堅(jiān)硬頂板下15102回風(fēng)順槽圍巖控制技術(shù)

楊 勇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)神農(nóng)煤礦，山西 高平 048400）

1 概況

錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)具有施工速度快、成本低、支護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于我國(guó)大中小礦井，甚至某些煤礦實(shí)現(xiàn)了百分之百的應(yīng)用[1-5]。

神農(nóng)煤業(yè)15102回風(fēng)順槽位于井田一采區(qū)南部，東部為實(shí)體煤，北鄰15101回采工作面（未初采），西部為礦井3條采區(qū)大巷（軌道、膠帶、回風(fēng)），南部為措施井集中回風(fēng)巷。巷道由15102回風(fēng)順槽運(yùn)輸聯(lián)巷向東延伸掘進(jìn)（方位角90°），巷道沿15#煤層頂板掘進(jìn)，采用綜掘，工作面標(biāo)高+740～+785 m，地面標(biāo)高+1090～ +1170 m。圖1為巷道采掘工程平面圖。結(jié)合附近ZK1鉆孔，15#煤位于太原組下部K2灰?guī)r之下，煤厚一般1.90～5.10 m，均厚3.79 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般含0～1層泥巖夾矸，厚0～0.35 m。煤層直接頂賦存0.8～1.2 m的砂質(zhì)泥巖；基本頂賦存堅(jiān)硬的K2灰?guī)r，厚度9.51 m以上，其堅(jiān)固性系數(shù)在15以上；底板主要由深灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，局部含鋁質(zhì)泥巖及煤層，含豐富黃鐵礦結(jié)核，厚3.35～10.82 m，均厚7.22 m。根據(jù)試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件和采掘等設(shè)備型號(hào)尺寸，設(shè)計(jì)巷道為矩形斷面，掘進(jìn)寬度為4500 mm，掘進(jìn)高度為4000 mm。

圖1 試驗(yàn)巷道采掘工程平面圖

2 堅(jiān)硬頂板下15102回風(fēng)順槽圍巖控制技術(shù)

2.1 試驗(yàn)巷道圍巖控制思路

基于神農(nóng)煤業(yè)15102回風(fēng)順槽生產(chǎn)地質(zhì)條件，提出適用于試驗(yàn)巷道的圍巖控制思路，具體如下：

（1）高強(qiáng)度及時(shí)主動(dòng)支護(hù)

試驗(yàn)巷道掘出后，巷道圍巖由三向約束受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為雙向約束單向自由的受力狀態(tài)，在圍巖表面未施加支護(hù)約束時(shí)，巷道淺層圍巖碎脹破壞嚴(yán)重，甚至誘發(fā)深部圍巖的變形破壞。為此，應(yīng)采用高強(qiáng)度的支護(hù)材料，采用主動(dòng)控制技術(shù)，及時(shí)實(shí)現(xiàn)巷道表層圍巖的支護(hù)約束，形成高強(qiáng)主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，避免巷道掘進(jìn)初期出現(xiàn)的圍巖大變形現(xiàn)象。

（2）充分發(fā)揮堅(jiān)硬頂板巖層的承載能力

試驗(yàn)巷道基本頂賦存堅(jiān)硬的K2灰?guī)r巖層，厚度9.51 m以上，其堅(jiān)固性系數(shù)在15以上，其力學(xué)性質(zhì)及承載性能良好。巷道支護(hù)時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮K2灰?guī)r基本頂自身的承載能力，利用形成的高強(qiáng)主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，促使支護(hù)結(jié)構(gòu)與堅(jiān)硬頂板巖層的協(xié)同控制，從而實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板下巷道圍巖良好的控制效果。

2.2 試驗(yàn)巷道圍巖控制方案

基于神農(nóng)煤業(yè)15102回風(fēng)順槽生產(chǎn)地質(zhì)條件及其圍巖控制思路，開發(fā)堅(jiān)硬頂板下15102回風(fēng)順槽圍巖控制方案。圖2為回風(fēng)順槽支護(hù)斷面圖，具體支護(hù)參數(shù)如下：

圖2 巷道支護(hù)斷面圖

（1）頂錨桿材料規(guī)格與布置方式。采用規(guī)格Φ20 mm×2400 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距設(shè)計(jì)為1000 mm×1000 mm，錨固力不小于120 kN，預(yù)緊扭矩不小于250 N?m。高強(qiáng)度高預(yù)緊力錨桿支護(hù)促使圍巖形成高強(qiáng)主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

（2）幫錨桿材料規(guī)格與布置方式。巷道南幫（非回采幫）采用Φ18 mm×2000 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，北幫（回采幫）采用Φ20 mm×2000 mm高強(qiáng)玻璃鋼錨桿，錨桿間排距1100 mm×1000 mm，其中螺紋鋼錨桿錨固力不小于100 kN，預(yù)緊扭矩不小于200 N?m，玻璃鋼錨桿錨固力不小于40 kN，預(yù)緊扭矩不低于70 N?m。

（3）錨桿托板規(guī)格。螺紋鋼錨桿配套規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的鋼制預(yù)應(yīng)力托板，玻璃鋼錨桿規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的塑料制預(yù)應(yīng)力托板。

（4）錨桿錨固劑規(guī)格。每根錨桿配套K2335、Z2360型錨固劑各一支，可保證將巷道頂板淺部巖層錨固至基本頂。

（5）金屬網(wǎng)規(guī)格。頂網(wǎng)采用直徑為6 mm鋼筋焊接而成的盤條網(wǎng)，網(wǎng)格100 mm×100 mm，規(guī)格1100 mm×2300 mm；南側(cè)幫（非回采幫）采用12#鐵絲編織而成菱形網(wǎng)，北側(cè)幫（回采幫）采用夾筋塑料網(wǎng)，網(wǎng)格大小60 mm×60 mm，網(wǎng)片規(guī)格為1100 mm×3800 mm。

（6）錨桿梯子梁規(guī)格。頂板及南側(cè)幫（非回采幫）螺紋鋼錨桿采用直徑Φ12 mm整根鋼筋焊接而成的梯子梁成排連接，鋼梁上設(shè)計(jì)錨桿卡欄。

（7）頂錨索材料規(guī)格與布置方式。錨索采用Φ17.8 mm×4200 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，配套規(guī)格300 mm×300 mm×20 mm鋼制預(yù)應(yīng)力托板，間排距1600 mm×3000 mm，每根錨索均采用端頭錨固，每根錨索配套3根錨固劑（1支K2335、2支Z2360），將形成的高強(qiáng)主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)錨固至 K2灰?guī)r巖層，充分發(fā)揮圍巖自身的承載性能。

3 圍巖控制效果分析

將開發(fā)的堅(jiān)硬頂板下15102回風(fēng)順槽圍巖控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，每隔50 m布置一個(gè)巷道圍巖位移觀測(cè)站，采用十字測(cè)試法監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形。圖3為試驗(yàn)巷道掘進(jìn)5個(gè)月（150 d）的圍巖變形情況。如圖所示，15102回風(fēng)順槽掘進(jìn)初期（60 d），巷道圍巖發(fā)生了較大的變形。該階段頂板累計(jì)下沉117 mm，移近速度約為1.95 mm/d；底板累計(jì)變形135 mm，移近速度約為2.25 mm/d；北幫（回采幫）累計(jì)變形99 mm，移近速度約為1.65 mm/d；南幫（非回采幫）累計(jì)變形90 mm，移近速度約為1.5 mm/d。之后隨掘進(jìn)時(shí)間的推移，巷道形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，圍巖變形速度明顯降低，并在巷道掘進(jìn)110～120 d后圍巖變形趨于穩(wěn)定。此時(shí)頂板累計(jì)下沉161 mm，底板累計(jì)變形185 mm，北幫（回采幫）累計(jì)變形134 mm，南幫（非回采幫）累計(jì)變形121 mm。由于底板未進(jìn)行支護(hù)，其變形量最大，南幫支護(hù)強(qiáng)度大于北幫，因此南幫變形量小于北幫。整體來(lái)說(shuō)，回風(fēng)順槽的變形情況均在可控范圍內(nèi)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察結(jié)果，試驗(yàn)巷道服務(wù)期間未發(fā)生明顯的大變形現(xiàn)象，證明了堅(jiān)硬頂板下15102回風(fēng)順槽圍巖控制技術(shù)和參數(shù)的合理性和優(yōu)越性。

圖3 巷道圍巖移近曲線

堅(jiān)硬頂板下15102回風(fēng)順槽圍巖控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了神農(nóng)煤業(yè)15102回風(fēng)順槽的穩(wěn)定控制，避免了因巷道變形造成的巷道多次修復(fù)工作，節(jié)省巷道修復(fù)人工費(fèi)用和材料費(fèi)用近30萬(wàn)元，避免了因巷道斷面尺寸達(dá)不到服務(wù)要求造成的工作面停產(chǎn)，從而影響礦井高效正?；夭?，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)了顯著的間接經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

錨網(wǎng)索為核心的主動(dòng)支護(hù)技術(shù)具有施工速度快、成本低、支護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)，以神農(nóng)煤業(yè)15102回風(fēng)順槽頂板賦存堅(jiān)硬巖層K2灰?guī)r為工程背景，提出了以高強(qiáng)度及時(shí)主動(dòng)支護(hù)、充分發(fā)揮堅(jiān)硬頂板巖層的承載能力為核心的試驗(yàn)巷道圍巖控制思路?；诖?，開發(fā)了神農(nóng)煤業(yè)堅(jiān)硬頂板下15102回風(fēng)順槽圍巖控制技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，其變形結(jié)果顯示，由于底板未進(jìn)行支護(hù)，其變形量最大，南幫支護(hù)強(qiáng)度大于北幫，因此南幫變形量小于北幫。整體來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)巷道服務(wù)期間未發(fā)生明顯的大變形現(xiàn)象，證明了堅(jiān)硬頂板下15102回風(fēng)順槽圍巖控制技術(shù)及參數(shù)的合理性和優(yōu)越性。