孤島工作面兩巷控制技術(shù)探究

和英杰

（山西蘭花百盛煤業(yè)，山西 晉城 048400）

隨著開(kāi)采深度的不斷增加，在回采孤島工作面時(shí)，會(huì)造成兩巷沿空掘進(jìn)，巷道壓力較大，對(duì)巷道的維護(hù)成為孤島煤柱工作面治理的重點(diǎn)[1-4]。由于地質(zhì)構(gòu)造引起的地應(yīng)力本身較為復(fù)雜，在孤島工作面頂板結(jié)構(gòu)特征的影響下，應(yīng)力集中程度會(huì)進(jìn)一步增加，為回采巷道采掘期間的穩(wěn)定控制帶來(lái)了挑戰(zhàn)[5-7]。兩回采巷道易陷入修復(fù)后再次變形的窘態(tài)，若再經(jīng)受采動(dòng)影響，則易發(fā)生冒頂?shù)劝踩鹿蔥8]。

1 概 況

唐安煤礦屬于高瓦斯礦井，主采3 號(hào)煤，該煤層無(wú)沖擊地壓危險(xiǎn)，煤塵無(wú)爆炸性。3405 工作面東部和西部分別為3407、3403 綜放面采空區(qū)，南部緊鄰采區(qū)專(zhuān)用回風(fēng)大巷，北部為實(shí)體煤柱。該工作面設(shè)計(jì)順槽長(zhǎng)1 410 m，切眼175 m[2]。原設(shè)計(jì)進(jìn)、回風(fēng)順槽均沿煤層底板布置，矩形巷道，凈高2.7 m，凈寬4.0 m，切眼沿煤層底板布置，凈高2.7 m，凈寬6.5 m（切眼兩口處部分凈寬7 m）。采用傾斜長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤工藝，全部垮落法管理采空區(qū)[3]。

唐安煤礦3407 工作面上下順槽受周邊采空區(qū)壓力影響，圍巖變形嚴(yán)重，突出表現(xiàn)為掘進(jìn)時(shí)巷道變形較快，在巷道掘進(jìn)后20 d 左右，巷道的底板鼓起量在600～900 mm，兩幫移進(jìn)量達(dá)400～600 mm，導(dǎo)致前頭掘進(jìn)，后路安排專(zhuān)人整修。在工作面回采時(shí)，上下端頭超前支護(hù)20 m 范圍內(nèi)，頂?shù)准皟蓭褪諗慨惓?yán)重，局部斷面不足原設(shè)計(jì)巷道斷面的2/3。膠帶順槽設(shè)備較多，受巷道變形影響大，工作面推進(jìn)困難，且回采工作面上下端頭20 m 的超前支護(hù)無(wú)法保證回采的安全需要。為回采的順利進(jìn)行，每班需要安排專(zhuān)人進(jìn)行臥底擴(kuò)幫，嚴(yán)重制約著回采速度。

在3405 工作面設(shè)計(jì)時(shí)采用了增大巷道斷面，加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度的方式，控制了孤島工作面兩巷收斂變形嚴(yán)重的難題，解決了生產(chǎn)中的困難。

2 巷道設(shè)計(jì)方案

2.1 原設(shè)計(jì)方案

原巷道設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，如圖1 所示。巷道斷面規(guī)格為凈寬×凈高=4.0 m×2.7 m。頂錨桿采用MSGLW-335/20Ⅱ（無(wú)縱肋螺紋鋼式）高強(qiáng)度錨桿，直徑20 mm，長(zhǎng)2.4 m，錨桿間排距分別為850 mm、800 mm，錨桿垂直煤壁打設(shè)，頂角錨桿與煤壁成75°打設(shè)。頂錨桿配合梯子梁使用，選用長(zhǎng)×寬×厚=3 800 mm×100 mm×16 mm的梯子梁，并沿垂直巷道方向布置，配合長(zhǎng)×寬×厚=140 mm×120 mm×8 mm 的U36 鋼托板，孔徑為23 mm（±1 mm）。頂錨桿采用端頭錨固，采用1 卷K2335 錨固劑和2 卷Z2335 樹(shù)脂錨固劑，為了快速安裝，錨固劑可選取先快速再中速安裝，錨固力≥130 kN，螺母扭矩不低于200 N·m。

圖1 原巷道支護(hù)斷面示意Fig.1 Original support section of roadway

巷道設(shè)計(jì)垂巷打設(shè)3 趟錨索，根據(jù)巖層情況，將頂板錨索固定到老頂內(nèi)1.5 m 以上計(jì)算，錨索選取直徑為21.8 mm 的高強(qiáng)度低松馳鋼絞線，破斷載荷為583 kN，設(shè)計(jì)錨固力為560 kN，間排距均為1.4 m。錨索配備16#b 型槽鋼配合U36 鋼托板使用，槽鋼規(guī)格為3 200 mm×160 mm×8.5 mm，托板規(guī)格140 mm×120 mm×10 mm。槽鋼垂直巷道掘進(jìn)方向布置。每根錨索采用K2335 和Z2335 樹(shù)脂錨固劑各2 卷進(jìn)行端頭錨固，錨索預(yù)緊力≥200 kN。

巷道兩幫采用錨桿配合梯子梁封幫，幫錨桿采用直徑18 mm，長(zhǎng)2.2 m 的等強(qiáng)錨桿，配長(zhǎng)×寬×厚=140 mm×120 mm×8 mm 的U36 鋼托板，孔徑為21 mm（±1 mm）。錨桿間排距為800 mm，錨固力≥64 kN，螺母扭矩不低于130 N·m。

護(hù)表材料選取φ6 mm 鋼筋網(wǎng)裱褙。

2.2 優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案

由于該工作面為孤島工作面，上下兩巷緊鄰采空區(qū)導(dǎo)致煤柱應(yīng)力集中，在掘進(jìn)及回采期間受采空區(qū)應(yīng)力傳遞影響，巷道變形嚴(yán)重。為控制巷道變形，降低巷道返修率，需適當(dāng)增大巷道斷面，同時(shí)提高巷道圍巖的支護(hù)強(qiáng)度。因此巷道斷面規(guī)格設(shè)計(jì)為凈寬4.5 m×凈高3.5 m，優(yōu)化后巷道支護(hù)斷面如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后巷道支護(hù)斷面示意Fig.2 Optimized support section of roadway

（1） 頂錨桿選取直徑20 mm，長(zhǎng)2.4 m 的MSGLW-335/20Ⅱ高強(qiáng)度錨桿，配合梯形梁使用，間距850 mm，排距1 000 mm；梯形梁沿垂直巷道方向布置，規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=4 600 mm×80 mm×16 mm。

（2） 頂錨索直徑為21.8m m，長(zhǎng)7.5 m 鋼絞線，配合規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=4 000 mm×160 mm×8.5 mm 的16#b 槽鋼使用，槽鋼垂直頂板打設(shè)，每排打設(shè)5 根錨索，配合使用長(zhǎng)×寬×厚=120 mm×120 mm×16 mm 的鐵托盤(pán)。

（3） 兩幫支護(hù)。兩幫采用錨桿配合梯形梁封幫，幫錨桿采用直徑20 mm，長(zhǎng)2.4 m 的高強(qiáng)錨桿，間距800 mm，排距800 mm，梯形梁垂直巷道布置，規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=2 800 mm×80 mm×14 mm，配長(zhǎng)×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm 的鋼托盤(pán)。底根錨桿可滯后10 m，使用1 m 長(zhǎng)梯形梁接梁垂直巷道方向打設(shè)，并根據(jù)底板高度適當(dāng)調(diào)整梯形梁規(guī)格。

為控制巷道兩幫收斂變形，減少采空區(qū)應(yīng)力對(duì)巷道變形的影響，在巷道兩幫打設(shè)幫錨索，幫錨索采用直徑17.8 mm，長(zhǎng)4.0 m 的鋼絞線，選用2 卷K2335 樹(shù)脂錨固劑和2 卷Z2335 樹(shù)脂錨固劑配合錨固，為方便快速安裝，先安裝K2335 錨固劑，再安裝Z2335 錨固劑。

①上幫錨索距頂1 700 mm，錨桿錨索交替打設(shè)，即每隔一排幫錨桿打設(shè)一根幫錨索，錨索排距1 800 mm，打設(shè)在第三根錨桿位置代替幫錨桿。

②下幫錨索打設(shè)間距900 mm，排距1 600 mm，并呈邁步式打設(shè)。第一排錨索距頂1 400 mm，在兩排錨桿之間補(bǔ)充打設(shè)，配合梯形梁使用，梯形梁規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=2 000 mm×160 mm×8.5 mm，并可根據(jù)煤層傾角和巷道高度適當(dāng)調(diào)整。

（4） 護(hù)表材料采用鋼筋網(wǎng)+雙抗塑料網(wǎng)聯(lián)合裱褙。

3 方案比較

巷道設(shè)計(jì)優(yōu)化后，巷道斷面變大，并允許一定范圍內(nèi)的變形，巷道頂幫均增加了支護(hù)強(qiáng)度。

3.1 錨桿受力情況觀測(cè)

通過(guò)安裝錨桿壓力表，對(duì)巷道頂幫錨桿受力情況進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)并統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3 所示。數(shù)據(jù)表明，巷道打設(shè)錨桿后，錨桿受力情況隨時(shí)間遞增，并在安裝20 d 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，頂板錨桿所受載荷最大值在100 kN 左右，幫部錨桿所受載荷最大值為85 kN。

圖3 錨桿所受載荷與時(shí)間變化曲線Fig.3 The change curve of bolt load and time

3.2 巷道變形情況觀測(cè)

巷道掘進(jìn)后及時(shí)布置圍巖觀測(cè)站，采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道變形情況連續(xù)觀測(cè)，巷道兩幫及頂?shù)装鍑鷰r收斂變形情況如圖4 所示。

圖4 巷道收斂變形曲線Fig.4 Convergence deformation curve of roadway

巷道在掘后初期的前20 d 內(nèi)，巷道圍巖變形最快，兩幫移近量可達(dá)28 mm/d，頂?shù)装逡平靠蛇_(dá)20 mm/d，隨后兩幫和頂?shù)鬃冃瘟恐鸩阶冃。?0 d 后趨于穩(wěn)定。巷道圍巖收斂變形穩(wěn)定后頂?shù)装逑鄬?duì)位移為160 mm 左右，兩幫相對(duì)位移為180 mm左右，巷道變形量均控制在允許范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)未見(jiàn)明顯底鼓現(xiàn)象，結(jié)果表明巷道維護(hù)效果較好，優(yōu)化巷道斷面及支護(hù)方案后圍巖變形得到了有效控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

唐安煤礦3405 孤島工作面兩巷為沿空掘巷，受兩側(cè)采空區(qū)應(yīng)力傳遞影響，巷道布置位置屬于應(yīng)力增高區(qū)，表現(xiàn)為巷道圍巖應(yīng)力集中，巷道所承受壓力較大，為保證巷道掘進(jìn)及回采期間的斷面要求，通過(guò)優(yōu)化巷道斷面設(shè)計(jì)，增加兩巷支護(hù)強(qiáng)度，可有效控制巷道圍巖變形。具體做法為巷道支護(hù)面積由4.0 m×2.7 m 增大至4.5 m×3.5 m，支護(hù)強(qiáng)度由原設(shè)計(jì)的幫部等強(qiáng)錨桿優(yōu)化為高強(qiáng)錨桿，為了控制兩幫收斂，增加幫錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；頂板錨索由原設(shè)計(jì)3 根增加至5 根。礦壓觀測(cè)結(jié)果表明巷道變形由原來(lái)的掘后20 d 左右巷道底鼓達(dá)500～800 mm，兩幫收斂近300～500 mm；控制到頂?shù)滓七M(jìn)量最大160 mm，兩幫收斂量最大180 mm，巷道圍巖變形量得到了有效控制，滿足了巷道采掘期間的生產(chǎn)需要，為同地區(qū)相似條件的孤島工作面巷道變形控制提供了實(shí)踐參考。