沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制方案

丁永紅，高宏杰，邵嗣華，孫志猛，劉建剛，李 明，張 磊，張巨峰

(1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司 紅會(huì)第一煤礦，甘肅 白銀 730913；2.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

煤炭是我國(guó)的主體能源。據(jù)專家預(yù)測(cè)，2020年、2030年、2050年我國(guó)煤炭產(chǎn)能分別為44億t、40億t、34億t，煤炭的主體能源地位在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變[1]。煤炭開采過(guò)程中，很多礦井采用保留煤柱護(hù)巷，造成了煤炭資源的浪費(fèi)。而且隨著開采深度的繼續(xù)延伸，護(hù)巷煤柱寬度越來(lái)越寬，這種資源浪費(fèi)也越來(lái)越嚴(yán)重。為了提高回采率，許多礦井采用窄小煤柱護(hù)巷。雖然窄小煤柱沿空掘巷避開了上區(qū)段工作面回采產(chǎn)生的劇烈擾動(dòng)，但是，巷道圍巖穩(wěn)定性控制仍比較困難，需要進(jìn)一步研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[2-6]對(duì)沿空巷道上覆巖層運(yùn)動(dòng)特征、沿空掘巷圍巖控制和窄小煤柱失控引起的災(zāi)害等方面進(jìn)行了大量研究，取得了一些理論和假說(shuō)，闡釋了工作面回采后上覆巖層垮落的應(yīng)力分布狀態(tài)，為煤柱留設(shè)和圍巖穩(wěn)定性控制提供了理論依據(jù)。但是，對(duì)于高應(yīng)力堅(jiān)硬頂板厚煤層的沿空掘巷，工作面回采期間的巷道圍巖穩(wěn)定性控制對(duì)礦井安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

1 工作面概況

甘肅靖遠(yuǎn)礦區(qū)紅會(huì)一礦1715運(yùn)輸巷道沿已回采結(jié)束的1713采空區(qū)邊緣掘進(jìn)，通過(guò)預(yù)留8.0 m的隔離煤柱進(jìn)行掘巷，形成運(yùn)輸巷道，并與七采區(qū)運(yùn)輸下山溝通形成通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)戎饕a(chǎn)系統(tǒng)；回風(fēng)巷布置在工作面西部未開采區(qū)域，與七采區(qū)回風(fēng)下山溝通，形成工作面回風(fēng)、運(yùn)料系統(tǒng)；開切眼布置在工作面北部，與已回采結(jié)束的1703綜放工作面機(jī)道留設(shè)30.0～68.0 mm隔離煤柱；南部與七采區(qū)運(yùn)輸下山和七采區(qū)回風(fēng)下山相鄰。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)(J2)。煤層走向20～110°，傾向NE，傾角2～9°，平均5°。工作面范圍內(nèi)煤層平均厚度14.5 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作面東南部發(fā)育1層夾矸，厚度在0.3～0.5 m之間，煤層頂?shù)装鍘r性見表1。根據(jù)地質(zhì)資料分析，不排除工作面其他區(qū)域發(fā)育夾矸的可能。煤層層理、節(jié)理較發(fā)育，容重1.35 t/m3，普氏硬度系數(shù)2.5～3.8。煤質(zhì)牌號(hào)為不粘結(jié)煤(BN)；煤巖類型以半暗型為主，次為半亮型，內(nèi)生裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，賦存較穩(wěn)定。1715運(yùn)輸巷道與已回采結(jié)束的1713工作面間留設(shè)8 m煤柱(屬窄小煤柱)，巷道掘進(jìn)期間已出現(xiàn)較嚴(yán)重的收斂變形現(xiàn)象(頂部?jī)蓭褪諗苛?.2～0.5 m、底鼓量0.1～0.5 m)，且根據(jù)以往七采區(qū)類似布置的巷道回采期間出現(xiàn)的嚴(yán)重收斂變形問(wèn)題(兩幫收斂量1.0～2.5 m、底鼓量0.6～1.4 m)，預(yù)計(jì)1715運(yùn)輸巷道在回采期間會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重收斂變形。1715運(yùn)輸巷道是1715綜放工作面的主運(yùn)輸、輔助運(yùn)輸通道，同時(shí)是進(jìn)風(fēng)、供電、供水、供風(fēng)和安全通道，巷道內(nèi)安設(shè)有轉(zhuǎn)載機(jī)(含破碎機(jī))、膠帶輸送機(jī)、設(shè)備列車等多臺(tái)電氣設(shè)備，巷道斷面尺寸若出現(xiàn)較大的收斂變形，會(huì)直接影響礦井的安全生產(chǎn)。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 巷道圍巖破壞范圍

根據(jù)自然平衡拱理論，煤層巷道幫部破壞深度c與頂板破壞深度b按公式(1)、(2)確定[7]：

(1)

式中：KCX與巷道形狀相關(guān)，表征自然平衡拱角應(yīng)力集中的參數(shù)，取2.8；γ為巷道頂板巖層容重，取2.5 t/m3；H為巷道埋深，取400 m；B為表征采動(dòng)影響程度的無(wú)因次參數(shù)，取1.2；fy為煤層堅(jiān)固性系數(shù)，取3.5；h為巷道高度，取4 m；α為煤層傾角，取6°，φ為煤體內(nèi)摩擦角，取35°。

計(jì)算得出1715運(yùn)輸巷道幫破壞深度為1 692 mm，煤體較為穩(wěn)定。

(2)

式中：a為巷道半跨，取2.3 m；ky為直接頂煤巖類型系數(shù)，取0.6；fn為直接頂巖層堅(jiān)固性系數(shù)，取5。

計(jì)算得出1715運(yùn)輸巷道頂板破壞深度為1 324 mm。

3 圍巖穩(wěn)定性控制方案

3.1 巷道切頂卸壓

在1715運(yùn)輸巷道沿1713采空區(qū)側(cè)由北向南每隔1.6 m施工密集大直徑切頂鉆孔(直徑108 mm)，并提前預(yù)留煤柱變形量。鉆孔方位垂直1715機(jī)道窄小煤柱側(cè)幫部向里，支鉆高度1 m，開口位置位于巷道底板以上2.0 m處，支鉆點(diǎn)距機(jī)道下幫(窄小煤柱側(cè))1.0～2.0 m，孔深4 m。切頂孔施工、爆破超前工作面采幫距離不得小于150 m。切頂孔具體施工參數(shù)如表2所示，斷面如圖1所示。

圖1 1715機(jī)道窄小煤柱側(cè)切頂斷面

表2 切頂孔具體施工參數(shù)表

3.2 錨桿錨索聯(lián)合加固技術(shù)

在1715運(yùn)輸巷道按照由北向南的順序依次在窄小煤柱側(cè)幫、拱部進(jìn)行錨桿錨索聯(lián)合加固，根據(jù)巷道圍巖破壞范圍和懸吊理論計(jì)算巷道加固錨桿錨索設(shè)計(jì)參數(shù)。

1) 幫、頂部錨桿長(zhǎng)度計(jì)算：

L=KH+L1+L2

(3)

式中：L為錨桿長(zhǎng)度，mm；H為冒落拱高度，mm；K為安全系數(shù)，一般取1.5；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗(yàn)取950 mm；L2為錨桿外露長(zhǎng)度，一般取40 mm。

計(jì)算得出巷道錨桿最短設(shè)計(jì)長(zhǎng)度：L=2 315 mm。

為此，巷道幫、頂部均選用D20 mm×2 600 mm-950 mm的樹脂錨固劑螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度大于2 315 mm，滿足巷道要求。

2) 根據(jù)錨桿桿體的屈服荷載計(jì)算錨桿錨固力：

(4)

式中：F為錨桿錨固力；σ屈為錨桿材料的屈服強(qiáng)度，取382 MPa；d為錨桿桿體直徑，取4 mm。

計(jì)算得出F=120 kN，大于錨桿設(shè)計(jì)錨固力60 kN，符合設(shè)計(jì)要求。

3) 錨桿間排距：

(5)

式中：a為錨桿間排距，mm；F為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，取60 kN；H為冒落拱高度，取0.883 m；r為被懸吊穩(wěn)定巖層的密度，40 kN/m3；K為安全系數(shù)，一般取2。

計(jì)算得出：a=849 mm，1715運(yùn)輸巷道支護(hù)選擇間排距為700 mm×800 mm，均小于849 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

4) 根據(jù)懸吊理論計(jì)算錨索排距。巷道使用D17.8 mm×7 000 mm的錨索，假設(shè)冒落方式最嚴(yán)重，冒落高度大于錨桿長(zhǎng)度，在忽略煤(巖)體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力的條件下，取垂直方向力的平衡，錨索排距b按(6)式計(jì)算：

(6)

式中：B為巷道最大冒落寬度，取5.3 m；H為巷道最大冒落高度，按最嚴(yán)重冒落高度取3 m；γ為煤(巖)體容重，取14.2 kN/m3；I為錨桿排距，取0.8 m；F1為錨桿錨固力，60 kN；F2為錨索抗拔力，取120 kN；θ為錨桿與巷道頂板的夾角，取90°；n為每排錨索根數(shù)，取2。

計(jì)算得出錨索間排距最大為3.2 m，1715運(yùn)輸巷道錨索加固的排距為2.4 m，小于設(shè)計(jì)錨索間排距3.2 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

因此，1715運(yùn)輸巷道沿1713采空區(qū)掘巷的窄小煤柱錨桿錨索聯(lián)合加固技術(shù)，即在巷道原底角錨桿以上第2～7根錨桿間按照0.7 m×0.8 m間排距每排打設(shè)4～5根錨索(如圖2、圖3所示)。若底部第2根與第3根錨桿間錨索已打設(shè)，則每排打設(shè)4根錨索；若底部第2根與第3根錨桿間錨索未打設(shè)，則每排施工5根錨索。錨索與原支護(hù)錨桿呈“五花形”布置。錨索選用D17.8 mm×4 000 mm-1 550 mm樹脂錨固劑錨索，每根錨索使用2支Z2360和1支CK2335型樹脂錨固劑；錨索托盤選用鋼膠帶托盤、“井”字形鐵托板、200 mm×200 mm×16 mm的鐵托板和鎖具組合構(gòu)件。

圖2 巷道窄小煤柱側(cè)幫部錨桿錨索加固斷面(mm)

圖3 1715運(yùn)輸巷道窄小煤柱側(cè)幫部錨桿錨索加固平面(mm)

5) 技術(shù)要求：①錨桿孔深度應(yīng)大于錨桿長(zhǎng)度0～50 mm，孔深度誤差控制在0～30 mm之間。②錨桿間排距誤差不超過(guò)±100 mm。③錨桿呈矩形布置。木托板長(zhǎng)邊與巷道走向保持一致，鐵托板的邊與木托板長(zhǎng)邊呈45°夾角布置；10 mm≤錨桿外露長(zhǎng)度≤50 mm；木托板必須緊貼煤(巖)面。④錨桿眼施工角度垂直巷道頂板和巷道輪廓線，其偏差最大不得超過(guò)±15°；安裝的錨桿與巷道輪廓線夾角不應(yīng)小于75°，在裂隙層理發(fā)育處應(yīng)適當(dāng)調(diào)整錨桿安裝角度，盡可能垂直裂隙層理面[8]。⑤底腳錨桿按-15°注設(shè)，錨桿距底板不得超過(guò)0.2 m，且墻角必須齊直。⑥錨桿螺母必須用錨桿鉆機(jī)配合扭矩放大器擰緊，錨桿扭力矩不小于400 N·m，錨固力不小于60 kN(使用LDZ/S200型錨桿拉力計(jì)時(shí)，活塞承壓面積為35 cm2，錨桿拉拔力不小于17 MPa)。⑦錨索按設(shè)計(jì)要求布置，左右偏差不得超過(guò)100 mm，外露長(zhǎng)度為150～250 mm。張拉力不小于120 kN(使用YDC-250/150A型張拉千斤頂時(shí)，活塞承壓面積為75 cm2，拉拔力不小于30 MPa)。⑧巷道煤壁應(yīng)平直，鋪設(shè)金屬網(wǎng)片時(shí)，應(yīng)拉展鋪平，頭對(duì)頭、邊對(duì)邊，并用14號(hào)鍍鋅鉛絲聯(lián)接網(wǎng)片，每米不少于12扣，一扣壓一扣，每扣扭3圈。⑨掘進(jìn)工作面必須備用3 d的支護(hù)材料，同時(shí)需備用一定數(shù)量的設(shè)備易損件，以便設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)更換。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)1715運(yùn)輸巷道沿空掘巷留設(shè)窄小煤柱掘進(jìn)期間兩幫收斂、頂板下沉、底部鼓起的現(xiàn)象進(jìn)行分析，應(yīng)用自然平衡拱理論，對(duì)煤層巷道幫部破壞深度與頂板破壞深度進(jìn)行了計(jì)算，得出了巷道兩幫和頂部破壞深度，結(jié)合懸吊理論，計(jì)算出了巷道支護(hù)需要錨桿錨索的設(shè)計(jì)參數(shù)，選用D20 mm×2 600 mm-950 mm的樹脂錨固劑螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×800 mm，D17.8 mm×7 000 mm-2 150 mm型樹脂錨固劑錨索，間排距為2.4 m，進(jìn)行了錨桿錨索聯(lián)合加固，滿足了巷道支護(hù)要求，并在巷道每隔1.6 m施工1組密集的D108 mm大直徑切頂鉆孔，預(yù)留煤柱變形量，保證保證了沿空留巷圍巖體的穩(wěn)定性。