煤礦連采工藝的圍巖控制技術(shù)研究

王 東

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)燕家河煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

對于絕大多數(shù)煤礦而言，其可開采的煤層數(shù)較多，而且各個煤層的間距也不等。當(dāng)煤層之間的間距較大時，上層煤層的開采不會對下層煤層開采造成影響；當(dāng)煤層之間的間距較小時，上層煤層已經(jīng)開采完畢，當(dāng)開采下層煤層時其對應(yīng)的頂板條件不穩(wěn)定，極易在工作面采空區(qū)的另一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)而會導(dǎo)致正在開采煤層的巷道出現(xiàn)較為嚴(yán)重的變形；同時，在礦山壓力的共同作用下，會加劇巷道的變形，在某種程度上對巷道支護(hù)增加了難度[1]。本文將以實踐生產(chǎn)對連續(xù)開采工藝下，尤其是對兩煤層間距較小時下部煤層巷道的圍巖控制技術(shù)展開研究。

1 工程概況

某礦井在設(shè)計初期的生產(chǎn)能力為3 Mt/a，在后期技術(shù)升級改造后，該礦井的生產(chǎn)能力提升至5 Mt/a。目前，礦井可開采的煤層包括有2-1#、2-2#、10#和11#煤層。其中，2-1# 和2-2# 煤層之間的最小間距為0.1 m，最大間距為12 m，平均間距為5.6 m，整體上講，這個煤層相對穩(wěn)定且全部可采。本文以2-2#煤層所屬的601 工作面開展系列研究，該工作面的走向長度為1 550 m，其中切巷的長度為240 m。601 工作面的頂?shù)装鍡l件，如表1 所示。

表1 601 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

總體來講，601 工作面的地質(zhì)構(gòu)造相對簡單。對601 工作面開采巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，并對最終的圍巖控制效果進(jìn)行驗證。

2 連采工作面巷道支護(hù)設(shè)計

根據(jù)連采工作面的地質(zhì)條件和開采工藝特點，提出巷道支護(hù)設(shè)計原則，并對應(yīng)的提出巷道支護(hù)方案。

2.1 連采工作面巷道支護(hù)原則

為保證最終巷道支護(hù)方案的可行性和最終的支護(hù)效果，支護(hù)方案設(shè)計需要遵循如下原則：

2.1.1 一次性支護(hù)

所謂一次性支護(hù)指的是對巷道支護(hù)方案的實施應(yīng)整體完成，避免因二次支護(hù)返工影響最終的支護(hù)效果。

2.1.2 預(yù)應(yīng)力分散

當(dāng)錨桿支護(hù)實施完成后，為了保證每根錨桿均可達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果，需要采用托板或者托梁對錨桿的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行分散[2]。

2.1.3 相互匹配原則

錨桿僅為支護(hù)方案中的關(guān)鍵部件，為了強(qiáng)化最終的支護(hù)效果，需要選擇與已經(jīng)選擇錨桿相配套的錨索對巷道進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。

2.1.4 經(jīng)濟(jì)性原則

所謂經(jīng)濟(jì)性原則指的是在保證對巷道圍巖進(jìn)行有效控制的基礎(chǔ)上，盡可能的減少支護(hù)實施的工作量，提高支護(hù)實施的效率，節(jié)約支護(hù)成本[3]。

2.2 連采工作面支護(hù)方案設(shè)計

根據(jù)601 工作面的現(xiàn)場情況，需要對順槽、端頭以及切巷進(jìn)行支護(hù)設(shè)計。具體闡述如下。針對順槽的支護(hù)，本工程對不同煤層間距設(shè)計的而不同的支護(hù)方案。根據(jù)現(xiàn)場煤層間距的探測結(jié)果，將煤層間距分為三個等級，即間距為0～1 m、間距為1～3 m 和間距大于3 m。以順槽正巷為例，其具體的支護(hù)方案如下：

2.2.1 煤層間距小于1 m 時

當(dāng)連采煤層的間距小于1 m 時，主要采用錨網(wǎng)梁與11#礦工鋼棚聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)。具體方案如下：頂板主要依靠工字鋼棚對其進(jìn)行支護(hù)，其間距為0.6 m；兩幫采用錨網(wǎng)梁與11#礦工鋼棚進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，其中錨桿的直徑為18 mm，長度為1 600 mm，錨桿間距為1 200 mm，錨桿排距為600 mm。當(dāng)煤層間距小于1 m時，順槽正巷的支護(hù)斷面，如圖1 所示。

圖1 煤層間距小于1 m 順槽正巷支護(hù)示意圖（單位：mm）

2.2.2 煤層間距在1～3 m 之間時

當(dāng)煤層間距在1～3 m 之間時，主要采用錨網(wǎng)鋼帶與11#礦工鋼棚聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)。其中，頂板在采用直徑18 mm、長度1 000 mm、間距為900 mm 且排間距為1 000 mm 錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用錨網(wǎng)鋼帶和架棚進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，其中，頂部棚架的間距為1 000 mm。兩幫在采用直徑為18 mm，長度為1 600 mm，間距為1 200 mm 且排間距為1 200 mm 錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采用錨網(wǎng)梁與礦工鋼棚進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，其中，曠工鋼棚的間距為1 000 mm。

當(dāng)煤層間距在1～3 m 之間時，順槽正巷的支護(hù)斷面，如圖2 所示。

2.2.3 煤層間距大于3 m 時

當(dāng)煤層間距大于3 m 時，頂板采用錨桿+錨索+架棚的聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)，具體參數(shù)如下：錨桿為左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，直徑為18 mm，長度為2 000 mm，間距為900 mm，排間距為1 000 mm；錨索為鋼絞線，直徑為17.8 mmm，長度為3 200 mm，間距為2 000 mm，排間距為2 000 mm；頂部棚架間距為1 000 mm。兩幫采用錨桿+錨網(wǎng)梁的聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)，具體參數(shù)如下：錨桿為高強(qiáng)錨桿，直徑為18 mm，長度為1 600 mm，間距為1200 mm，排間距為1 200 mm；兩幫棚架間距為1 000 m。

當(dāng)煤層間距大于3 m 之間時，順槽正巷的支護(hù)斷面，如圖3 所示。

圖3 煤層間距大于3 m 時順槽正巷支護(hù)示意圖（單位：mm）

3 支護(hù)方案可行性驗證

為驗證上述支護(hù)方案的可行性和有效性，對上述方案在工作面巷道實施后對錨桿錨索的工作載荷以及巷道的移近量進(jìn)行監(jiān)測[4]。監(jiān)測結(jié)果如下：

3.1 錨桿錨索受力載荷

隨著工作面的推進(jìn)，錨桿錨索的受力載荷情況變化，如圖4 所示。

圖4 錨桿錨索受力載荷變化情況

如圖4 所示，在距離工作面迎頭距離為20 m 處的錨桿和錨索所承受在載荷明顯增加，對應(yīng)的增量為10 kN；隨著工作面的不斷推進(jìn)，錨桿和錨索工作載荷不斷變化，并在巷道推進(jìn)至50 m 的位置時，錨桿錨索的工作載荷處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，且其均未達(dá)到對應(yīng)的極限值，即可對工作面圍巖起到有效的控制效果。

3.2 巷道圍巖位移分析

本工程采用頂板離層指示儀并基于十字布樁法對設(shè)備進(jìn)行布置對巷道頂板和兩幫的位移進(jìn)行監(jiān)測[5]。監(jiān)測結(jié)果如下：

1）巷道工作面頂板的最大位移量為10 mm，兩幫的最大移近量僅為23 mm；上述圍巖的位移變化均在允許范圍之內(nèi)；

2）隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面頂板及兩幫的圍巖并未出現(xiàn)片幫、破碎以及剝落的情況，說明支護(hù)方案對巷道圍巖進(jìn)行有效控制，其所成承受的應(yīng)力也較小，能夠保證巷道的穩(wěn)定。

4 結(jié)語

煤礦可開采的煤層眾多，各個煤層之間的間距不同。當(dāng)煤層間距較大時，開采下部煤層不會因為上部煤層開采完畢而受到影響；當(dāng)煤層間距較小時，開采下部煤層時會由于上部煤層開采完畢而導(dǎo)致其頂板不穩(wěn)定，進(jìn)而影響開采的安全性。本文針對此種情況，對不同煤層間距對應(yīng)工作面開采巷道的支護(hù)提出不同級別的支護(hù)方案，實踐表明：

1）并在巷道推進(jìn)至50 m 的位置時，錨桿錨索的工作載荷處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，且其均未達(dá)到對應(yīng)的極限值，即可對工作面圍巖起到有效的控制效果。

2）隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面頂板及兩幫的圍巖并未出現(xiàn)片幫、破碎以及剝落的情況，說明支護(hù)方案對巷道圍巖進(jìn)行有效控制，其所成承受的應(yīng)力也較小，能夠保證巷道的穩(wěn)定。