近距離煤層低抽巷支護技術(shù)實踐應(yīng)用

孟 雷，劉鳳明

(山西焦煤 西山煤電官地煤礦， 山西 太原 030022)

官地煤礦2021年度瓦斯等級測定，礦井絕對瓦斯涌出量為92.88 m3/min，相對瓦斯涌出量為12.73 m3/t，屬高瓦斯礦井。礦井8#煤層和9#煤層屬于近距離煤層，為了兼顧上下煤層瓦斯的抽放，在9#煤層布置巷道,抽放8#煤層、9#煤層內(nèi)的瓦斯，同時兼作9#煤層回采巷道使用。南五采區(qū)首采18502工作面低抽巷布置在工作面副巷外側(cè)20 m，在9#煤層掘進過程中，頂部錨桿(索)出現(xiàn)連續(xù)斷裂現(xiàn)象，主要是受頂部巖層復(fù)合應(yīng)力,導(dǎo)致錨桿(索)脆性剪切斷裂，給生產(chǎn)帶來安全隱患。若18502工作面開始回采，低抽巷將受工作面采動影響，頂部錨桿(索)出現(xiàn)集中斷裂，導(dǎo)致大面積頂板支護失效而造成頂板局部垮落，巷道基本處于報廢狀態(tài)。從南五采區(qū)低抽巷支護狀況來看，現(xiàn)有支護方式很難保證巷道的二次復(fù)用要求，為確保低抽巷在開采9#煤層二次使用，必須探索新的支護方式。

1 工作面概況

官地礦18502工作面地面位置位于風(fēng)峪溝西南側(cè)山坡，植被發(fā)育，蓋山厚度326～431 m，平均379 m；井下位置位于南五采區(qū)北翼，工作面北側(cè)約70 m為南翼輸送機大巷，西北側(cè)為風(fēng)峪溝風(fēng)井保安煤柱，西南側(cè)為未采區(qū)，切眼上部為實體煤，巷道上部東北側(cè)45 m為16502采空區(qū)，6#—8#煤層間距約25 m，8#—9#煤層間距平均2.28 m. 該工作面8#、9#煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，8#煤層含一層夾石，平均厚度為0.24 m，9#煤層含一層夾石，平均厚度為0.16 m. 煤層頂?shù)装迩闆r見表1.

表1 工作面煤層頂?shù)装迩闆r表

2 近距離煤層低抽巷原支護方案及存在的問題

2.1 原巷道支護方案

18502工作面低抽巷根據(jù)工程類比法選擇合理的支護參數(shù)，然后采用計算法校核。具體支護形式如下：采用矩形斷面，全錨支護，巷道凈寬4.5 m，凈高3.0 m，斷面支護圖見圖1. 頂上排排鋪礦用編織六角金屬護網(wǎng)、上五眼位4.2 m長W型鋼帶、打錨桿(索)，鋼帶1#、3#、5#和2#、4#眼內(nèi)交替布置d21.6 mm×9 200 mm鋼絞線錨索(根據(jù)9#煤頂板和8#煤層厚度變化情況及時調(diào)整錨索長度，確保錨入8#煤頂板穩(wěn)定巖層1.0 m以上)，其余鋼帶眼內(nèi)均布置d22 mm×2 400 mm螺紋鋼樹脂錨桿，其中鋼帶1#、5#眼位為錨桿時打設(shè)成角錨桿，角度不低于75°，錨桿(索)間排距2.0 m×1.0 m. 兩幫均掛礦用編織六角金屬護網(wǎng)并上三眼2.14 m長鋼筋鋼帶、打3排d22 mm×2 400 mm螺紋鋼樹脂錨桿，間排距1.0 m×0.9 m，第一排錨桿距頂400 mm，兩幫每2.0 m各用一根d21.6 mm×4 200 mm鋼絞線錨索替代中間眼位錨桿加強支護。

圖1 原巷道斷面支護圖

2.2 原支護方案存在的問題

巷道掘進至230 m時，工作面30 m往外開始出現(xiàn)斷錨桿(索)現(xiàn)象，根據(jù)頂部錨桿(索)斷裂位置、部位和現(xiàn)場觀察分析，斷裂處附近頂板離層儀和巷道圍巖有少許變形，托片個別有微變形，判斷錨桿(索)局部受頂板軸向壓力。9#煤層頂板為厚度平均1.5 m細粒砂巖、中間夾雜著0.3 m左右的煤，斷錨桿(索)一側(cè)桿體上有壓痕，斷口徑縮不明顯，斷口較工整，斷裂前未產(chǎn)生明顯的塑形變形，判斷錨桿(索)受頂板水平剪切應(yīng)力較大；錨桿(索)打設(shè)操作方式不規(guī)范，帶有一定角度，在預(yù)緊過程中，錨桿(索)托片對桿體也有一定的剪切力。在此復(fù)合應(yīng)力及角度下導(dǎo)致了錨桿(索)的脆性剪切斷裂。

采用上述支護方案不能有效控制頂板離層和巷道圍巖變形，同時斷裂錨桿(索)處需要及時補打錨索或加套工字鋼棚，無形中增加巷道支護成本和職工勞動強度。

3 新型支護技術(shù)方案

3.1 支護參數(shù)設(shè)計原則

通過對錨桿(索)斷裂原因分析，錨桿(索)主要受頂部巖石錯動，受到強烈剪切而發(fā)生破斷，提出以下設(shè)計原則：

1) 一次支護原則。錨桿、錨索支護應(yīng)盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。

2) 高預(yù)應(yīng)力原則。預(yù)緊力是錨索支護中的關(guān)鍵因素，只有高預(yù)緊力錨索才能發(fā)揮強力錨索的作用。設(shè)計通過采用大直徑錨索提高錨索預(yù)緊力，增加頂板巖層界面的正應(yīng)力和摩擦力，盡可能減小頂板巖層錯動程度，提高錨固圍巖的整體剛度與完整性。

3) “三高一低”原則。在提高錨索強度和剛度，保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨索數(shù)量，提高掘進速度。

4) 高抗剪原則。針對錨索抗剪能力弱，設(shè)計采用抗剪套管，緩沖頂部巖層對錨索剪切應(yīng)力的影響，預(yù)防錨索破斷。

3.2 新型支護技術(shù)方案的提出

根據(jù)支護參數(shù)設(shè)計原則，該礦首次引進SKP29-19/1770型高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索d28.6 mm、抗拉強度為1 770 MPa的19根普通型礦用錨索，提出采用d28.6 mm粗鋼絞線錨索代替d21.6 mm鋼絞線錨索加固頂板，預(yù)緊力和錨固力達到380 kN，比原支護錨索預(yù)緊力提高近2倍。同時設(shè)計采用1.0 m長抗剪套管與錨索配合使用，套管采用內(nèi)徑32 mm、外徑42 mm的鋼管制作，用于緩沖巖層對錨索剪切應(yīng)力的影響。

3.3 支護設(shè)計參數(shù)

頂板采用錨桿、錨索、網(wǎng)、W型鋼帶聯(lián)合支護，頂上排排鋪礦用編織六角金屬護網(wǎng)，壓眼距1 000 mm、全長 4.2 m 的 5 眼位W型鋼帶，鋼帶 1#、3#、5#和 2#、4#眼位交替布置d21.6 mm×9 200 mm 鋼絞線錨索，其余眼位均布置d22 mm×2 400 mm 螺紋鋼樹脂錨桿，鋼帶1#、5#眼位為錨桿時，打設(shè)角錨桿，角度不小于75°，其中鋼帶3#和2#、4#眼位為錨索時用d28.6 mm×9 200 mm鋼絞線錨索代替加強支護，粗錨索配套使用抗剪套管，頂錨索根據(jù)9#煤頂板和8#煤層厚度變化情況及時調(diào)整錨索長度，確保錨入8#煤頂板穩(wěn)定巖層1.0 m以上；兩幫支護不變。頂板支護圖見圖2.

圖2 新支護方案頂板支護圖

3.4 抗剪套管的安裝使用步驟

1) 鉆孔。采用d40 mm鉆頭鉆孔，鉆孔角度與巖面垂直，偏差應(yīng)小于3°，鉆孔深度比鋼絞線總長淺150～250 mm.

2) 擴孔。采用d50 mm的專用擴孔鉆頭，將導(dǎo)向桿放入已鉆好的小孔內(nèi)連接鉆機進行擴孔(小孔與大孔須同心)，擴孔深度1 000 mm.

3) 清孔及孔口處修正。清理孔內(nèi)的巖粉、石渣和其它殘留物，對擴孔后孔口處進行修正，保證錨孔與巖面處于90°.

4) 準備錨固劑。樹脂錨固劑采用一卷MSCKb3060型樹脂藥卷和3卷MSK3080型樹脂藥卷，錨固長度不小于2 000 mm.

5) 安裝鋼絞線。將錨固劑送入小孔內(nèi)，用鋼絞線把錨固劑推入孔底，用錨桿鉆機邊推進邊攪拌，攪拌15～20 s后停止攪拌，等待2～3 min后撤下鉆機。

6) 安裝抗剪套管。鋼絞線錨固完成后，依次將抗剪套管、W型鋼帶套在外露的鋼絞線上，推入孔內(nèi)使W型鋼帶貼緊頂板；將托片、錨具穿入鋼絞線至受壓面處，再用錨索張拉機夾持鋼絞線進行張拉，張拉力值達到380 kN應(yīng)停止張拉，撤下張拉機，完成安裝。

4 支護效果分析

巷道從550 m處開始采用新支護方案，并在原巷道錨桿(索)破斷處補打抗剪套管錨索加固頂板。經(jīng)過頂板離層監(jiān)測和圍巖變形觀測，巷道內(nèi)礦山壓力無明顯顯現(xiàn)，巷道圍巖變形量和頂板離層變形量都趨于穩(wěn)定，頂板離層和圍巖變形量曲線圖見圖3，圖4.

圖3 頂板離層變化量曲線圖

圖4 圍巖變形量曲線圖

巷道試驗抗剪套管錨索3個月內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂，細錨索和錨桿僅出現(xiàn)幾根斷裂，且550 m往外巷道在補打抗剪套管錨索后，錨桿(索)斷裂現(xiàn)象也明顯減少，頂板離層量和圍巖變形量趨于穩(wěn)定，顯然試驗抗剪套管錨索支護效果明顯。

5 結(jié) 語

官地煤礦18502工作面低抽巷采用d28.6 mm的鋼絞線錨索并配套使用抗剪套管，能夠有效控制巷道圍巖變形和頂板離層，減少了錨桿、錨索斷裂現(xiàn)象，提高了掘進速率和施工安全系數(shù)，降低了巷道的支護成本，保證了巷道的安全使用，為下一步開采南五采區(qū)9#煤積累了經(jīng)驗。