特厚松軟煤層沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

劉紀(jì)良

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院， 安徽 淮南 232000；2.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 朱仙莊煤礦， 安徽 宿州 234111)

在我國綜放開采的煤炭損失構(gòu)成中，區(qū)段煤柱約占10%，通過布置沿空掘巷可將采區(qū)煤炭損失降低至6%～8%[1]. 沿空掘巷作業(yè)時，掘進(jìn)作業(yè)的關(guān)鍵是保障沿空巷道圍巖的穩(wěn)定，國內(nèi)外學(xué)者在理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算及現(xiàn)場實(shí)測的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐碩的成果。如柏建彪、王衛(wèi)軍等通過建立沿空掘巷基本頂弧形三角塊簡力學(xué)模型，對比分析工作面掘進(jìn)及回采期間的三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得出了弧形三角塊結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定性之間的影響規(guī)律，為沿空掘巷圍巖控制提供了理論支撐[2-3]. 以朱仙莊煤礦Ⅱ836風(fēng)巷特厚松軟煤層沿空掘巷為工程背景，通過理論分析與現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合的方式，對巷道冒頂控制及圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究與分析。

1 工程概況

淮北礦業(yè)集團(tuán)朱仙莊煤礦Ⅱ836工作面位于井田南部Ⅱ3采區(qū)四區(qū)段，工作面南以F19斷層為界，北至二水平，西以ⅡF2斷層為界，上鄰Ⅱ834工作面采空區(qū)，具體工作面位置見圖1. 工作面開采8#煤層，煤層厚度為10.5～12.5 m，平均厚度為11.5 m，平均傾角18°，煤層普式硬度f為0.3，屬于特厚松軟煤層，煤層直接頂為粉砂巖，均厚6.2 m，基本頂為中粒砂巖，均厚3.0 m，底板巖層為泥巖和細(xì)粒砂巖。

圖1 Ⅱ836工作面位置示意圖

Ⅱ836風(fēng)巷主要為Ⅱ836工作面提供運(yùn)輸、進(jìn)風(fēng)和行人等服務(wù)，巷道沿8#煤層底板掘進(jìn)，斷面為三心拱形，凈寬4.8 m×凈高3.5 m，巷道與II834機(jī)巷凈煤柱5.5 m，屬于沿空掘巷，且由于8#煤層較為松軟，巷道掘進(jìn)期間易出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，因此，為保障巷道圍巖的穩(wěn)定進(jìn)行圍巖控制技術(shù)的研究。

2 巷道冒頂控制

2.1 撞楔法支護(hù)原理

由于Ⅱ836風(fēng)巷掘進(jìn)工作面頂煤破碎，巷道掘進(jìn)期間易出現(xiàn)隨掘隨冒的現(xiàn)象，目前常采用超前錨桿支護(hù)、超前圍巖注漿、撞楔法等進(jìn)行巷道頂板的超前支護(hù)[4-5]，以保障巷道掘進(jìn)期間開挖面的穩(wěn)定。根據(jù)Ⅱ836風(fēng)巷地質(zhì)條件，結(jié)合巷道采用36U三心拱U型棚支護(hù)的特征，確定巷道超前支護(hù)采用撞楔法。

撞楔法是指在巷道掘進(jìn)頭頂板輪廓線處布置1排與巷道軸線基本平行的楔子以控制頂板巖層的冒落，通過在掘進(jìn)迎頭打設(shè)成排的楔子實(shí)現(xiàn)將開挖區(qū)的頂板壓力轉(zhuǎn)移到后方永久支護(hù)上和巷道前方煤巖體內(nèi)，撞楔法支護(hù)方式見圖2，撞楔法支護(hù)效果主要取決于楔子長度、直徑、搭接長度、間距和巷道開挖步距等參數(shù)[6].

圖2 撞楔法支護(hù)方式示意圖

撞楔法支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時主要根據(jù)巷道圍巖的結(jié)構(gòu)、掘進(jìn)工序、施工環(huán)境和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，具體支護(hù)原則如下：

1) 巷道開挖步距。巷道的開挖步距即為開挖區(qū)的長度。相關(guān)研究結(jié)果表明，隨著巷道開挖步距的增大，撞楔管子產(chǎn)生的撓度會相應(yīng)增大，當(dāng)楔子撓度增大至超過其極限撓度時，撞楔管子便會失效，致使出現(xiàn)頂板冒落現(xiàn)象；若開挖步距過小，會大幅增加掘進(jìn)工序的轉(zhuǎn)換時間，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)施工的效率，合理的開挖步距應(yīng)與巷道內(nèi)永久支護(hù)的步距或排距相協(xié)調(diào)，一般巷道開挖步距為永久支護(hù)施工步距的1～3倍[7-8].

2) 楔子材質(zhì)與直徑。目前常用的撞楔材質(zhì)主要為錨桿、木楔、鋼管和廢舊鋼軌。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，在采用鋼管作為撞楔材料時，隨著鋼管直徑的增大，鋼管的撓度會隨之減小，能夠起到較好的圍巖控制效果。目前常采用的鋼管為熱軋無縫圓鋼管，直徑在25～85 mm.

3) 楔子長度。撞楔管的長度直接影響巷道掘進(jìn)施工效率，撞楔管越長，巷道掘進(jìn)效率越高，但在受到鉆孔設(shè)備及機(jī)具等條件的影響下，若撞楔管過長會無法保障其施工角度及終孔間距，進(jìn)而影響超前支護(hù)效果。目前撞楔管長度=開挖步距的2～3倍+搭接長度，撞楔管總長一般小于5 m.

4) 楔子間距。楔子間距的確定主要取決于巷道掘進(jìn)工作面前方破碎頂板內(nèi)煤巖體的平均面積，破碎煤巖體面積的計(jì)算方法如下：

S塊=1/F=S/N

(1)

式中：

S塊—破碎頂板內(nèi)煤巖塊的平面面積，mm2；

F—頂板的破碎度；

S—頂板最破碎區(qū)域煤巖塊的面積，mm2；

N—掘進(jìn)工作面前方煤巖塊的數(shù)量。

根據(jù)礦井掘進(jìn)施工工程經(jīng)驗(yàn)可知，由于8#煤層松軟破碎，破碎煤塊的平均面積S塊一般均小于1.6×105mm，據(jù)此可確定撞楔管路的合理間距為150～400 mm.

5) 楔子搭接長度。楔子的搭接長度一般應(yīng)大于開挖超前擾動區(qū)的長度，且楔子長度不宜過長，以減少施工難度和材料浪費(fèi)，一般楔子的搭接長度取開挖擾動區(qū)的排距與永久支護(hù)排距的最大值。

2.2 巷道超前支護(hù)措施

根據(jù)Ⅱ836風(fēng)巷掘進(jìn)工作面的地質(zhì)及支護(hù)條件，結(jié)合撞楔法的支護(hù)原理，確定巷道超前支護(hù)方案為撞楔管+煤層注水。掘進(jìn)工作面布置撞楔管為松軟煤層頂板提供支撐，煤層注水增加煤的黏結(jié)性和抗壓性，提升煤體自身的穩(wěn)定性，具體支護(hù)參數(shù)如下：

1) 撞楔管支護(hù)。基于撞楔管的支護(hù)原理，結(jié)合8#煤層特征，確定撞楔管采用熱軋無縫圓鋼管，鋼管d25 mm，根據(jù)Ⅱ836風(fēng)巷掘進(jìn)施工步距為0.6 m，設(shè)置撞楔管的搭接長度為1.1 m，最終確定撞楔管的總長度為2.5 m，撞楔管間距為300 mm，具體撞楔管的支護(hù)布置形式見圖3.

圖3 撞楔管布置形式示意圖

2) 煤層注水。為加強(qiáng)巷道頂板管理及有效控制煤塵，采用煤層注水來增加煤的黏結(jié)性，煤體注水后，其內(nèi)部煤體顆粒間的毛細(xì)作用力會大幅提升，進(jìn)而增強(qiáng)煤體整體的穩(wěn)定性。注水方式采用動壓+靜壓注水相結(jié)合的施工方式，一班動壓+靜壓注水，兩班靜壓注水。動壓注水時采用液壓泵進(jìn)行，注水鉆孔d42 mm，孔深為8 m，注水時，注水器插入孔深不少于2 m；靜壓注水采用淺孔注水;動壓+靜壓注水，動壓注水注到四周淋水時即可停泵，動壓與靜壓注水間隔10 min，靜壓注水注到煤壁出水后即可停止。

3 沿空掘巷支護(hù)方案與效果

3.1 沿空掘巷支護(hù)方案

根據(jù)Ⅱ836風(fēng)巷的地質(zhì)條件可知，8#煤層較為松軟破碎，巷道沿II834工作面采空區(qū)掘進(jìn)，與采空區(qū)間的凈煤柱寬度僅為5.5 m，煤柱在掘進(jìn)動壓作用下塑性區(qū)發(fā)育寬度會較大，由于巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂煤松軟易出現(xiàn)局部冒頂現(xiàn)象。綜合上述分析可知，巷道圍巖控制的重點(diǎn)為巷道頂板和煤柱幫，設(shè)計(jì)巷道采用36U型棚+鎖腿、鎖梁錨索+煤柱幫注漿的支護(hù)方案，具體各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)如下：

1) 36U型棚支護(hù)。U型棚棚距600 mm，搭接長度400 mm，全斷面使用雙抗網(wǎng)+金屬網(wǎng)+鐵背板腰背，鐵背板間距300 mm. 腰背時兩端距離棚腿50 mm處采用雙股12#鐵絲聯(lián)牢，金屬網(wǎng)采用10#鐵絲加工的菱形網(wǎng)格，網(wǎng)格為50 mm，聯(lián)網(wǎng)時網(wǎng)間扣扣相聯(lián)，采用雙股12#鐵絲聯(lián)緊聯(lián)牢。

2) 鎖腿、鎖梁錨索。巷道幫部布置兩根鎖腿錨索，要求巷道兩幫各施工二道鎖腿錨索，采用YMS22/3.1-1860型鋼絞線錨索，間排距為500 mm×1 500 mm，鎖腿錨索滯后迎頭不大于20 m. 頂部采用五道錨索梁補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，采用YMS22/9.3-1860型鋼絞線錨索，間排距為1 200 mm×1 500 mm，預(yù)緊力不小于30 kN.

3) 煤柱幫注漿。煤柱幫布置2排注漿錨桿，采用d25 mm×2 500 mm的注漿花管，第一排注漿花管布置在距底板300 mm的位置處，注漿孔間排距1 500 mm×1 800 mm，注漿花管安裝完成后，進(jìn)行煤柱幫噴漿，噴砼強(qiáng)度為C20，厚度為100 mm，噴漿施工完畢后即進(jìn)行注漿作業(yè)，注漿滯后迎頭不超過60 m.

具體Ⅱ836風(fēng)巷支護(hù)方案見圖4.

圖4 巷道支護(hù)斷面圖

3.2 效果分析

Ⅱ836風(fēng)巷掘進(jìn)期間，在掘進(jìn)頭位置處設(shè)置變形監(jiān)測點(diǎn)，圍巖變形量采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行測量，每間隔1～2 d進(jìn)行一次測量作業(yè)，圍巖變形曲線見圖5.

根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的現(xiàn)場觀測可知，巷道掘進(jìn)期間頂板冒頂次數(shù)較少，且無大范圍冒頂現(xiàn)象出現(xiàn)，頂板最大冒頂深度僅為0.3 m，最大冒頂寬度為0.4 m. 據(jù)此可知巷道采用的撞楔管+煤層注水的超前支護(hù)方案能夠保障松軟頂煤的穩(wěn)定。

分析圖5可知，圍巖變形主要集中在巷道掘出后的0～15 d；當(dāng)巷道掘出時間大于15 d后，頂?shù)装寮皟蓭妥冃嗡俾蚀蠓鶞p小;當(dāng)巷道掘出20 d后，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟炕静辉僭鲩L，即表明圍巖已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂?shù)装搴蛢蓭鸵平康淖畲笾捣謩e為162 mm和115 mm，圍巖變形量較小。據(jù)此可知，Ⅱ836風(fēng)巷在現(xiàn)有支護(hù)方案下能夠保障圍巖的穩(wěn)定。

圖5 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線圖

4 結(jié) 論

1) 松軟煤層頂板采用撞楔法進(jìn)行支護(hù)時，合理支護(hù)參數(shù)如下：巷道開挖步距為永久支護(hù)施工步距的1～3倍，撞楔管直徑在25～85 mm，撞楔管間距在150～400 mm，撞楔管長度一般取開挖步距的2～3倍+搭接長度。

2) Ⅱ836風(fēng)巷超前支護(hù)方案為撞楔管+煤層注水，撞楔管長度為2.5 m，搭接長度1.1 m，間距300 mm. 煤層采用動壓+靜壓注水，根據(jù)巷道掘進(jìn)時現(xiàn)場觀測結(jié)果可知，巷道在該種超前支護(hù)方案下可保障松軟煤層頂板的穩(wěn)定。

3) Ⅱ836風(fēng)巷沿空掘巷期間，采用36U型棚+鎖腿、鎖梁錨索+煤柱幫注漿的支護(hù)方案，根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的圍巖變形觀測可知，支護(hù)方案實(shí)施后，圍巖變形量較小，保障了圍巖的穩(wěn)定。