復雜動壓下切眼留巷支護工程實踐研究

牛孝田

（安徽恒源煤電股份有限公司,安徽 淮北 235000）

傳統的“U”型通風方式容易出現工作面回采至瓦斯富集區域時回風上隅角瓦斯積聚問題,現在工作面回采期間多采用“Y”型通風方式[1-3],要求在切眼處留巷連通其他巷道作為工作面回風巷[4-6]。隨著我國煤礦開采不斷向深部發展,巷道受到多種應力作用導致支護難度越來越大。復雜動壓影響下,巷道頂板易失穩破壞,出現巷道斷面變形大難以維持正常使用,且維護困難。許多學者針對這一問題進行了研究,分析了復雜動壓影響下頂板失穩機理及巖層運移規律[7-10]。不同地質條件下巷道的支護必須具有針對性,大量學者通過實踐研究提出了各種不同支護方式[11-14],對相似工程背景下的巷道支護提供了參考和借鑒。

本文以恒源煤礦Ⅱ634 工作面切眼留巷為背景,研究了大斷面、大埋深沿空留巷頂板復雜動壓下的失穩機理,提出了一種新型支護技術,為類似條件下的頂板支護積累了寶貴的實踐經驗,應在類似條件下大力進行推廣應用。

1 工程概況

恒源煤礦Ⅱ634 工作面位于Ⅱ63 采區中部,工作面東部為Ⅱ63 采區的軌道、運輸和回風下山,其外側靠近采區邊界的孟口逆斷層,工作面整體處在斷層下盤；南部為Ⅱ633 工作面；西部切眼外側為孟1 斷層保護煤柱線；北部為規劃還未開采的Ⅱ635 工作面。Ⅱ634 工作面設計為綜采工作面,風巷利用Ⅱ633 機巷沿空留巷,機巷正常掘進,總體上屬近走向長壁式布置,工作面走向長1934～1945m,傾斜寬173m；機巷標高-693.7～-743m,切眼標高-705～-695.9m。

2 Ⅱ634 切眼留巷期間頂板失穩機理

沿空留巷頂板各部分巖層對留巷穩定性的影響程度不同,直接頂是沿空留巷的直接接觸部位,它對沿空留巷的穩定性具有直接的影響作用；而基本頂則需要通過直接頂才與巷道發生相互作用,同理基本頂上覆巖層載荷則需要經過基本頂和直接頂才能作用于沿空留巷,且基本頂上覆巖層的垮落特征、垮落后的賦存狀態在很大程度上取決于基本頂巖層的破斷特征及其垮落后的賦存狀態。在幾者的相互作用關系當中,基本頂起到主要作用,因此要控制沿空留巷圍巖的穩定性就要首先解決基本頂結構穩定的問題。Ⅱ634 切眼留巷期間頂板斷裂結構見圖1。

圖1 沿空留巷頂板斷裂結構示意圖

3 Ⅱ634 切眼大斷面留巷期間頂板圍巖控制技術

3.1 Ⅱ634 切眼大斷面留巷期間頂板支護方案

3.1.1 Ⅱ634 切眼頂板采用Φ21.8mm、L=10000mm鋼鉸線進行初期加固,錨索在留巷5200mm 斷面內按“三三”居中布置,留巷期間補強支護的恒阻錨索統一采用Φ21.8mm、L=11300mm 鋼鉸線,隨工作面推進按設計位置跟進布置,恒阻錨索布置方式如下：

Ⅱ634 切眼頂板恒阻錨索順巷布置4 列,第1 列到第4 列錨索距切縫線分別為500mm、2100mm、3700mm和4700mm,排距分別為800mm、1600mm、1600mm 和1600mm。錨索外露長度250mm-300mm,預緊力不小于250KN,生根到頂板穩定巖中不低于2000mm。所有恒阻錨索均采用鋼筋梯子梁連接,相鄰梯子梁壓茬連接,梯子梁規格為3800mm×120mm,梯子梁采用φ18mm 圓鋼焊接。恒阻錨索配套恒阻器長度為500mm,外徑79mm,最大允許變形量350mm,恒阻值為30±2t,預緊力不小于250kN。錨索托盤采用厚度18mm 平鋼板加工,托盤規格：長×寬×厚=300mm×300mm×18mm,托盤居中擴φ105mm 圓孔,超前支護設計見圖2。

圖2 Ⅱ634 切眼超前支護設計平面圖

3.1.2 Ⅱ634 切眼內順巷布置兩列單元式支架作為被動臨時支護,單元式支架選用ZQ4000/20.6/45 型超前液壓支架,初撐力24MPa,隨工作面推進按設計位置跟進布置,單元式支架布置方式：第一列距切縫線1500mm,排距3000mm,第二列距切縫線3000mm,排距3000mm,局部可以根據錨索位置做適當調整,以不破壞支護錨索為準,Ⅱ634 切眼架后單元式支架臨時支護效果圖見圖3。

圖3 Ⅱ634 切眼架后單元式支架臨時支護效果圖

3.2 單元式支架安裝流程優化

為保證割煤移架期間隨著控頂面積的增大,留巷內頂板支護的安全,在留巷期間割煤移架過程中,對相關支護標準及流程進行技術優化,提出單元式支架“先穩后跟,單定雙進,交叉緊貼”的安裝流程：

3.2.1 在掘進切眼刷大形成6.8m 大斷面期間隨著斷面的擴大及時在巷中跟進一列單元式支架,初撐力24MPa,確保在切眼大斷面礦山壓力顯現前穩住頂板,減少由于支撐力不足導致的頂板擾動。

3.2.2 切眼內液壓支架安裝完成后隨著工作面的回采、液壓支架的推進、斷面的擴大,完成第二步后及時按照支護設計重新跟進切眼內單元式支架至預定第一列位置,且加密布置,確保單元式支架能夠始終處于留巷斷面中間位置從而使支撐效果最佳。

3.2.3 隨著液壓支架的繼續推進,完成第三步施工流程,采取“單定雙進”的方式,即第一列單元式支架單號支架穩定不動,雙號支架跟進緊貼液壓支架,從而減少了對頂板的二次擾動,確保了更大斷面的頂板支護效果,同時給其余單元式支架安裝創造了運輸路線。

3.2.4 在割煤移架全過程中嚴格落實對頂板支護錨索的保護措施,所有液壓支架頂梁與頂板之間填充木料結實,同時液壓支架始終保證24MPa 支撐強度,帶壓移架。具體見圖4。

圖4 Ⅱ634 切眼大斷面留巷“單定雙進”移架示意圖

4 現場工程實踐

Ⅱ634 切眼大斷面留巷期間使用新的頂板支護方案并優化單元式支架安裝流程,對切眼留巷表面位移、頂板離層和單元式支架受力進行監測。在Ⅱ634 切眼兩端頭各建一組離層儀和表面位移站,切眼內12#、13#斷層破碎帶各建一組離層儀和表面位移站,其他位置按照30m 間距建站,共計建離層儀、位移站各6 組,測站分布圖如圖5 所示。Ⅱ634 切眼自留巷完成,每周礦壓監測不少于兩次,圖6 為Ⅱ634 切眼留巷變化規律圖。

圖5 Ⅱ634 切眼測站分布圖

圖6 Ⅱ634 切眼留巷變化規律圖

單元式支架受壓變化情況：受工作面采動影響,U 型鋼側支架礦壓顯現較人行道側支架明顯,單元式支架立柱安全閥全部打開45 架,占比91.8%；人行道側單元式支架立柱安全閥打開31 架,占比60.7%。斷層處兩排單元式支架立柱安全閥全部打開,木垛受力變形較大。

通過以上礦壓監測結果及單元式支架受力變化情況分析：整體情況來看Ⅱ634 切眼大斷面切頂留巷后單元式支架基本全部泄壓閥打開,所以支撐力都已達到峰值4000KN,換算后單位面積內承重達380t,可見支護難度非常大。頂底板及兩幫位移在工作面初放以后迅速增大,增量明顯,但最終在推進50m 以后兩幫位移基本穩定,70m 后頂底板位移及離層情況都基本穩定,其中4#位移站及離層儀處為斷層破碎帶,變化最為明顯,頂板完整性也最差,其他離層量均為0 說明普通頂板主動支護效果顯著,基本達到了預想目標。

5 結論

針對恒源煤礦Ⅱ634 工作面切眼留巷受到復雜動壓影響巷道變形嚴重,難以滿足巷道運輸運料需求的問題,研究了Ⅱ634 工作面切眼留巷期間頂板支護方案和單元式支架安裝流程得到以下結論：

5.1 大采深、大斷面切眼留巷采用雙排單元式支架配合恒阻錨索進行密集支護可以有效控制工作面回采過程中動壓顯現劇烈時的頂板位移,實現了留巷后運輸路線的持續暢通,避免了后期巷道的大范圍失修。

5.2 在切眼留巷施工過程中優化割煤移架施工流程,“先穩后跟,單定雙進,交叉緊貼”的施工方式使頂板在工作面動壓影響下得到有效控制,“帶壓移架、接頂護索”的作業標準提高了最終留巷效果。