錢營孜煤礦沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究＊

劉明杰 瞿群迪 孫玉亮 張有乾

（1.中煤集團(tuán)山西華昱能源有限公司，山西省朔州市，036900；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

錢營孜煤礦沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究＊

劉明杰1瞿群迪2孫玉亮2張有乾2

（1.中煤集團(tuán)山西華昱能源有限公司，山西省朔州市，036900；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

錢營孜煤礦W3214工作面運(yùn)輸平巷為沿W3212工作面采空區(qū)掘進(jìn)的沿空巷道，為了控制沿空巷道圍巖的劇烈變形，研究了圍巖控制技術(shù)。根據(jù)沿空掘巷圍巖控制原理，并針對(duì)W3214工作面運(yùn)輸平巷具體的工程地質(zhì)條件，提出高強(qiáng)度高預(yù)緊力錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)方案?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明高強(qiáng)度高預(yù)緊力錨網(wǎng)索支護(hù)體系能有效控制沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定性。

巷道支護(hù) 沿空掘巷 圍巖結(jié)構(gòu) 圍巖控制 錨網(wǎng)索支護(hù)

1 工程概況

W3214工作面位于錢營孜煤礦西一采區(qū)北翼一階段，東與W3212首采工作面相鄰，W3212工作面已全部采空。W3214工作面運(yùn)輸平巷為沿空掘巷，留窄煤柱寬度為4.8 m，巷道長約2036 m，標(biāo)高在-610～-570 m。工作面內(nèi)32煤層平均傾角15°，面內(nèi)煤層平均厚度3.34 m，煤厚變異系數(shù)23%，煤厚變化較大，煤層在工作面北部較厚，南部較薄，工作面內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，尤其在工作面中部極為發(fā)育。

32煤層頂板為厚層泥巖，最厚達(dá)7 m，局部老頂為富含水砂巖，裂隙發(fā)育，且W3214工作面運(yùn)輸平巷沿空掘巷是在上區(qū)段回采結(jié)束后頂板未完全穩(wěn)定的情況下進(jìn)行掘進(jìn)的，因上工作面回采后造成上覆巖層大結(jié)構(gòu)的給定變形及采動(dòng)影響，巷道圍巖的變形破壞程度較普通巷道更為嚴(yán)重，這對(duì)該沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)，且該沿空掘巷為錢營孜煤礦首條沿空掘進(jìn)巷道，沒有可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。

2 沿空掘巷圍巖穩(wěn)定控制原理

沿空掘巷是一類特殊的巷道，其圍巖較破碎，且圍巖具有大變形的特點(diǎn)，因此采用圍巖大小結(jié)構(gòu)理論為依據(jù)對(duì)其圍巖穩(wěn)定進(jìn)行控制。

（1）上覆巖體大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一個(gè)與上區(qū)段工作面回采、掘巷及本區(qū)段工作面回采時(shí)載荷從穩(wěn)定→不穩(wěn)定→穩(wěn)定→不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。沿空掘巷與上覆巖體大結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系如圖1所示。研究表明在本工作面回采時(shí)，沿空掘巷上覆巖體的大結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定程度的回轉(zhuǎn)下沉，巷道圍巖變形較大，但不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，要保持沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定性，不僅要使巷道適應(yīng)上覆巖體大結(jié)構(gòu)的下沉，還應(yīng)加強(qiáng)巷道支護(hù)措施，進(jìn)而保證沿空掘巷在本工作面回采時(shí)的正常使用。

（2）沿空掘巷圍巖小結(jié)構(gòu)是指錨桿支護(hù)組合與巷道圍巖組成的整體承載結(jié)構(gòu)，通過承載結(jié)構(gòu)的承載性能，最大限度發(fā)揮深部圍巖的自穩(wěn)承載能力，進(jìn)而保證沿空掘巷的穩(wěn)定性。圍巖小結(jié)構(gòu)本身就是一個(gè)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)，它與錨桿支護(hù)參數(shù)及支護(hù)對(duì)象有密切的關(guān)系，其力學(xué)特征相對(duì)較復(fù)雜，且具有非均衡現(xiàn)象。因此，保持圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是保證沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的根本，而圍巖小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵在于巷道合理的錨桿支護(hù)技術(shù)。

圖1 沿空掘巷與上覆巖體結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

3 沿空掘巷圍巖控制技術(shù)體系

根據(jù)上述研究分析，并結(jié)合W3214沿空掘巷的工程地質(zhì)條件，提出以下保持巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)體系。

（1）高性能的錨桿支護(hù)技術(shù)體系。高性能的成套錨桿材料包括高性能的桿體、高強(qiáng)度托板、與錨桿配套的一體化安裝扭矩螺母、減摩墊片等。該套錨桿可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)一體化安裝且錨固性能高，強(qiáng)度大，易實(shí)現(xiàn)較大的預(yù)緊力；配套的金屬網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)、不同形式的鋼帶 （W型、M型、T型等）等能夠有效控制沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性。

（2）小孔徑預(yù)應(yīng)力短錨索支護(hù)技術(shù)。為彌補(bǔ)錨桿支護(hù)強(qiáng)度在特殊條件下的不足，擬在W3214運(yùn)輸平巷支護(hù)中以小孔徑預(yù)應(yīng)力短錨索支護(hù)作為主要的加強(qiáng)支護(hù)方式之一。包括設(shè)計(jì)合理的錨索長度、錨固長度、張拉力等內(nèi)容。

（3）窄煤柱幫加強(qiáng)支護(hù)。掘巷后為控制窄煤柱初期大變形的特點(diǎn)，提高窄煤柱整體強(qiáng)度，保證窄煤柱的整體穩(wěn)定性，考慮減小窄煤柱錨桿間距，加強(qiáng)窄煤柱幫支護(hù)強(qiáng)度，窄煤柱較破碎時(shí)采取注漿加固技術(shù)。

（4）巷道圍巖的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)。包括巷道表面位移的監(jiān)測(cè)、巷道深部圍巖位移監(jiān)測(cè)、頂板離層的監(jiān)測(cè)、錨桿工作阻力的監(jiān)測(cè)、錨桿拉拔力的檢測(cè)等內(nèi)容。

4 沿空掘巷圍巖控制方案

4.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

W3214運(yùn)輸平巷斷面為梯形，巷道尺寸4800 mm×3000 mm （寬×高）。巷道支護(hù)技術(shù)方案如圖2所示。

（1）頂板支護(hù)。巷道頂板每排布置7根?22 mm×2400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，外露長度100 mm。錨桿緊跟掘進(jìn)頭及時(shí)支護(hù)，錨桿從巷道中心開始向兩幫均勻布置，靠幫的兩根錨桿距巷幫均為100 mm，并與頂板垂直方向成15°夾角，其他錨桿均垂直于頂板布置。錨桿配套5.6 m長的KTM型鋼帶，厚4 mm，兩幫肩角各出露400 mm，與幫部鋼帶搭接布置，配套菱形金屬網(wǎng)護(hù)表；每根錨桿配套2卷Z2360型中速樹脂藥卷加長錨固；錨桿間排距800 mm×800 mm，錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm （長×寬×厚）的碟形托盤，錨桿預(yù)緊扭矩應(yīng)達(dá)到400 N·m以上。

頂板加強(qiáng)支護(hù)為錨索，采用3-2-3布置，一排3根 （間距1.2 m）與一排2根 （間距1.6 m）分別對(duì)稱巷中布置，交替施工，排距800 mm，錨索規(guī)格為?17.8 mm×6800 mm。每排3根錨索時(shí)采用2.7 m長14＃槽鋼連接，每排2根錨索時(shí)采用1.9 m長14＃槽鋼連接，每根錨索配套規(guī)格為150 mm×100 mm×12 mm （長×寬×厚）的平鋼板，每孔采用3卷Z2360中速樹脂藥卷錨固，錨索緊跟掘進(jìn)頭施工安裝。錨索垂直頂板布置，鋼絞線外露長度為300 mm，錨索張拉力約10 t。

圖2 巷道斷面支護(hù)方案圖

（2）窄煤柱幫支護(hù)。窄煤柱幫布置4根?22 mm×2400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。錨桿從上向下均勻布置，錨桿間排距為700 mm×800 mm，上、下兩根錨桿分別距頂板、底板250 mm，并與煤幫垂直方向成15°夾角，配套菱形金屬網(wǎng)護(hù)表；每根錨桿配套2卷Z2360中速樹脂藥卷加長錨固，錨桿預(yù)緊扭矩應(yīng)達(dá)到400 N·m以上。

（3）實(shí)體煤幫支護(hù)。實(shí)體煤幫布置5根?20 mm×2000 mm的右旋全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿。錨桿間排距為800 mm×800 mm，上、下兩根錨桿分別距頂板、底板100 mm，并與煤幫垂直方向成15°夾角，配套菱形金屬網(wǎng)護(hù)表；每根錨桿配套1卷Z2360型中速樹脂藥卷錨固，錨桿預(yù)緊扭矩應(yīng)達(dá)到400 N·m以上。

（4）地質(zhì)條件復(fù)雜段的支護(hù)。在施工過程中根據(jù)地質(zhì)條件的變化及巷道礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)及時(shí)調(diào)整支護(hù)方式，可以考慮選擇以下4種方式對(duì)地質(zhì)復(fù)雜地段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)：增大錨桿直徑長度，減小錨桿間排距，修改錨梁網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)；修改錨梁網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)，配合支設(shè)點(diǎn)柱；當(dāng)遇到地質(zhì)構(gòu)造破碎區(qū)域、過斷層、應(yīng)力集中區(qū)等特殊地段可以考慮架棚支護(hù)；以上支護(hù)方式仍有困難時(shí)，考慮架棚與支設(shè)點(diǎn)柱配合加強(qiáng)支護(hù)。

（5）支護(hù)方案的變更。在方案施工過程中，對(duì)巷道圍巖變化進(jìn)行及時(shí)觀測(cè)，包括變形量、變形速度、圍巖內(nèi)部破裂發(fā)展規(guī)律等，以此判斷是否采取進(jìn)一步的加強(qiáng)支護(hù)措施，修改支護(hù)方案設(shè)計(jì)。

4.2 礦壓監(jiān)測(cè)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的支護(hù)方案是否合理，需對(duì)巷道的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在W3214運(yùn)輸平巷內(nèi)距離掘進(jìn)頭4 m、25 m處分別布置1＃和2＃表面位移測(cè)站，累計(jì)觀測(cè)17 d，觀測(cè)結(jié)果表明W3214運(yùn)輸平巷圍巖整體變形不大，處于可控狀態(tài)，巷道掘后半個(gè)月兩幫累計(jì)移近約150 mm，頂?shù)装謇塾?jì)移近約140 mm。巷道掘后10 d內(nèi)移近速度平均約為10 mm／d，之后趨于穩(wěn)定，巷道變形量小，圍巖整體穩(wěn)定性好。

5 結(jié)論

高強(qiáng)度高預(yù)緊力錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)方案應(yīng)用于錢營孜煤礦W3214工作面運(yùn)輸平巷沿空掘巷的圍巖控制實(shí)踐中，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明，該巷道圍巖變形量控制在允許的范圍內(nèi)，保證了正常的通風(fēng)及運(yùn)輸?shù)囊螅瑖鷰r支護(hù)效果良好，為礦井安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造了良好條件，也為錢營孜煤礦今后類似的沿空掘巷支護(hù)提供了可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。

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Study on technology of surrounding rock control in gob-side entry driving in Qianyingzi Coal Mine

Liu Mingjie1，Qu Qundi2，Sun Yuliang2，Zhang Youqian2
（1.China National Coal Group Shanxi Huayu Energy Co.，Ltd.，Shuozhou，Shanxi 036900，China；2.School of Mines，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The haulage roadway of W3214 working face in Qianyingzi Coal Mine is a roadway driving along the gob of W3212 working face.In order to control the surrounding rock severe deformation，the surrounding rock controlling technology is studied.According to the theory of controlling surrounding rock in roadway driving along gob and in view of the specific engineering geological conditions of the haulage roadway at W3214 working face，this paper puts forwards the technology scheme of high-strength and high-prestress bolt-mesh-cable support.Field practice shows that this support system can effectively control the stability of surrounding rock in roadway driving along gob.

roadway support，roadway driving along gob，surrounding rock structure，surrounding rock control，bolt-mesh-cable support

TD353

A

中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目 （SKLCRSM12X01），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助 （50974118）

劉明杰 （1971- ），男，江蘇徐州人，1994年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程系，高級(jí)工程師，現(xiàn)任山西金海洋能源有限公司安監(jiān)局局長。

（責(zé)任編輯 張毅玲）