塔山煤礦鄰近巷道掘進擾動下圍巖控制技術(shù)

張建峰

(晉能控股煤業(yè)集團 安全管理五人小組，山西 大同 037003)

1 工程概況

塔山煤礦目前主采3～5號煤層，煤層埋深400～800 m，煤層平均厚度15.8 m，屬于特厚煤層，煤層傾角為3～5°，總體賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡單。煤層頂?shù)装鍘r性情況如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

塔山煤礦1070膠帶大巷及1070回風(fēng)大巷均沿煤層底板掘進，兩條大巷平行布置，中間間隔45 m的煤柱。1070膠帶大巷設(shè)計為直墻半圓拱形斷面，其掘?qū)挕辆蚋?5 440 mm×4 220 mm，凈寬×凈高=5 200 mm×4 000 mm，支護方式為“錨網(wǎng)索+W鋼護板+噴漿聯(lián)合支護”，具體支護參數(shù)如下：

頂、幫錨桿采用D=22 mm、L=2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排間距800 mm×800 mm，使用150 mm×150 mm×10 mm拱形高強度鋼托盤，W型鋼護板規(guī)格為450 mm×280 mm×4.75 mm；錨索采用D=21.8 mm、L=8 000 mm的錨索，排間距1 600 mm×1 600 mm，使用300 mm×300 mm×16 mm拱形高強度鋼托盤；頂幫均采用網(wǎng)格為100 mm×100 mm的D6 mm的鋼筋焊接網(wǎng)，并噴射混凝土厚度120 mm，強度C20.原支護斷面如圖1所示。

圖1 巷道原支護方案(mm)

1070回風(fēng)大巷的設(shè)計斷面及支護形式與1070膠帶大巷相似，2條大巷均采用全斷面一次割煤成巷法掘進，其中1070回風(fēng)大巷的掘進滯后于1070膠帶大巷。受回風(fēng)大巷掘進擾動的影響，已成型的膠帶大巷局部區(qū)域出現(xiàn)了較嚴(yán)重的變形，且表現(xiàn)出明顯的不對稱性，靠近回風(fēng)大巷側(cè)的巷幫變形較劇烈，并伴有頂板下沉量較大的現(xiàn)象，對井下安全高效生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響，因此，需對受掘進擾動下的大巷圍巖控制技術(shù)展開研究。

2 巷道擾動影響規(guī)律研究

2.1 圍巖強度特征

為了解塔山煤礦3～5號煤層頂?shù)装鍑鷰r的強度，在大巷內(nèi)選擇合理的位置對頂?shù)装鍑鷰r進行打鉆取芯，并將煤巖樣制成標(biāo)準(zhǔn)試件，采用伺服機等設(shè)備，對煤巖樣本的抗壓強度、抗拉強度、內(nèi)聚力等力學(xué)參數(shù)進行測定，測試結(jié)果如表2所示。

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)測定結(jié)果

由表2可知，3～5號煤及煤層上方泥巖的強度較低，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，而泥巖上方的含礫粗砂巖強度較高，完整性較好，且厚度較大，可作為支護構(gòu)件錨固層位。

2.2 圍巖擾動實測分析

為進一步明確回風(fēng)大巷掘進對膠帶大巷圍巖穩(wěn)定性的影響，在膠帶大巷合適的位置布置鉆孔，對其圍巖的松動破壞深度進行窺視分析，采用的設(shè)備為礦用鉆孔窺視儀及多點位移監(jiān)測計，其中窺視深度為15 m，多點位移計測量深度為8 m.

窺視測點位于膠帶大巷靠近回風(fēng)大巷的頂板處，在回風(fēng)大巷掘進至測點16 m前進行第1次觀測，回風(fēng)大巷掘進過測點后16 m時進行第2次窺視，窺視結(jié)果如下：

第2次窺視時，孔深1.5 m及3.0 m處圍巖的裂隙及破壞程度明顯多于第1次窺視；孔深4.3 m處的圍巖在第2次窺視時變得粗糙；第1次窺視時，7.8 m孔深處的圍巖較為完整，而在第2次窺視時出現(xiàn)了張開度較大的2條縱向裂縫；孔深8.2 m之后的圍巖在前后2次窺視時的變化不大，裂隙情況未明顯變化。由以上窺視結(jié)果可知，回風(fēng)大巷掘進對于膠帶大巷頂板圍巖的擾動作用較為明顯。

在膠帶大巷左幫同一鉆孔內(nèi)布置深度分別為1 m、2 m、4 m、8 m的位移監(jiān)測計，并進行為期30 d的不同基點圍巖位移監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同深度測點左幫位移變化曲線

由圖2可知，在監(jiān)測第10 d時回風(fēng)大巷通過了監(jiān)測點。在監(jiān)測第9 d到第14 d期間，深度為1 m、2 m及4 m測點的位移增長幅度較大，其位移量分別為36 mm、27 mm、10 mm，穩(wěn)定后的位移量分別為40 mm、29 mm、13 mm；而8 m深測點的位移在30 d監(jiān)測期間無大幅度的變化，穩(wěn)定后僅有2 mm的位移量。

由窺視結(jié)果及位移監(jiān)測結(jié)果可知，在回風(fēng)大巷掘進擾動的影響下，膠帶大巷左幫的淺部圍巖破壞變形較為明顯，而8 m深度之外的圍巖完整性較高，基本不受擾動影響；回風(fēng)大巷掘進對膠帶大巷的擾動顯著影響期為5 d左右。

3 巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 支護方案優(yōu)化

根據(jù)大巷的實際賦存條件及現(xiàn)場實測結(jié)果對原有支護方案進行優(yōu)化。

1) 由現(xiàn)場觀測結(jié)果可知，巷道頂板1.5～3.0 m范圍內(nèi)的圍巖裂隙較多，破壞變形程度較大，4.3～7.8 m圍巖表面較為粗糙，并分布有縱向裂隙，導(dǎo)致錨桿(索)的錨固能力變?nèi)?，無法提供有效的支護作用。因此，可通過縮小錨桿、錨索的間排距來提高支護強度，并加大錨索長度，使其能夠穩(wěn)固在穩(wěn)定巖層中，有效地控制破碎圍巖。

2) 膠帶大巷左幫受掘進擾動影響破壞變形嚴(yán)重，可通過縮小幫錨桿間排距，補打錨索來抑制巷幫變形。

3) 由于巷道斷面較大，且為深埋礦井，其底板會出現(xiàn)一定程度的底鼓，需采取挖底、澆灌混凝土等措施加以防治。

根據(jù)以上思路提出2種支護優(yōu)化方案：

第1種優(yōu)化方案為：在原有支護方案的基礎(chǔ)上，將錨索長度統(tǒng)一增加至9 m，間排距不變；巷幫在原有基礎(chǔ)上補打1根9 m的錨索，間排距1 600 mm×1 600 mm.

第2種優(yōu)化方案在第1種優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，將錨索排距統(tǒng)一縮小至1 000 mm；幫錨桿的間距縮小至600 mm.

3.2 優(yōu)化方案數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，依據(jù)1070膠帶大巷及回風(fēng)大巷的實際賦存條件建立模型，對比分析原有支護及優(yōu)化支護方案的圍巖控制效果。不同支護方案下巷道圍巖的變形情況如圖3所示。

由圖3可知，原支護方案下巷道頂?shù)装宓囊七M量為782 mm，左右兩幫的移進量分別為570 mm、460 mm；而優(yōu)化方案1下的頂?shù)装寮白笥覂蓭鸵七M量分別為721 mm、547 mm、454 mm，相對于原支護方案下的移進量分別降低了7.8%、4.1%、1.3%.另外，方案1的左右兩幫變形量相差較大，仍存在明顯的非對稱變形。

圖3 不同支護方案下巷道圍巖的變形情況

優(yōu)化方案2的頂?shù)装寮白笥覂蓭鸵七M量分別為659 mm、464 mm、448 mm，相對于原支護方案下的移進量分別降低了15.7%、18.6%、2.6%，且在該方案下的左右兩幫變形量基本相近。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，第2種優(yōu)化方案的圍巖控制效果更明顯，因此確定采用第2種優(yōu)化支護方案。

4 應(yīng)用效果分析

采用第2種優(yōu)化方案對1070膠帶大巷重新進行了加固。為分析1070膠帶大巷受掘進擾動下優(yōu)化支護方案的應(yīng)用效果，在巷道內(nèi)布置監(jiān)測站，采用十字布點法監(jiān)測巷道圍巖的變形量，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，回風(fēng)大巷在第9天掘進通過膠帶大巷的監(jiān)測點，采用第2種優(yōu)化支護方案后，巷道頂板最大下沉量為28 mm，巷道兩幫最大移進量為53 mm.巷道圍巖的變形量較小，滿足礦井安全生產(chǎn)需求，說明該優(yōu)化方案的控制效果顯著。

圖4 改進支護后的巷道圍巖變形量

5 結(jié) 語

1) 通過現(xiàn)場觀測得出，1070膠帶大巷在1070回風(fēng)大巷的掘進擾動下，淺部圍巖裂隙增多，而8 m深度之外的圍巖完整性較高，基本不受擾動影響，擾動顯著影響期為5 d左右。

2) 根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，采用數(shù)值模擬軟件對比分析了不同支護方案下的圍巖控制效果，并確定出合理的支護優(yōu)化方案。

3) 現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：對支護方案進行優(yōu)化后，巷道頂板最大下沉量為28 mm，巷道兩幫最大移進量為53 mm，巷道圍巖的變形量較小，控制效果顯著。