馬蘭礦迎采動掘進(jìn)巷道圍巖應(yīng)力與支護(hù)研究

馬淑飛

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭礦， 山西 太原 030200）

西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭礦（全文簡稱馬蘭礦）目前主采8 號煤層，穩(wěn)定全區(qū)可采，煤層平均厚度4.5 m，直接頂為2.3 m 泥灰?guī)r，基本頂為6.6 m 粉砂巖，直接底為3.5 m 砂質(zhì)泥巖。采用單翼布置順序接替的采掘布置方式，工作面布置圖如圖1 所示。

圖1 工作面布置圖

18504 工作面的回采與18506 工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)在時(shí)空上平行作業(yè)，相向進(jìn)行。由此導(dǎo)致上一工作面的回采勢必對下工作面相鄰巷道的掘進(jìn)產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的動壓影響，具體表現(xiàn)為巷道靠近上工作面回采側(cè)幫部破碎、頂板一側(cè)下沉量較大、部分地段底鼓、部分錨桿索張拉斷裂。針對這一巷道礦壓顯現(xiàn)特征，圍繞迎采動掘進(jìn)巷道圍巖應(yīng)力分布特點(diǎn)，采用高預(yù)應(yīng)力組合支護(hù)技術(shù)，對18506 回風(fēng)順槽進(jìn)行巷道支護(hù)方案參數(shù)優(yōu)化，現(xiàn)場工業(yè)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，巷道表面位移量得到了較好的控制，礦井的正常生產(chǎn)得到了有效的保障。

1 掘巷期間圍巖應(yīng)力賦存規(guī)律

18506 工作面回風(fēng)順槽沿8 號煤層底板掘進(jìn)，在整個掘進(jìn)過程中將經(jīng)歷三個不同階段的圍巖變形破壞特征。

1.1 巷道沿實(shí)煤體掘進(jìn)階段

在此階段掘進(jìn)的巷道，其巷道圍巖都是沒有經(jīng)歷過采動影響的地質(zhì)體，結(jié)構(gòu)相對完整，圍巖應(yīng)力賦存環(huán)境無太大起伏，掘進(jìn)后的巷道，變形速度相對緩慢，整體巷道表面變形量較低。

1.2 相鄰工作面回采動壓影響階段

巷道繼續(xù)掘進(jìn)，進(jìn)入相鄰工作面回采造成的采動劇烈影響范圍內(nèi)，此時(shí)位于巷道頂板上覆圍巖發(fā)生結(jié)構(gòu)性的調(diào)整，并伴隨著巷道的不斷掘進(jìn)及回采面的回采，結(jié)構(gòu)性調(diào)整愈加劇烈，直至掘進(jìn)巷道迎頭位置與相鄰回采面平齊，此時(shí)掘進(jìn)巷道的圍巖應(yīng)力較為集中，圍巖位移較為明顯。當(dāng)回采面繼續(xù)推進(jìn)后，采空區(qū)上方頂板由于超前支撐壓力的作用，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，隨采隨冒，上位巖層垮落觸矸，形成側(cè)向掘進(jìn)巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)的一側(cè)回轉(zhuǎn)下沉，如圖2 所示。此時(shí)，對掘巷道頂板的荷載，全部由此回轉(zhuǎn)偏移的關(guān)鍵塊B 承擔(dān)。

圍巖結(jié)構(gòu)調(diào)整的結(jié)果是，掘進(jìn)巷道頂板發(fā)生適應(yīng)性調(diào)整，具體表現(xiàn)為頂板發(fā)生一定量的下沉，如果此時(shí)頂板內(nèi)部存在顯著弱面或圍巖較為破碎，則巷道容易產(chǎn)生冒頂。

圖2 迎采動掘進(jìn)巷道圍巖結(jié)構(gòu)分布圖

1.3 巷道沿穩(wěn)定采空區(qū)掘進(jìn)階段

工作面回采繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)頂板圍巖結(jié)構(gòu)經(jīng)歷一系列下沉調(diào)整，逐漸趨于穩(wěn)定，頂板的應(yīng)力集中得以釋放。此時(shí)相鄰工作面掘進(jìn)后的巷道圍巖較為穩(wěn)定，但由于采動應(yīng)力的原因，結(jié)構(gòu)較為破碎，煤巖體表現(xiàn)為峰后殘余強(qiáng)度，承載能力相較于未經(jīng)受采動應(yīng)力的圍巖有明顯下降。

2 巷道支護(hù)方案相關(guān)參數(shù)

針對馬蘭礦18506 回風(fēng)順槽的實(shí)際地質(zhì)條件，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及相似礦井實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合確定采用預(yù)應(yīng)力組合支護(hù)方案，支護(hù)參數(shù)斷面如圖3 所示。分二步進(jìn)行：首先，在巷道開挖后，需進(jìn)行及時(shí)的高預(yù)拉力錨帶網(wǎng)支護(hù)。研究表明，及時(shí)支護(hù)可以避免巷道圍巖的二次破壞，高預(yù)應(yīng)力可以使巷道淺部圍巖形成結(jié)構(gòu)較為完整的預(yù)應(yīng)力梁，從而達(dá)到大大提高巷道圍巖抵抗變形能力的作用。其次，滯后1～2 班，或3～5 排，對巷道圍巖進(jìn)行M 型鋼帶配合小孔徑預(yù)拉力錨索補(bǔ)強(qiáng)，錨索可以將巷道支護(hù)體與圍巖形成的整體結(jié)構(gòu)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，有效約束頂板淺部圍巖與深部發(fā)生的離層現(xiàn)象。M 型鋼帶可以控制斷面形狀，保證巷道斷面的完整性，有效抵抗巷道圍巖的長期蠕變作用。

圖3 巷道斷面布置圖（mm）

18506 回風(fēng)順槽具體支護(hù)相關(guān)參數(shù)：頂板及兩幫錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 400 mm，其中頂板間排距為70 mm×800 mm，每排6 根，兩幫錨桿間排距800 mm×800 mm，每側(cè)5 根；頂錨索規(guī)格為Φ18.9 mm×7 300 mm，間排距為1 600 mm×800 mm，每排2根；幫錨索規(guī)格為Φ18.9 mm×4 300 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm，每排布置2 根錨索；錨桿索預(yù)緊力為100 m。

3 工業(yè)型實(shí)驗(yàn)

對18506 回風(fēng)順槽從滯后相鄰工作面120 m 至超前工作面60 m 范圍內(nèi)，每隔5 m 布置測點(diǎn)，觀測巷道圍巖的變形情況見圖4。

根據(jù)巷道變形監(jiān)測結(jié)果可以得出：

1）在巷道的整個掘進(jìn)期間，整個斷面的變形量相對較小，其中頂?shù)?、兩幫相對移近量分別為700 mm，200 mm。

圖4 18506 回風(fēng)順槽巷道變形量監(jiān)測

2）由巷道圍巖變形速度可以推斷，相鄰工作面的采動明顯影響范圍大致為超前工作面30 m 和超過工作面后方80 m 的范圍內(nèi)。在下區(qū)段工作面掘進(jìn)巷道空間位置超過上區(qū)段回采面30 m 時(shí)，變形最為劇烈，說明此時(shí)巷道應(yīng)力最為集中。巷道超過回采面60 m 后，巷道變形速度明顯降低進(jìn)入，最后逐漸趨于穩(wěn)定。

3）在巷道與回采工作面空間位置平齊到超過回采面100 m 的范圍內(nèi)，工作面每推進(jìn)30 m 左右，圍巖變形速率發(fā)生一次較大的改變，此范圍大體與工作面周期垮落步距相同。

4 結(jié)語

通過實(shí)際現(xiàn)場實(shí)踐與礦壓監(jiān)測結(jié)果可知，采用預(yù)應(yīng)力支護(hù)組合技術(shù)可以有效的解決馬蘭礦迎采動掘進(jìn)巷道圍巖變形量大，難以控制的問題，在保證礦井安全生產(chǎn)的前提下，節(jié)約了巷道投入和維護(hù)成本，對礦井地質(zhì)條件相似情況礦井具有一定的借鑒意義。