孤島工作面沿空巷道支護技術(shù)研究與應(yīng)用

張照允

(兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東省濟寧市，272102)

孤島工作面進、回風巷均為沿空掘進巷道，受鄰近采空區(qū)采動影響，沿空巷道受到比原始應(yīng)力高數(shù)十倍的支撐壓力，致使巷道變形破壞異常嚴重，對工作面掘進和回采影響巨大[1]。因此，工作面兩巷的布置及支護方式對于安全開采尤為重要。

1 工程概況

兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦10304工作面采用傾向布置，設(shè)計長度2600 m，可采長度2365 m，工作面長度231～181m，可采儲量570萬t，地面平均標高+47.0 m，工作面標高-315.0～-548.4 m，該工作面為孤島工作面，東側(cè)為興隆莊煤礦10303工作面、西側(cè)為興隆莊煤礦10305工作面、南側(cè)為東灘煤礦14310工作面，均已回采完畢。

10304工作面所采煤層為下二疊系月門溝統(tǒng)山西組底部3#煤層，以亮煤為主，次之鏡煤及暗煤，煤層傾角2°～15°，平均為8°。煤層結(jié)構(gòu)復雜，在距底板3.0～3.2 m發(fā)育一厚度為0～1.4 m左右的炭質(zhì)泥巖夾矸。煤層厚度一般在7.80～9.90 m，平均為8.85 m，普氏硬度f=2～3。10304工作面頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 10304工作面頂?shù)装鍘r性表

2 巷道支護技術(shù)方案

2.1 運輸巷初次支護設(shè)計

運輸巷采用錨網(wǎng)支護，頂部采用無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿、菱形金屬網(wǎng)、錨索配合梯形鋼帶進行支護；幫部采用等強螺紋鋼式樹脂錨桿(全螺紋錨桿)，皮帶梯、菱形金屬網(wǎng)進行支護。巷道采用上凈寬4.8 m、下凈寬5.4 m、高度3.6～3.8 m的梯形斷面，沿空側(cè)與相鄰采空區(qū)之間凈煤柱寬度3.5 m。運輸巷支護斷面圖見圖1。

圖1 運輸巷支護斷面圖

由圖1可知，錨網(wǎng)排距900 mm，鋼帶采用孔距為750 mm的7孔梯形鋼帶，鋼帶垂直巷道掘進方向布置，金屬網(wǎng)采用8#鐵絲編制而成，頂板采用型號為MSGLW-500/22×2400的無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，幫部采用采用型號為MSGLD-500/20×2200的等強螺紋鋼樹脂錨桿(全螺紋錨桿)，沿空側(cè)使用皮帶梯配合幫部錨桿增加護表能力。

支護形式按照每兩排一個循環(huán)，每循環(huán)第一排采用規(guī)格為?22 mm×7500 mm錨索布置在沿施工方位自鋼帶左側(cè)第3、4根錨桿孔內(nèi)，替換頂錨桿；每循環(huán)第二排采用規(guī)格為?22 mm×5000 mm錨索布置在沿施工方向自鋼帶左側(cè)第1、7根錨桿孔內(nèi)，替換頂錨桿。

2.2 提高支護體系護表能力

通過提高錨桿預緊力、增加幫部皮帶梯、使用增大型錨桿螺帽提高支護體系護表面積，在大埋深區(qū)域錨桿(索)使用讓壓環(huán)提高抗變形能力。

(1)預緊力是錨桿支護中的關(guān)鍵參數(shù)，對支護效果起著決定性作用，而且目前常用手持式錨桿施工機具不能提供較大預緊力[2]。安裝頂部錨桿時，在錨桿鉆機與錨桿之間使用JQHS-1200型錨桿螺母安裝器(錨桿扭矩放大器)，如圖2所示。通過降低轉(zhuǎn)速增加扭矩，預緊力由原來120 N·m提高至300 N·m。

圖2 錨桿扭矩放大器

(2)在埋深較大局部地段將頂部普通錨桿帽(?48 mm)更換為增大型錨桿帽(?56 mm)。在不增加施工環(huán)節(jié)的前提下，錨桿帽與鋼帶接觸面積提高36%，防止因壓力顯現(xiàn)造成錨桿拉穿鋼帶現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)幫部錨桿使用200 mm×200 mm型錨桿托盤、并用膠帶梯將單根錨桿連成一體，有效增大幫部支護與煤體接觸面積，如圖3所示。

圖3 幫部支護形式

(4)靠近切眼600 m區(qū)段錨桿使用單泡讓壓環(huán)、錨索使用雙泡讓壓環(huán)，如圖4所示。巷道變形時首先將壓力傳遞給讓壓環(huán)，壓環(huán)通過壓縮吸收變形能，有效降低因巷道變形量超過錨桿(索)延展能力而造成崩斷失效現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 單(雙)泡讓壓環(huán)實圖

2.3 巷道二次補強支護

10304運輸巷距離切眼600 m范圍內(nèi)，巷道實體煤幫側(cè)使用注漿錨桿與恒阻錨索聯(lián)合進行加固，增加淺部破碎區(qū)煤體的承載能力，并將其固定在深部彈性區(qū)完整煤體中；沿空側(cè)小煤柱使用注漿錨桿、注漿錨索及恒阻錨索聯(lián)合加固，膠結(jié)小煤柱松軟破碎煤體，強化小煤柱完整性控制，保持良好的承載性能；頂板采用U型鋼+錨索進行加強支護，強化頂部厚煤層頂板的安全保障。二次加固方案如圖5所示。

圖5 二次加固方案

(1)實體煤側(cè)使用注漿錨桿及恒阻錨索予以加強支護，注漿錨桿與恒阻錨索交替施工。注漿錨桿長度3.0 m、排距1.8 m，每排2棵，注漿錨桿與膠帶相聯(lián)；恒阻錨索長度5.0 m、排距1.8 m，每排2棵。實體煤側(cè)注漿錨桿布置如圖6所示。

圖6 實體煤側(cè)注漿錨桿布置

(2)沿空側(cè)使用注漿錨桿、注漿錨索及恒阻錨索予以加固，注漿錨桿長度3.0 m，隔排施工即排距1.8 m，每排3棵，錨桿使用膠帶相聯(lián)；上部注漿錨索長度5.0 m、下部注漿錨索長度3.5 m，排距3.6 m，每排2棵；恒阻錨索長度5.0 m，排距3.6 m，每排1棵。沿空側(cè)注漿錨桿布置如圖7所示。

圖7 沿空側(cè)注漿錨桿布置

(3)二次支護材料性能。注漿錨索?22 mm，鋼絞線由8股螺旋肋預應(yīng)力鋼絲捻制而成，單根鋼絲延長率≥5%，錨索破斷強度≥1770 MPa、破斷力≥375 kN。索體分為樹脂錨固段和注漿錨固段，樹脂錨固段鋼絞線中心為實心鋼筋，可以實現(xiàn)樹脂端錨；注漿錨固段鋼絞線中心為空心管，進行注漿加固。

注漿錨桿體選用Q345級及以上無縫鋼管為原材料，采用熱軋工藝形成連續(xù)梯形螺紋，外徑25 mm、壁厚7.5 mm，錨桿屈服強度345 MPa、破斷強度500 MPa、破斷荷載≥210 kN、延伸率≥5%。

注漿料采用MZM-70型高強無機注漿料，其特點是微膨脹，膨脹率0.1～0.3，早期強度高，如圖8所示，具有高流動性和觸變性，與煤體粘結(jié)性能好等優(yōu)良性能。

(4)二次加固注漿壓力約3 MPa，錨索平均注漿量為16.6 kg/條，錨桿平均注漿量為7.9 kg/條。對已施工28 d齡注漿錨桿進行拉拔抽檢破壞性試驗，拉拔力60 MPa(300 kN)，達到拉力計最大量程未出現(xiàn)錨桿破斷及拉出現(xiàn)象。注漿料抗壓強度隨時間變化圖見圖8。

圖8 注漿料抗壓強度隨時間變化圖

3 巷道變形監(jiān)測

(1)掘進期間在運輸巷設(shè)6組基點，基點平均間距250 m。采用十字布點法，對掘進期間巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平窟M行連續(xù)的觀測。掘進期間圍巖變形實測值見表2。

表2 掘進期間圍巖變形實測表

由表2可知，掘進期間頂?shù)装遄畲笠平?30 mm，平均移近量82.5 mm；兩幫最大移近量152 mm，平均移近量110.5 mm。沿空巷道變形以兩幫移近為主。

(2)選取4#測點進行詳細分析，主要研究巷道隨掘進頭掘進后期變形。4#測點隨掘進頭掘進圍巖變形情況如圖9所示。

由圖9可以看出，掘進掘進頭200 m范圍巷道圍巖變形速率呈上升趨勢，該區(qū)域受掘進擾動影響較大。巷道距離掘進掘進頭800 m后，圍巖變形趨于穩(wěn)定。

圖9 4#測點隨掘進頭掘進變化趨勢

4 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用Phase2巖土工程彈塑性有限元分析軟件，該軟件廣泛應(yīng)用于地表或地下開挖的支護設(shè)計、邊坡穩(wěn)定分析、地下水滲流分析以及概率分析等領(lǐng)域。通過模擬旨在分析10304運輸巷掘進前及掘進(支護后)應(yīng)力狀態(tài)。

(1)煤層及頂?shù)装鍘r層參數(shù)取自表1。

(2)地應(yīng)力。根據(jù)興隆莊礦十采區(qū)原巖應(yīng)力實測結(jié)果，最大水平應(yīng)力方向大致為120°；水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.2～1.4倍(取1.3)；最大水平主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力的1.6～2.2倍(取2.0)。

圖10 10304運輸巷掘進前巷道圍巖應(yīng)力分布云圖和曲線

10304運輸巷掘進前，自10305運輸巷靠10304工作面一側(cè)巷幫向10304方向圍巖支承應(yīng)力云圖和應(yīng)力曲線如圖10所示。

由圖10可以看出，10304運輸巷掘進前，巷道圍巖應(yīng)力峰值最大約32 MPa，距離10305運輸巷約18 m位置，因此掘進10304工作面運輸巷時應(yīng)盡量避開由于10305工作面回采導致的周圍巖體應(yīng)力峰值，否則掘進期間壓力顯現(xiàn)較為嚴重。

5 結(jié)論

(1)實踐證明，通過采用提高支護體系護表能力、局部地點施工注漿錨桿(索)等方式可有效控制孤島工作面沿空掘進期間巷道圍巖變形。

(2)通過巷道變形監(jiān)測可以看出，距離掘進頭200 m范圍內(nèi)巷道圍巖變形較為劇烈，幫部二次支護距離掘進頭不應(yīng)超過此范圍，若超過200 m，沿空小煤柱破壞嚴重，二次支護效果較差。

(3)初次支護與幫部二次支護相結(jié)合的方式，各工序合理穿插，二次加固不影響掘進速度，最高月單進達407 m。