泰業(yè)煤礦動(dòng)壓巷道圍巖加固技術(shù)研究及應(yīng)用

胡奇峰

（山西樓俊集團(tuán)泰業(yè)煤業(yè)有限公司）

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，至2025年，我國(guó)煤炭消費(fèi)量在能源消費(fèi)總量中的占比仍高達(dá)50%以上，可見(jiàn)未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)中仍占主體地位［1］。就煤炭井工開(kāi)采而言，回采巷道的順利掘進(jìn)和穩(wěn)定性維護(hù)是確保工作面安全高效生產(chǎn)的必要條件之一［2］。沿空掘巷受鄰近工作面與本工作面巷道掘進(jìn)及回采所產(chǎn)生的動(dòng)壓影響，巷道圍巖破碎、完整性較差、圍巖變形較大，甚至出現(xiàn)冒頂和片幫等風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅著工作面安全［3-5］。對(duì)此，武建山等［6］提出“錨注支護(hù)+幫底澆筑+底板錨索”聯(lián)合支護(hù)方案，有效控制了南窯頭礦回風(fēng)巷的圍巖變形。常青［7］采用“高強(qiáng)錨網(wǎng)索+噴漿”聯(lián)合支護(hù)措施，解決了龍頂山煤業(yè)9#煤運(yùn)輸大巷受動(dòng)壓影響變形較大的難題。張文平［8］基于數(shù)值模擬結(jié)果，確定了王臺(tái)煤礦153303 回風(fēng)巷的最佳布置方式和區(qū)段煤柱寬度，并提出了“錨索支護(hù)+注漿加固”的支護(hù)方式，維護(hù)了巷道穩(wěn)定性。由于泰業(yè)煤礦采掘接替緊張，在8301 工作面回采結(jié)束但圍巖新的平衡狀態(tài)尚未形成時(shí)，采用留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)施工8302 回風(fēng)順槽。但回風(fēng)順槽支護(hù)時(shí)，未充分考慮上一工作面回采的動(dòng)壓影響，導(dǎo)致巷道網(wǎng)兜現(xiàn)象明顯，局部出現(xiàn)掉頂，巷道圍巖變形較大，給巷道正常施工和工作面安全生產(chǎn)造成較大威脅?；谏鲜鲅芯砍晒?，本研究對(duì)泰業(yè)煤礦8302 回風(fēng)順槽沿空掘巷圍巖變形控制方案進(jìn)行研究，以期為類似工程條件巷道施工提供一定的參考。

1 工程概況

泰業(yè)煤礦當(dāng)前主采3#煤，煤層厚度為1.75～3.55 m，平均為2.65 m；煤層傾角為4°～6°，平均為5°；煤層埋深為438～636 m，平均為537 m。3#煤直接頂為厚10.83 m 的細(xì)粒砂巖，老頂為厚1.00 m 的細(xì)粒砂巖和厚7.79 m 的粉砂巖；直接底為厚4.95 m 的細(xì)粒砂巖，老底為厚2.85 m 的粗砂巖。8302 綜采工作面位于3#煤八采區(qū)，北為保護(hù)煤柱，南鄰東翼3 條大巷，西隔8 m 寬的區(qū)段煤柱與8301 工作面采空區(qū)相接，東為實(shí)體煤區(qū)。8302 綜采工作面布置情況見(jiàn)圖1。出于提高煤炭回采率和延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限的考慮，8302 工作面回風(fēng)順槽采用沿空掘巷技術(shù)進(jìn)行施工。8302 回風(fēng)順槽為跟底掘進(jìn)，矩形斷面，尺寸為3.3 m×4.6 m（高×寬），設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 308 m。受8301 工作面回采和巷道掘進(jìn)所產(chǎn)生的動(dòng)壓影響，8302 回風(fēng)順槽圍巖破碎，巷道掘進(jìn)初期局部區(qū)域掉頂達(dá)500 mm，巷道圍巖變形量較大，控制難度較大。

2 原支護(hù)方案及存在的問(wèn)題

2.1 原支護(hù)方案

8302 工作面回風(fēng)順槽沿空掘巷初期采用錨網(wǎng)（索）支護(hù)，支護(hù)參數(shù)主要根據(jù)8301 工作面回采巷道支護(hù)參數(shù)確定。原支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2所示，具體支護(hù)參數(shù)如下。

（1）頂板支護(hù)參數(shù)。頂錨桿采用φ20 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，頂板左右兩端錨桿距巷幫50 mm，所有錨桿均垂直于頂板布置。錨桿托盤規(guī)格為100 mm×100 mm，每根頂錨桿用MSK2340 樹脂錨固劑2 支。菱形金屬網(wǎng)由12#鐵絲加工，規(guī)格為5 000 mm×1 200 mm（長(zhǎng)×寬）。頂錨桿預(yù)緊力為80 kN。錨索為SKP22-1/1720-5400 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用“二O 二”的方式布置，間排距為2 000 mm×2 000 mm，錨索垂直頂板布置。錨索托盤規(guī)格為180 mm×180 mm，每根錨桿用MSK2340 樹脂錨固劑4 支。錨索預(yù)緊力為120 kN。垂直于巷道中線布置長(zhǎng)4 400 mm的鋼帶。

（2）巷幫支護(hù)參數(shù)。幫錨桿采用φ18 mm×2 000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，頂、底角錨桿分別距巷道頂板和底板400 mm，與水平呈15°角布置，其余幫錨桿垂直巷幫布置，每根幫錨桿用MSK2340 樹脂錨固劑2 支。幫錨桿預(yù)緊力為60 kN。

2.2 巷道礦壓顯現(xiàn)特征

8302工作面回風(fēng)順槽沿用了8301工作面支護(hù)方案，受8301工作面采動(dòng)影響，8302回風(fēng)順槽在掘進(jìn)過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。掘進(jìn)后10 d 內(nèi)，巷道頂板下沉量和兩幫移近量分別達(dá)到316.22 和562.51 mm，且呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱變形，煤柱側(cè)巷道變形程度較實(shí)體煤側(cè)更為顯著，巷道頂板破碎，網(wǎng)兜現(xiàn)象明顯，局部發(fā)生掉頂現(xiàn)象，部分區(qū)段需假設(shè)π型鋼梁補(bǔ)打錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。巷道圍巖破碎，裂隙較為發(fā)育，頂板離層量最大達(dá)到175 mm。部分區(qū)段錨桿螺母與桿體松動(dòng)脫落，防沖扎絲失效等。

2.3 巷道圍巖變形分析

基于8302 回風(fēng)順槽現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，并結(jié)合類似工程地質(zhì)條件工作面礦壓顯現(xiàn)情況分析可知，由于泰業(yè)煤礦采掘接替緊張，8302 回風(fēng)順槽在8302 工作面回采結(jié)束4 個(gè)月后開(kāi)始掘進(jìn)施工，此時(shí)8302 工作面采空區(qū)頂板圍巖發(fā)生破斷、回轉(zhuǎn)下沉，原來(lái)應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，新的應(yīng)力平衡尚未形成。且在8302 回風(fēng)順槽掘進(jìn)產(chǎn)生的擾動(dòng)影響下，靠近煤柱側(cè)巷道頂板和巷幫圍巖裂隙進(jìn)一步發(fā)育，破碎程度進(jìn)一步增加，原支護(hù)方案難以有效控制沿空巷道圍巖變形，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈［6-8］。原支護(hù)方案在使用過(guò)程中存在錨桿、錨索預(yù)緊力和長(zhǎng)度不能滿足實(shí)際需求等問(wèn)題。

3 巷道圍巖支護(hù)機(jī)理及加強(qiáng)支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 巷道圍巖支護(hù)機(jī)理

受相鄰工作面采動(dòng)影響，沿空巷道一定深度范圍內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育、破碎程度增大，錨桿（索）支護(hù)懸吊作用下可有效增強(qiáng)巷道圍巖整體性，進(jìn)而提高圍巖的承載能力［3］。錨桿（索）的長(zhǎng)度和角度決定了其是否能將破碎圍巖有效地錨固在完整巖體上，因而通過(guò)增加錨桿（索）的長(zhǎng)度和改變其布置角度，可實(shí)現(xiàn)提高錨桿（索）支護(hù)效果的作用［5］。此外，研究表明，縮小錨桿（索）間距，即增加錨桿（索）的布置密度，可顯著提高錨桿（索）支護(hù)強(qiáng)度，提高錨桿（索）預(yù)緊力可有效阻止巷道圍巖中裂隙的發(fā)育和擴(kuò)展，提高巷道圍巖承載能力，并實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的高阻讓壓，進(jìn)而維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定［7-8］。

3.2 加強(qiáng)支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基于巷道圍巖控制機(jī)理，針對(duì)8302 回風(fēng)順槽采用原支護(hù)方案時(shí)存在的錨桿、錨索預(yù)緊力和長(zhǎng)度不能滿足實(shí)際需求的現(xiàn)狀，將錨索長(zhǎng)度由原來(lái)的5 400 mm 增大至7 000 mm，間排距由原來(lái)的2 000 mm×2 000 mm 縮小為1 800 mm×2 000 mm，頂錨桿和錨索預(yù)緊力分別由原來(lái)的80 kN 和120 kN 增大至120 kN 和150 kN；將幫錨桿由原來(lái)φ18 mm×2 000 mm 改為φ18 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，同時(shí)將幫錨桿預(yù)緊力由原來(lái)的60 kN 增大至100 kN，以增強(qiáng)支護(hù)體系對(duì)圍巖的夾持和懸吊作用。加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3所示。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

為了判斷加強(qiáng)支護(hù)方案的合理性及對(duì)巷道圍巖變形的控制效果，在8302 回風(fēng)順槽進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在試驗(yàn)段每隔50 m 布置一個(gè)巷道表面位移測(cè)站，共布置2 個(gè)測(cè)站，每2 d 對(duì)巷道表面位移數(shù)據(jù)測(cè)讀一次并記錄，對(duì)采用加強(qiáng)支護(hù)方案后30 d 內(nèi)的巷道表面位移情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

由圖4 可知，在8302 回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，前16 d時(shí)巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平砍手饾u增大趨勢(shì)，該時(shí)期內(nèi)巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為50.72和115.19 mm。在16 d 以后，巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，30 d內(nèi)巷道頂?shù)装搴蛢蓭屠塾?jì)移近量分別穩(wěn)定在52.70 和116.51 mm。由此可見(jiàn)，加強(qiáng)支護(hù)方案對(duì)8302 回風(fēng)順槽圍巖變形控制效果顯著，為巷道正常使用和8302工作面安全高效回采提供了保障。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)泰業(yè)煤礦8302 回風(fēng)順槽原支護(hù)方案難以有效控制巷道圍巖變形原因進(jìn)行分析，提出增大錨桿、錨索預(yù)緊力，錨索和幫錨桿長(zhǎng)度及縮小錨索間距的加強(qiáng)支護(hù)方案。

（2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用加強(qiáng)支護(hù)方案，巷道頂?shù)装搴蛢蓭屠塾?jì)移近量分別穩(wěn)定在52.70 和116.51 mm，圍巖變形控制效果顯著，為巷道正常使用和工作面安全高效回采提供了保障。