煤礦連采工藝的圍巖控制技術(shù)研究

王 東

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)燕家河煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

對(duì)于絕大多數(shù)煤礦而言，其可開采的煤層數(shù)較多，而且各個(gè)煤層的間距也不等。當(dāng)煤層之間的間距較大時(shí)，上層煤層的開采不會(huì)對(duì)下層煤層開采造成影響；當(dāng)煤層之間的間距較小時(shí)，上層煤層已經(jīng)開采完畢，當(dāng)開采下層煤層時(shí)其對(duì)應(yīng)的頂板條件不穩(wěn)定，極易在工作面采空區(qū)的另一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致正在開采煤層的巷道出現(xiàn)較為嚴(yán)重的變形；同時(shí)，在礦山壓力的共同作用下，會(huì)加劇巷道的變形，在某種程度上對(duì)巷道支護(hù)增加了難度[1]。本文將以實(shí)踐生產(chǎn)對(duì)連續(xù)開采工藝下，尤其是對(duì)兩煤層間距較小時(shí)下部煤層巷道的圍巖控制技術(shù)展開研究。

1 工程概況

某礦井在設(shè)計(jì)初期的生產(chǎn)能力為3 Mt/a，在后期技術(shù)升級(jí)改造后，該礦井的生產(chǎn)能力提升至5 Mt/a。目前，礦井可開采的煤層包括有2-1#、2-2#、10#和11#煤層。其中，2-1# 和2-2# 煤層之間的最小間距為0.1 m，最大間距為12 m，平均間距為5.6 m，整體上講，這個(gè)煤層相對(duì)穩(wěn)定且全部可采。本文以2-2#煤層所屬的601 工作面開展系列研究，該工作面的走向長(zhǎng)度為1 550 m，其中切巷的長(zhǎng)度為240 m。601 工作面的頂?shù)装鍡l件，如表1 所示。

表1 601 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

總體來講，601 工作面的地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)601 工作面開采巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，并對(duì)最終的圍巖控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 連采工作面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)連采工作面的地質(zhì)條件和開采工藝特點(diǎn)，提出巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原則，并對(duì)應(yīng)的提出巷道支護(hù)方案。

2.1 連采工作面巷道支護(hù)原則

為保證最終巷道支護(hù)方案的可行性和最終的支護(hù)效果，支護(hù)方案設(shè)計(jì)需要遵循如下原則：

2.1.1 一次性支護(hù)

所謂一次性支護(hù)指的是對(duì)巷道支護(hù)方案的實(shí)施應(yīng)整體完成，避免因二次支護(hù)返工影響最終的支護(hù)效果。

2.1.2 預(yù)應(yīng)力分散

當(dāng)錨桿支護(hù)實(shí)施完成后，為了保證每根錨桿均可達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果，需要采用托板或者托梁對(duì)錨桿的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行分散[2]。

2.1.3 相互匹配原則

錨桿僅為支護(hù)方案中的關(guān)鍵部件，為了強(qiáng)化最終的支護(hù)效果，需要選擇與已經(jīng)選擇錨桿相配套的錨索對(duì)巷道進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。

2.1.4 經(jīng)濟(jì)性原則

所謂經(jīng)濟(jì)性原則指的是在保證對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效控制的基礎(chǔ)上，盡可能的減少支護(hù)實(shí)施的工作量，提高支護(hù)實(shí)施的效率，節(jié)約支護(hù)成本[3]。

2.2 連采工作面支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)601 工作面的現(xiàn)場(chǎng)情況，需要對(duì)順槽、端頭以及切巷進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。具體闡述如下。針對(duì)順槽的支護(hù)，本工程對(duì)不同煤層間距設(shè)計(jì)的而不同的支護(hù)方案。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤層間距的探測(cè)結(jié)果，將煤層間距分為三個(gè)等級(jí)，即間距為0～1 m、間距為1～3 m 和間距大于3 m。以順槽正巷為例，其具體的支護(hù)方案如下：

2.2.1 煤層間距小于1 m 時(shí)

當(dāng)連采煤層的間距小于1 m 時(shí)，主要采用錨網(wǎng)梁與11#礦工鋼棚聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)。具體方案如下：頂板主要依靠工字鋼棚對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，其間距為0.6 m；兩幫采用錨網(wǎng)梁與11#礦工鋼棚進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，其中錨桿的直徑為18 mm，長(zhǎng)度為1 600 mm，錨桿間距為1 200 mm，錨桿排距為600 mm。當(dāng)煤層間距小于1 m時(shí)，順槽正巷的支護(hù)斷面，如圖1 所示。

圖1 煤層間距小于1 m 順槽正巷支護(hù)示意圖（單位：mm）

2.2.2 煤層間距在1～3 m 之間時(shí)

當(dāng)煤層間距在1～3 m 之間時(shí)，主要采用錨網(wǎng)鋼帶與11#礦工鋼棚聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)。其中，頂板在采用直徑18 mm、長(zhǎng)度1 000 mm、間距為900 mm 且排間距為1 000 mm 錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用錨網(wǎng)鋼帶和架棚進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，其中，頂部棚架的間距為1 000 mm。兩幫在采用直徑為18 mm，長(zhǎng)度為1 600 mm，間距為1 200 mm 且排間距為1 200 mm 錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采用錨網(wǎng)梁與礦工鋼棚進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，其中，曠工鋼棚的間距為1 000 mm。

當(dāng)煤層間距在1～3 m 之間時(shí)，順槽正巷的支護(hù)斷面，如圖2 所示。

2.2.3 煤層間距大于3 m 時(shí)

當(dāng)煤層間距大于3 m 時(shí)，頂板采用錨桿+錨索+架棚的聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)，具體參數(shù)如下：錨桿為左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，直徑為18 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm，間距為900 mm，排間距為1 000 mm；錨索為鋼絞線，直徑為17.8 mmm，長(zhǎng)度為3 200 mm，間距為2 000 mm，排間距為2 000 mm；頂部棚架間距為1 000 mm。兩幫采用錨桿+錨網(wǎng)梁的聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)，具體參數(shù)如下：錨桿為高強(qiáng)錨桿，直徑為18 mm，長(zhǎng)度為1 600 mm，間距為1200 mm，排間距為1 200 mm；兩幫棚架間距為1 000 m。

當(dāng)煤層間距大于3 m 之間時(shí)，順槽正巷的支護(hù)斷面，如圖3 所示。

圖3 煤層間距大于3 m 時(shí)順槽正巷支護(hù)示意圖（單位：mm）

3 支護(hù)方案可行性驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述支護(hù)方案的可行性和有效性，對(duì)上述方案在工作面巷道實(shí)施后對(duì)錨桿錨索的工作載荷以及巷道的移近量進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：

3.1 錨桿錨索受力載荷

隨著工作面的推進(jìn)，錨桿錨索的受力載荷情況變化，如圖4 所示。

圖4 錨桿錨索受力載荷變化情況

如圖4 所示，在距離工作面迎頭距離為20 m 處的錨桿和錨索所承受在載荷明顯增加，對(duì)應(yīng)的增量為10 kN；隨著工作面的不斷推進(jìn)，錨桿和錨索工作載荷不斷變化，并在巷道推進(jìn)至50 m 的位置時(shí)，錨桿錨索的工作載荷處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，且其均未達(dá)到對(duì)應(yīng)的極限值，即可對(duì)工作面圍巖起到有效的控制效果。

3.2 巷道圍巖位移分析

本工程采用頂板離層指示儀并基于十字布樁法對(duì)設(shè)備進(jìn)行布置對(duì)巷道頂板和兩幫的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：

1）巷道工作面頂板的最大位移量為10 mm，兩幫的最大移近量?jī)H為23 mm；上述圍巖的位移變化均在允許范圍之內(nèi)；

2）隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面頂板及兩幫的圍巖并未出現(xiàn)片幫、破碎以及剝落的情況，說明支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效控制，其所成承受的應(yīng)力也較小，能夠保證巷道的穩(wěn)定。

4 結(jié)語

煤礦可開采的煤層眾多，各個(gè)煤層之間的間距不同。當(dāng)煤層間距較大時(shí)，開采下部煤層不會(huì)因?yàn)樯喜棵簩娱_采完畢而受到影響；當(dāng)煤層間距較小時(shí)，開采下部煤層時(shí)會(huì)由于上部煤層開采完畢而導(dǎo)致其頂板不穩(wěn)定，進(jìn)而影響開采的安全性。本文針對(duì)此種情況，對(duì)不同煤層間距對(duì)應(yīng)工作面開采巷道的支護(hù)提出不同級(jí)別的支護(hù)方案，實(shí)踐表明：

1）并在巷道推進(jìn)至50 m 的位置時(shí)，錨桿錨索的工作載荷處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，且其均未達(dá)到對(duì)應(yīng)的極限值，即可對(duì)工作面圍巖起到有效的控制效果。

2）隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面頂板及兩幫的圍巖并未出現(xiàn)片幫、破碎以及剝落的情況，說明支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效控制，其所成承受的應(yīng)力也較小，能夠保證巷道的穩(wěn)定。