深部雙翼開采下大巷維護技術(shù)實踐

劉如鵬

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

深部巷道破壞及支護方案與淺部、急傾斜等均不相同[1-3]。深部高應(yīng)力的影響下，巷道變形嚴重；雙翼開采下，加劇了巷道圍巖破碎、增加巷道底鼓量[4-5]。巷道是盤區(qū)劃分，人員、物料及新鮮風(fēng)流的主要路徑，巷道局部巖性發(fā)生明顯變化，為安全生產(chǎn)埋下了安全隱患。《煤炭十三五規(guī)劃》明確指出“一礦一策”的安全治理方案，陜西黃陵二號煤礦根據(jù)自身實際情況先后進行了礦壓治理、瓦斯抽采等技術(shù)和管理升級[6-8]。

目前二號煤礦為保障礦井正常生產(chǎn)，立足礦井生產(chǎn)實際，沿垂直運輸大巷軸向方向布置綜采工作面，沿大巷由里向外推進。四盤區(qū)大巷頂板局部(1 400 m)有較厚泥巖、地表為山地(峰谷相間)等綜合因素，導(dǎo)致大巷均壓力較大，出現(xiàn)了巷道變形嚴重，斷面縮小，局部頂、幫開裂并脫落等現(xiàn)象，直接影響正常生產(chǎn)，導(dǎo)致安全隱患大、修復(fù)難、成本高。錨桿、錨索作為巷道支護、修復(fù)的根本工具，根據(jù)巷道實際情況采用適當(dāng)?shù)闹ёo方案具有十分深遠的意義[9-12]。因此，聚焦深部雙翼開采下進行大巷修復(fù)具有現(xiàn)實必要性，進而促進礦井安全、高效生產(chǎn)。

1 圍巖賦存特征

1.1 地質(zhì)構(gòu)造及圍巖特性

地質(zhì)構(gòu)造：黃陵二號煤礦位于黃陵礦區(qū)西北部，為一傾向北西—北西西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般1°～5°。北二區(qū)盤區(qū)水平布置4條大巷，分別為輔運巷、運輸巷、回風(fēng)巷、膠帶巷。大巷平均埋深為563 m，原巖應(yīng)力約13.36 MPa。煤層直接頂為1 m厚泥巖，再上面為4 m厚砂質(zhì)泥巖，直接底為1.4 m厚泥巖。

圍巖特性：北二區(qū)域頂?shù)装鍘r石取樣進行力學(xué)實驗分析結(jié)果，見表1。頂板單軸抗壓強度均值為46.1 MPa；底板均值為45.2 MPa。根據(jù)巖石單軸抗壓強度分類，頂?shù)装鍍H為次堅巖，接近于軟巖，甚至于部分區(qū)域為軟巖的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 煤巖物理力學(xué)試驗結(jié)果

1.2 巷道原支護方式

巷道及工作面布置方式：北二區(qū)開拓大巷與工作面順槽相互垂直，布置方式如圖1所示。北二四條大巷采用半圓拱斷面，采用錨網(wǎng)噴支護。4條巷道變形類似、支護方式及參數(shù)相同，以北二一輔運巷為例進行說明。

圖1 四盤區(qū)巷道及工作面布置方式

支護方式：大巷寬、高為5 700 mm、5 150 mm，斷面面積22.9 m2，設(shè)計為半圓拱型，如圖2所示。錨索采用φ17.8 mm×8 300 mm鋼絞線防腐錨索，錨桿采用φ20 mm×2 100 mm螺紋鋼錨桿。錨桿的間排距為800 mm×800 mm；采用菱形布置，每根錨桿采用2節(jié)錨固劑進行錨固，分別為1節(jié)MSK2330型和1節(jié)MSZ2335型錨固劑。網(wǎng)片均為φ6.5鋼筋網(wǎng)片，孔格為150 mm×150 mm。錨索均采用的單錨索，頂部使用3根；每根錨索采用4節(jié)錨固劑進行錨固，分別為1節(jié)MSK2335型、1節(jié)MSZ2335型和2節(jié)MSZ2360型錨固劑。單錨索托盤采用16b槽鋼加工，長度為400 mm；噴漿厚度為100 mm，強度為C20。

圖2 大巷斷面及錨索支護

2 巷道破壞特點及原因

2.1 巷道破壞特點

巷道破壞現(xiàn)象：408工作面進入回采后期，大巷礦壓顯現(xiàn)劇烈；410和409工作面回風(fēng)巷出現(xiàn)了較大規(guī)模的頂板來壓冒落。410工作面回采結(jié)束后，大巷最大底鼓量2.35 m，幫鼓2 m，巷道破壞現(xiàn)象如圖3所示。

頂部冒落：冒落寬度寬窄不一，有的達到整個巷道寬度，有的寬度僅有1 m左右，冒落高度有的高達3～5 m，有的僅有明顯破裂線，冒落長度有的長近30 m，有的僅在5 m左右。以北二膠帶和北二回風(fēng)巷冒落最為顯著。

幫部內(nèi)鼓或片幫：其范圍和程度因地而異，嚴重部位內(nèi)鼓達近2 m，長度達到20 m以上，遍及整個巷道高度。

底鼓：巷道產(chǎn)生嚴重底鼓，底鼓幾乎遍及整個巷道，底鼓量多達2 m以上。變形巷道不同程度均出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

2.2 巷道破壞原因

根據(jù)現(xiàn)場巷道破壞情況，結(jié)合2號礦生產(chǎn)情況和巷道所處位置與周圍采取井巷布置情況等因素，對北二采區(qū)大巷的破壞分析如下。

高應(yīng)力和采動的雙重影響：巷道兩側(cè)形成采空區(qū)，巷道上覆巖體應(yīng)力重新分布，加劇巷道附近地層壓力。易在巷道周圍形成應(yīng)力集中區(qū)。尤其是雙翼開采，增大巷道圍巖壓力，進而造成巷道片幫和內(nèi)鼓，同時增大了巷道頂壓使巷道兩幫沉入巷道底板，造成底鼓。

原大巷支護設(shè)計缺陷：原大巷支護設(shè)計對開采引起礦井附加應(yīng)力估計不足，沒有考慮開采對巷道穩(wěn)定性的影響。噴層的剛度低，煤壁輕度低，巷道支護強度嚴重不足，難以承受地層載荷。

未及時補強支護：支護結(jié)構(gòu)破壞沒能得到及時的修補或補強，造成巷道圍巖變形持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致巷道圍巖更大范圍的松動、破壞，進而引起支護體破壞加劇。

巷道兩側(cè)壓力不均勻：由于巷道兩側(cè)壓力的不均勻，使得巷道兩側(cè)的變形量和沉入底板的位移量不相等，這造成巷道的墻拱結(jié)合部位出現(xiàn)剪應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)剪切破壞。

3 巷道維護技術(shù)方案及效果

3.1 巷道維護原則

根據(jù)大巷的破壞程度可分為2類，一類是嚴重變形破壞且不能正常使用的巷道；另一類是出現(xiàn)程度較輕的變形破壞。通過主動支護、聯(lián)合支護和分區(qū)支護的方式對2類巷道進行不同的維護和加固。松軟圍巖巷道長期使用將發(fā)展為極限隱形拱，被動支護不能對幫部和頂部實施主動的支護。應(yīng)根據(jù)具體情況采取先頂后幫，自上而下的施工方法，形成穩(wěn)定的承載圈，保障永久支護。因此，通過加固原有錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護方案，進而達到主動支護的效果。原方案支護方案出現(xiàn)松動時，采用錨噴和注漿方式對圍巖進行主動加固。

3.2 巷道維護方案

結(jié)合二號煤礦實際情況，并根據(jù)上述可知，分別確定出架棚-砌墻支護方案和高強度錨索錨網(wǎng)聯(lián)合支護方案。

方案一(架棚-砌墻支護)：在雙翼開采下的1 450 m范圍內(nèi)，先放落松動圍巖至裸露出穩(wěn)定巖層，在充填的基礎(chǔ)上進行架棚-砌墻，再施加錨索錨桿，進行全長錨固，如圖4所示。巷道兩幫施工砌墻，尺寸為2 500 mm×400 mm；頂部加裝可縮性鋼梁，鋼梁由3部分組成，頂部長度為5 021 mm，鋼梁底部嵌入砌墻內(nèi)，嵌入量500 mm。鋼梁頂部通過3根錨索固定，分別垂直、兩邊偏移45°；鋼梁嵌入砌墻底部施工一根錨索；巷道底部使用角度為45°的壓邊錨桿。所有錨索采用防腐錨索，錨桿采用高強樹脂錨桿；錨索、錨桿排距為650 mm。頂部錨索型號φ21.8 mm×8 300 mm，兩幫錨索型號φ21.8 mm×5 000 mm；壓邊錨桿型號φ20 mm×2 800 mm。最終在巷道頂部進行噴漿。

圖4 架棚-砌墻支護

方案二(加強支護)：七聯(lián)巷及延伸巷道中以加強支護的方式為主。①先進行錨桿+錨索+掛網(wǎng)+噴漿，錨索采用T140鋼帶連接，巷道全斷面掛菱形網(wǎng)；同時加長錨桿錨索的錨固段，錨索全長錨固。盡可能不大量放落松動巖層，變被動為主動，減少維修量。頂板錨索采用“一梁五索”布置，錨索梁采用T140鋼帶，鋼帶規(guī)格為T140 mm×6 400 mm，形狀為拱形，與煤巖面密貼，如圖5(a)所示。錨索均采用φ21.8 mm×8 300 mm-19芯防腐錨索配合索具和讓壓裝置(φ22讓壓管)，間排距為1 600 mm×1 600 mm，錨索墊片為80 mm×80 mm×10 mm。兩幫錨索分別采用2根φ21.8 mm×5 300 mm-19芯防腐讓壓錨索加強支護，間排距1 000 mm×1 600 mm，錨索托盤為400 mm×400 mm×12 mm，每根錨索配1卷K2850樹脂藥卷和3卷Z2850樹脂藥卷，錨索預(yù)緊力不低于260 kN，如圖5(b)所示；②頂、幫錨桿均采用“矩形”布置，錨桿均采用φ22 mm×3 500 mm的高性能扭矩螺母錨桿，錨深3 400 mm，外露100 mm，間排距800 mm×800 mm。每根錨桿采用3卷樹脂錨固劑，即K2360型1卷、Z2360型2卷，錨桿預(yù)緊力不低于150 kN，預(yù)緊力矩不得小于300 N·m。錨桿托盤采用200 mm×200 mm×12 mm的Q235鋼托盤，網(wǎng)片為φ6.5 mm×2 000 mm×1 000 mm鋼筋網(wǎng)(網(wǎng)孔100 mm×100 mm)，網(wǎng)片間搭接100 mm。

圖5 巷道加固概況

3.3 支護效果

圍巖變形觀測：5月16日～6月15日開始進行巷道維護。為掌握維護后巷道圍巖應(yīng)力分布及圍巖在支護期間和穩(wěn)定期間的情況，進行了圍巖變形觀測。在北二輔運大巷頂部及兩幫分別設(shè)置18個觀測點，分別對巷道頂板下沉及兩幫移近進行監(jiān)測如圖6、圖7所示，巷道檢測偏移量單位為mm。

圖7 維護后頂部變化情況

圖6 維護后兩幫變化情況

觀測結(jié)果分析：通過上述監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計可知，施工期間(5月16日～6月15日)，頂板下沉量最低8 mm，兩幫移近量在10 mm以上。巷道在后續(xù)結(jié)束的4個月監(jiān)測過程中，頂板及兩幫位移量急劇減小；8月22日以后，位移量減小到3 mm以內(nèi)。通過不連續(xù)檢測區(qū)段位移總量平均未超過5 mm。由此可知，架棚-砌墻和加強支護反映出巷道圍巖整體性變強，維修段所采取的新工藝新方法的效果顯著，在后續(xù)施工過程中推廣應(yīng)用。北二其余3條大巷及延伸中按照方案二繼續(xù)進行支護。

4 結(jié)論

(1)在深部高應(yīng)力和雙翼采動的雙重影響，加之原巷道支護強度低。導(dǎo)致巷道穩(wěn)定性差，巷道頂、幫位移量達到5 m。

(2)根據(jù)大巷位置的不同，分別提出2種巷道支護方案。方案一是架棚-砌墻支護，方案二是加強支護；明確了巷道支護的施工參數(shù)。

(3)從巷道維護期間至結(jié)束6個月內(nèi)的監(jiān)測，頂板及兩幫位移量均降至3 mm以內(nèi)。