謝曉光

(永城煤電集團(tuán)順和煤礦)

1 工程概況

某煤礦主采二2煤，2100工作面是該礦21采區(qū)的第三個(gè)綜采工作面。該工作面東鄰21采區(qū)膠帶運(yùn)輸上山，西鄰工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱，北鄰－702 m水平東翼膠帶運(yùn)輸大巷保護(hù)煤柱，南鄰F12斷層保護(hù)煤柱。2100工作面二2煤層平均厚度2.4 m，埋深740 m左右，工作面煤層頂、底板情況見(jiàn)表1。2100工作面膠帶運(yùn)輸平巷為實(shí)體煤沿頂掘進(jìn)巷道，巷道設(shè)計(jì)斷面為梯形，設(shè)計(jì)毛寬4200 mm，毛高2700 mm，凈寬4000 mm，凈高2600 mm。

表1 2100工作面二2煤層頂、底板情況

2100工作面膠帶運(yùn)輸平巷設(shè)計(jì)為錨網(wǎng)支護(hù)，圖1是巷道原支護(hù)方案。具體支護(hù)參數(shù)如下:

圖1 巷道原支護(hù)方案(單位:mm)

(1)巷道頂板支護(hù)形式。高強(qiáng)錨桿+M鋼帶+金屬平網(wǎng)+錨索。采用φ20 mm×2200 mm高強(qiáng)錨桿，每根錨桿使用1卷MSK2350型錨固劑和1卷MSZ2350型錨固劑，錨固力100kN;錨桿間排距為750 mm×800 mm;采用規(guī)格為150 mm×90 mm×12 mm的M鐵托盤;4000 mm長(zhǎng)的M鋼帶，2300 mm×1000 mm的金屬平網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm。錨索規(guī)格為φ18.9 mm×7300 mm，每根錨索使用1支MSK2350型錨固劑和2支MSZ2350型錨固劑，預(yù)緊力150 kN。頂板錨索偏離中心700 mm，排距為1600 mm，三花布置，錨索托盤規(guī)格為250 mm×250 mm×20 mm。

(2)巷道非回采側(cè)幫部支護(hù)形式:高強(qiáng)錨桿+金屬平網(wǎng)+木托盤+鐵托盤。巷道回采側(cè)幫部支護(hù)形式:普通錨桿+雙抗網(wǎng)+木托盤+鐵托盤。高強(qiáng)錨桿規(guī)格為φ20 mm×2200 mm，每根高強(qiáng)錨桿使用2支MSZ2350錨固劑，錨固力80 kN;普通錨桿規(guī)格為φ16 mm×1800 mm，每根普通錨桿使用1支MSK2350錨固劑，錨固力50 kN。錨桿間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿配150 mm×150 mm×8 mm鐵托盤和300 mm×200 mm×50 mm木托盤;雙抗網(wǎng)規(guī)格為6000 mm×1400 mm型(帶孔)，金屬平網(wǎng)規(guī)格為2300 mm×1000 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm。

2 巷道變形特征及原因分析

圖2是2100工作面膠帶運(yùn)輸平巷掘出并完成支護(hù)后的頂板離層監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖2可知，在巷道完成支護(hù)后的0～10 d內(nèi)，巷道頂板離層量以較大的速率持續(xù)增大，其中錨桿錨固區(qū)的頂板離層值由0增大為49 mm，而6 m范圍內(nèi)的頂板離層值也增大為 68 mm，平均 離 層 速 率分 別高 達(dá) 4.9，6.8 mm/d;10 d后，底板離層速率開(kāi)始逐漸減小，但離層量仍在不斷增大，截至監(jiān)測(cè)的第57 d，錨桿錨固區(qū)及6 m范圍內(nèi)的頂板離層值分別為75，94 m。與此同時(shí)，巷道兩幫也強(qiáng)烈內(nèi)移并鼓出，局部鼓出量達(dá)200 mm左右，并有部分錨桿被壓斷。

圖2 巷道頂板離層監(jiān)測(cè)結(jié)果

基于巷道地質(zhì)條件和巷道變形特征的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，造成巷道變形的主要原因:

(1)高應(yīng)力。2100工作面膠帶運(yùn)輸平巷埋深約740 m，巷道圍巖原始垂直應(yīng)力約18.5 MPa，由于巷道掘進(jìn)過(guò)程中還要揭露8條斷層，在構(gòu)造應(yīng)力的疊加作用下，巷道圍巖內(nèi)的應(yīng)力將更大。巷道開(kāi)挖后，巷道周邊將形成高于原巖應(yīng)力的應(yīng)力集中，巷道淺部圍巖在該集中應(yīng)力作用下極易發(fā)生離層、剪脹等變形。

(2)巷道圍巖巖性差、強(qiáng)度低。由表1可知，2100工作面膠帶運(yùn)輸平巷圍巖主要以煤、泥巖及細(xì)砂巖為主，巖石自身強(qiáng)度較低，同時(shí)受斷層切割影響，巷道圍巖節(jié)理裂隙更加發(fā)育，導(dǎo)致巖體整體性差，自承載能力大大降低，在高應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生沿裂隙面滑移錯(cuò)動(dòng)。

(3)原支護(hù)參數(shù)不合理。①預(yù)緊力偏低，雖然2100工作面膠帶運(yùn)輸平巷頂板采用了高強(qiáng)錨桿、錨索支護(hù)，但由于現(xiàn)場(chǎng)安裝機(jī)具難以到位，導(dǎo)致錨桿、錨索預(yù)緊力偏低，錨桿、錨索對(duì)圍巖離層、剪脹等變形的及時(shí)控制效果差，難以改善巷道淺部圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，致使圍巖自承載能力難以有效發(fā)揮［1］;②兩幫支護(hù)強(qiáng)度不夠，錨網(wǎng)支護(hù)的實(shí)質(zhì)是利用淺部圍巖形成的錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)控制巷道圍巖變形，而在實(shí)際承載過(guò)程中，巷道頂板錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)與兩幫錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)相互制約、相互促進(jìn)［2-3］，巷道兩幫支護(hù)強(qiáng)度偏低，尤其是巷道回采側(cè)幫僅采用φ16 mm×1800 mm的普通錨桿支護(hù)，兩幫難以形成較高承載能力，在高應(yīng)力作用下極易失穩(wěn)破壞。一旦巷道兩幫錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，巷道頂板錨網(wǎng)支護(hù)的承載能力急劇降低。

3 支護(hù)方案改進(jìn)及效果

3.1 支護(hù)方案的改進(jìn)

圖3是改進(jìn)后的巷道支護(hù)方案，其支護(hù)參數(shù)如下:

圖3 改進(jìn)后的巷道支護(hù)方案(單位:mm)

(1)巷道頂板支護(hù)形式:高強(qiáng)錨桿+M鋼帶+鋼筋網(wǎng)+錨索。采用φ20 mm×2200 mm高強(qiáng)錨桿，每根錨桿使用1卷MSK2350型錨固劑和1卷MSZ2350型錨固劑，錨桿預(yù)緊力矩不小于250 N·m，錨桿間排距為750 mm×800 mm。采用規(guī)格為150 mm×90 mm×12 mm的M鐵托盤，4000 mm長(zhǎng)的 M 鋼帶，φ6.5 mm ×2200 mm ×1000 mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為70 mm×70 mm。錨索規(guī)格為φ18.9 mm×7300 mm，每根錨索使用1支MSK2350型錨固劑和2支MSZ2350型錨固劑，預(yù)緊力150 kN;錨索間排距為1300 mm×1600 mm，沿巷道周邊用長(zhǎng)為3000 mm的12#槽鋼梁將相鄰錨索連接成整體，為防止槽鋼梁被拉穿，槽鋼梁與錨具之間加一塊150 mm×90 mm×20 mm錨索托盤。

(2)巷道兩幫支護(hù)形式:高強(qiáng)錨桿+M鋼帶+鋼筋網(wǎng)。頂板向下300mm開(kāi)始起錨，采用φ20 mm×2200 mm高強(qiáng)錨桿，每根錨桿使用2支MSZ2350錨固劑，錨桿預(yù)緊力矩不小于250 N·m。錨桿間排距為700 mm×800 mm，采用規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm的M鐵托盤，巷道回采側(cè)及非回采側(cè)幫部分別采用1600 mm長(zhǎng)的M鋼帶和1000 m長(zhǎng)的M鋼帶，φ6.5 mm×2200 mm×1000 mm 的鋼筋網(wǎng)支護(hù)，網(wǎng)孔規(guī)格為70 mm×70 mm。

3.2 支護(hù)效果

圖4是2100工作面膠帶運(yùn)輸平巷支護(hù)改進(jìn)后的頂板離層監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖4可知，巷道頂板離層值在第25 d左右趨于穩(wěn)定，頂板錨桿錨固區(qū)內(nèi)的最大離值僅為5 mm左右，頂板6 m范圍內(nèi)的最大離層值僅為16 mm左右。同時(shí)，巷道兩幫煤體未再出現(xiàn)強(qiáng)烈鼓出現(xiàn)象?？梢?jiàn)，改進(jìn)后的支護(hù)方案，巷道圍巖變形得到了有效控制。

4 結(jié)論

(1)高應(yīng)力巷道圍巖強(qiáng)度低、原支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，是導(dǎo)致該礦2100工作面膠帶運(yùn)輸平巷頂板出現(xiàn)較大離層及兩幫鼓出的主要原因。

圖4 巷道頂板離層監(jiān)測(cè)結(jié)果

(2)結(jié)合巷道變形特征及原因分析，從提高圍巖承載能力出發(fā)，對(duì)原巷道支護(hù)方案進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的支護(hù)方案能有效控制巷道圍巖變形。

［1］ 陳炎光，陸士良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

［2］ 荊升國(guó).高應(yīng)力破碎軟巖巷道棚-索協(xié)同支護(hù)圍巖控制機(jī)理研究［D］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

［3］ 岳 東.高應(yīng)力軟弱巖層巷道二次錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)［J］.能源技術(shù)與管理，2014，39(1):64-66.