繁，響聲越大。響炮聲產(chǎn)生的震動使巷道局部頂幫煤巖松動，片幫掉渣，影響施工人員安全。

（2）高地應(yīng)力造成巷道局部壓力大，圍巖變形嚴(yán)重，錨桿、錨索發(fā)生斷裂失效的情況。加之響炮聲產(chǎn)生的震動造成頂部及兩幫錨桿松動、失效、斷裂等，給安全帶來了極大的隱患。

（3）高地應(yīng)力條件使得原有支護(hù)方式已不能對巷道進(jìn)行有效支護(hù)，必須提高支護(hù)強度，這樣一來對施工進(jìn)度影響較大。

（4）高地應(yīng)力造成的響炮聲、錨桿錨索斷裂、片幫掉渣、巷道變形等情況，嚴(yán)重影響職工的工作情緒。造成職工情緒緊張、出勤率底，嚴(yán)重影響正常施工組織。

3.采取的措施

高地應(yīng)力條件下施工應(yīng)解決的問題：優(yōu)化支護(hù)斷面、提高支護(hù)強度、釋放地應(yīng)力，消除響炮聲、縮小循環(huán)進(jìn)尺、完善監(jiān)測監(jiān)控手段。具體措施如下：

（1）根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果優(yōu)化巷道斷面及支護(hù)參數(shù)。

8106運輸順槽巷道采用矩形斷面，規(guī)格為寬×高=4.6×3.1m，錨網(wǎng)索支護(hù)方式，加套工字鋼。

頂、幫錨桿均采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格φ20×2200mm；鋼筋梁采用φ14mm的圓鋼焊接成，規(guī)格4400×80mm；錨索采用φ21.6×9000mm的鋼絞線，三趟均勻布置，錨索下壓3.6m長的W鋼帶；巷道兩幫各安裝三排幫錨索，錨索采用φ21.6×5000mm的鋼絞線，幫錨索下壓3.6m長的W鋼帶；頂網(wǎng)、幫網(wǎng)均采用雙層網(wǎng)，即：里層為雙抗聚丙烯網(wǎng)，外層為10號鐵絲制做而成的金屬網(wǎng)，網(wǎng)格孔距為50×50mm。

工字鋼支架使用12號工字鋼加工而成，規(guī)格為中寬×高=4.0×3.1m。

（2）施工卸壓鉆孔釋放地應(yīng)力，首先沿巷道掘進(jìn)方向水平布置6個大直徑卸壓鉆孔，鉆孔直徑123mm，每個卸壓鉆孔長100m，每掘進(jìn)80m施工一組卸壓鉆孔，保證超前距不小于20m。然后每隔5m在巷道上下兩幫各施工2個卸壓鉆孔，鉆孔沿煤層布置，長度各10m。

（3）在巷道迎頭施行松動爆破的形式釋放地應(yīng)力。

施工時采用掏槽眼放震動炮的方式釋放地應(yīng)力，每次爆破掏槽眼為7個，每個炮眼深2.3m，每個炮眼裝藥量為2卷。每次爆破后必須逐架施工，及時支護(hù)，掘進(jìn)2.4m后再次爆破釋放地應(yīng)力，循環(huán)施工。

（4）由于巷道受地應(yīng)力影響，局部圍巖發(fā)生變形，且巷道壓力大。因此在8106運輸順槽安裝KJ533煤礦頂板動態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)，包括：頂板位移在線監(jiān)測和錨索壓力在線檢測。通過對數(shù)據(jù)的收集、分析和處理，判斷巷道圍巖變形和壓力情況，根據(jù)分析的結(jié)果及時對壓力顯現(xiàn)較大的地段加強支護(hù)，保證巷道后路安全。

4.結(jié)語

8106運輸順槽的高地應(yīng)力條件給安全生產(chǎn)和礦井采掘銜接帶來了極大影響。通過采取改變巷道斷面、優(yōu)化支護(hù)強度、施工卸壓鉆孔、放松動炮、安裝礦壓在線監(jiān)測設(shè)備等一系列行之有效措施后，使得地應(yīng)力得到釋放，響炮聲響聲減小、頻度遞減甚至消失，職工的工作緊張情緒得到緩解，保證了巷道的正常施工。不僅保證了職工的生命安全，還實現(xiàn)了巷道的正常施工，確保了礦井采掘正常銜接。