雙翼開采條件下煤層大巷穩(wěn)定性控制技術(shù)

張 維

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

黃陵礦區(qū)煤田地質(zhì)條件相對簡單，煤層較厚，大巷多布置在煤層內(nèi)[1]，受兩翼工作面采動應(yīng)力的影響，如果支護方式不當，易發(fā)生嚴重失穩(wěn)變形[2-3]。黃陵二號煤礦四盤區(qū)煤層平均厚度為5 m，共布置4條大巷：1#輔助大巷、2#輔助大巷、回風(fēng)大巷以及膠帶大巷。4條大巷均沿煤層布置，受兩翼工作面回采的影響，大巷出現(xiàn)了頂板冒落、幫部內(nèi)鼓、片幫及底鼓等現(xiàn)象，嚴重影響了礦井正常的安全高效開采。因此，開展雙翼開采條件下大斷面煤層巷道穩(wěn)定控制技術(shù)研究，對于黃陵二號煤礦及類似地質(zhì)條件下煤礦的安全高效開采具有較高的現(xiàn)實意義及實踐價值。

1 巷道失穩(wěn)特征分析

1.1 巷道概況

黃陵二號煤礦主采2#煤層，四盤區(qū)埋深500 m，4條大巷位于四盤區(qū)中部，兩翼布置工作面。大巷均采用半圓拱形斷面，如圖1所示。

圖1 四盤區(qū)大巷支護斷面

大巷均采用錨網(wǎng)噴支護，錨桿采用φ20 mm×2 100 mm螺紋鋼錨桿，錨桿的間排距為800 mm×800 mm，采用菱形布置，每根錨桿采用2節(jié)錨固劑進行錨固，分別為1節(jié)MSK2330型和1節(jié)MSZ2335型錨固劑。網(wǎng)片均為φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)片，孔格為150 mm×150 mm。錨索均采用的單錨索，規(guī)格為φ17.8 mm×8 300 mm鋼絞線，以3根/2 m的形式布置，每根錨索采用4節(jié)錨固劑進行錨固，分別為1節(jié)MSK2335型、1節(jié)MSZ2335型和2節(jié)MSZ2360型錨固劑，單錨索托盤采用16b槽鋼加工，長度為400 mm。噴漿厚度100 mm，強度C20。

1.2 巷道失穩(wěn)破壞特征

根據(jù)四盤區(qū)大巷破壞失穩(wěn)形態(tài)如圖2所示，現(xiàn)場實測可知在兩翼工作面回采期間，4條大巷均受到了兩翼工作面回采的影響，產(chǎn)生了嚴重的破壞失穩(wěn)，影響了四盤區(qū)工作面的安全高效生產(chǎn)，表1為大巷破壞失穩(wěn)特征。

表1 大巷破壞失穩(wěn)特征

1.3 巷道失穩(wěn)因素分析

四盤區(qū)內(nèi)，煤層上方為泥巖和砂質(zhì)泥巖，厚度分別為1 m和4 m。直接底為泥巖，厚度1.4 m。頂?shù)装鍐屋S抗壓強度分別為46.1 MPa和45.2 MPa，根據(jù)《工程巖體分級標準》，四盤區(qū)大巷的頂?shù)装寰鶎儆诖螆詭r，且接近于軟巖。

根據(jù)礦井地質(zhì)圖，四盤區(qū)煤層呈旋回構(gòu)造如圖3所示。4條大巷均位于該旋回構(gòu)造的中部，大巷附近的水平地應(yīng)力較大。同時，4條巷道均屬于大斷面巷道，圍巖應(yīng)力易集中，加上受工作面回采的影響，大巷附近圍巖應(yīng)力進一步集中，最大可達2.5。

a-1#輔助大巷；b-2#輔助大巷；c-2#輔助大巷；d-回風(fēng)大巷；e-膠帶大巷圖2 大巷破壞失穩(wěn)形態(tài)

圖3 四盤區(qū)煤層底板等高線分布趨勢

根據(jù)現(xiàn)場窺視結(jié)果，大巷圍巖破碎的最大深度為2.2 m，而支護錨桿僅為2.0 m，這也表明了大巷原有的支護方案不合理，提供的支護強度不足，這也成為了四盤區(qū)大巷發(fā)生破壞失穩(wěn)的重要因素。

2 巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)

2.1 大巷破壞失穩(wěn)段修復(fù)加固

修復(fù)加固方式：針對大巷圍巖已破碎的實際情況，采用“壁后注漿+巷道斷面擴刷+永久支護+二次注漿加固”的方式，對大巷破壞段進行修復(fù)加固。壁后注漿是采取將注漿孔均勻交叉布置，漿液灌入圍巖裂隙，最終砼與圍巖結(jié)合形成整體，達到加大巷道圍巖承壓強度目的。設(shè)計注漿孔排距為4.0 m，孔深為5.0 m，孔間距1.5～2.0 m，每排施工7個鉆孔，其中兩幫各2個注漿孔，拱形頂部施工3個注漿孔。注漿以水泥單液漿為主，水泥漿水玻璃雙液漿為輔的注漿方式，待注漿凝固后，再對巷道進行擴刷時，巷道破碎圍巖已進行膠結(jié)，未發(fā)生大面積的片幫情況。大巷破壞失穩(wěn)段采用“錨桿+錨索+網(wǎng)+16b槽鋼梁+噴漿”聯(lián)合支護方式進行修復(fù)。

頂幫錨桿：采用φ22 mm×3 500 mm螺紋鋼錨桿，每根錨桿采用1節(jié)K2335型和3節(jié)Z2360型錨固劑進行全長錨固，錨桿托盤采用Q235鋼板，規(guī)格為200 mm×200 mm×12 mm，錨桿間排距為800 mm×800 mm，菱形布置。

頂板錨索：均采用“一梁五索”布置，錨索規(guī)格為φ21.8 mm×12 300 mm19芯防腐錨索，錨索梁采用16b槽鋼加工，梁長6 400 mm，孔距為1 500 mm，每根錨索均采用1節(jié)K2850型和3節(jié)Z2850型錨固劑進行錨固，錨索間排距為1 500 mm×1 600 mm。

幫部錨索：均采用“一梁兩索”沿豎直方向布置，錨索規(guī)格為φ21.8 mm×6 300 mm19芯防腐錨索，錨索梁采用16b槽鋼加工，梁長1 300 mm，孔距為1 000 mm，每根錨索采用1節(jié)K2850型和3節(jié)Z2850型錨固劑進行錨固，錨索間排距為1 000 mm×1 600 mm；網(wǎng)片采用φ6.5 mm冷拔鋼筋網(wǎng)片，規(guī)格為1 000 mm×2 000 mm，孔格為100 mm×100 mm。噴漿厚度為100 mm，混凝土強度為C20。

2.2 大巷穩(wěn)定段加固支護方式

對于尚未受損的已掘巷道，為避免發(fā)生破壞失穩(wěn)，在原有支護的基礎(chǔ)上，采用加固支護技術(shù)。

膠帶大巷采用φ22 mm×3 500 mm的金屬錨桿，每根錨桿采用1節(jié)K2335型和3節(jié)Z2360型錨固劑進行全長錨固，錨桿托盤采用200 mm×200 mm×12 mm的Q235鋼板，錨桿間排距為800 mm×800 mm，菱形布置，頂板采用“一梁三索”，錨索為φ21.8 mm×8 300 mm 19芯防腐錨索，錨索梁采用16b槽鋼加工，長度4 500 mm，孔距2 000 mm。

另外3條大巷頂幫錨桿均采用φ22 mm×3 500 mm無縱肋螺紋鋼錨桿，每根錨桿采用1節(jié)Z2335型和3節(jié)Z2360型錨固劑進行錨固，幫部錨桿托盤配套的M5型托盤，頂板仍采用Q235鋼板，規(guī)格為200 mm×200 mm×12 mm，間排距為800 mm×800 mm，矩形布置，兩側(cè)底腳的錨桿與巷幫成60°向下施工，其余錨桿與巖壁垂直，頂幫錨桿均采用球形調(diào)心墊片保證螺母的緊貼，幫部每排錨桿后壓M5鋼帶，鋼帶長2 m，施工錨桿孔3個，孔距為800 mm。頂板錨索采用“一梁五索”布置，錨索規(guī)格為φ21.8 mm×8 300 mm 19芯防腐錨索，錨索梁采用16b槽鋼加工，梁長6 400 mm，孔距為1 500 mm，每根錨索采用1節(jié)K2850型和3節(jié)Z2850型錨固劑進行錨固，錨索間排距為1 500 mm×1 600 mm;網(wǎng)片采用φ6.5 mm冷拔鋼筋網(wǎng)片，規(guī)格為1 000 mm×2 000 mm，孔格為100 mm×100 mm。4條大巷均對支護進行噴漿封閉，噴漿厚度為70 mm，強度為C20。

3 工程實施效果

在大巷失穩(wěn)破壞段修復(fù)過程中及施工后，采用鉆孔窺視以及探地雷達等技術(shù)手段，探測了大巷圍巖的完整性，并監(jiān)測了大巷頂板、底板以及兩幫移近量。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

a-巷道底鼓量；b-兩幫移近量；c-頂板下沉量圖4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

通過鉆孔窺視可知，未進行維修和加固前，巷道圍巖內(nèi)存在不同程度的裂隙，排除人為施工影響，探孔平滑度差，圍巖裂隙較發(fā)育；而在維修加固后，18個探孔內(nèi)僅出現(xiàn)1個局部小裂隙。

由探地雷達形成的影像圖可知，經(jīng)過注漿后，僅有零星地點注漿不飽和，大部分區(qū)域均能很好地實現(xiàn)注漿效果，起到了固化巖石的目的，增加了圍巖的強度，為后期錨桿、錨索的加固支護創(chuàng)造了條件。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果(圖4)可知，在未修復(fù)時期內(nèi)，頂板最大下沉速度約為20 mm/月，兩幫移近速度及底鼓速度約為30 mm/月。通過采用修復(fù)加固技術(shù)，巷道圍巖運動逐漸趨于穩(wěn)定，一個月內(nèi)位移量約為3 mm。

4 結(jié)論

(1)在原有支護條件下，黃陵二號煤礦四盤區(qū)大巷失穩(wěn)破壞較嚴重，最大破壞深度為1 500 mm，最大破壞寬度為2 500 mm，嚴重影響了四盤區(qū)工作面的安全高效生產(chǎn)。

(2)四盤區(qū)大巷發(fā)生破壞失穩(wěn)的因素主要包括巷道圍巖、地質(zhì)構(gòu)造、兩翼工作面采動以及支護強度。

(3)通過“壁后注漿+巷道斷面擴刷+永久支護+二次注漿加固”的修復(fù)加固技術(shù)，對大巷破壞失穩(wěn)段進行了加固修復(fù)，對未受損的已掘大巷，提出了加固支護方案。實測結(jié)果表明，大巷加固修復(fù)段圍巖穩(wěn)定，達到了工程目的。四盤區(qū)大巷的穩(wěn)定對該礦井以及類似地質(zhì)條件下巷道支護提供了工程實例，具有一定的實踐價值和指導(dǎo)意義。