張海平

(山西寧武大運(yùn)華盛莊旺煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700)

頂板事故一直以來都是煤礦井下五大災(zāi)害之首，近年來，隨著淺部資源的枯竭，開采深度逐漸增加，工作面及巷道圍巖體所受的圍巖壓力越來越大，造成工作面頂板安全形勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)峻[1-3]。為提高回采率，以及受煤層賦存條件的影響，煤礦開采過程中會(huì)形成孤島工作面，孤島工作面圍巖應(yīng)力大、圍巖塑性區(qū)范圍廣，在開采中若支護(hù)方式不當(dāng)，很容易發(fā)生頂板事故，因此對(duì)孤島工作面進(jìn)行合理有效的支護(hù)設(shè)計(jì)分析十分必要[4-5]。

1 工程概況

莊旺煤業(yè)50203工作面是5號(hào)煤層502采區(qū)第三個(gè)工作面，5號(hào)煤層平均厚度13 m，平均傾角10°，煤深380 m左右。煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度10～60.8 MPa, 抗拉強(qiáng)度0.4～4.6 MPa，屬軟弱-堅(jiān)硬巖層，老頂為砂巖，厚2～26 m；底板為泥巖及炭質(zhì)泥巖，厚1 m左右，據(jù)5號(hào)煤層底板巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度8～64.8 MPa，抗拉強(qiáng)度0.2～2.4 MPa，屬軟弱-堅(jiān)硬巖層。工作面北部為50204綜采工作面采空區(qū)；南部為50202綜采工作面，正在回采；西面為502采區(qū)4條大巷；東面為井田邊界留設(shè)的保安煤柱；頂部2號(hào)、3號(hào)煤層現(xiàn)已采空。50203工作面回風(fēng)巷沿采空區(qū)留設(shè)保護(hù)煤柱掘進(jìn)。圖1為工作面布置示意。

2 巷道圍巖控制技術(shù)

2.1 支護(hù)方式

50203回風(fēng)巷為矩形斷面，掘進(jìn)巷寬4.2 m，巷高3.2 m，掘進(jìn)斷面積為13.44 m2；沿煤層底板掘進(jìn)；掘進(jìn)方式采用綜掘。原設(shè)計(jì)支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，其中錨桿采用D18 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿托盤采用120 mm×120 mm×6 mm蝶型托盤，幫部4根/每幫、頂部6根，共14根，間排距800 mm×800 mm；錨索采用D15.24 mm、長度15 000 mm礦用錨索，每排2根，錨索托梁采用長度1 500 mm(12號(hào)礦用工字鋼)，間排距1 600 mm×2 400 mm；配合使用H型梯子梁和鐵絲勾花網(wǎng)。

圖1 工作面布置示意

50203回風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)，受上覆巖2號(hào)、3號(hào)煤層采空區(qū)和臨近50202回采工作面的采動(dòng)影響，巷道出現(xiàn)不同程度的頂板下沉、破損掉渣、兩幫擠壓破損、底板鼓起、錨索拉斷、錨桿凹陷等的情況。經(jīng)研究，決定對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整錨桿和錨索支護(hù)參數(shù)，改用高強(qiáng)端錨樹脂錨固高強(qiáng)度錨桿和小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索，代替原設(shè)計(jì)方案中的普通錨桿和錨索。

2.2 改進(jìn)后的支護(hù)方式

2.2.1 錨桿、網(wǎng)片、鋼梁

幫部和頂部均采用D20 mm×2 400 mm高強(qiáng)度左旋螺紋鋼樹脂錨桿，間排距為800 mm×800 mm，頂板6根、幫部5根/每幫，共16根，每根錨桿采用2支Z2360錨固劑進(jìn)行端錨錨固，錨固力60 kN，扭矩力140 N·m，為了保證有足夠的預(yù)應(yīng)力，與150 mm×150 mm×10 mm蝶型托盤配套使用，外露長度20～50 mm。頂部和幫部均采用10號(hào)金屬網(wǎng)，孔徑100 mm×100 mm，規(guī)格2 000 mm×1 000 mm，搭接長度100 mm，每隔200 mm使用雙層14號(hào)鐵絲不少于擰兩圈捆綁，鋼帶采用自制H型梯子梁，規(guī)格D14 mm×4 000 mm×100 mm。梯子梁對(duì)不平整的巖面有很強(qiáng)的適用性，可有效約束錨桿，同時(shí)方便工人進(jìn)行安裝施工。

2.2.2 錨索、鋼梁

頂部錨索采用D21.6 mm×15 000 mm高強(qiáng)度低伸縮1×7標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線組成的預(yù)應(yīng)力錨索，加長錨固，錨固劑采用4支Z2360型和2支K2335型，錨固長度不小于3.5 m，錨固力不小于250 kN/根，間排距1 500 mm×1 000 mm，每排打設(shè)3根；鋼梁采用長度4 200 m(12號(hào)礦用工字鋼)，順巷打設(shè)，配套三孔高強(qiáng)度鎖具，錨索外露長度控制在150～250 mm范圍內(nèi)。

幫部錨索采用D21.6 mm×4 500 mm高強(qiáng)度低伸縮1×7標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線組成的預(yù)應(yīng)力錨索，加長錨固，錨固劑采用3支Z2360型，錨固長度不小于1.8 m，錨固力不小于200 kN/根，間排距1 000 mm×800 mm，每排打設(shè)3根；鋼梁采用長度2 200 m(12號(hào)礦用工字鋼)垂直頂板打設(shè)，配套三孔高強(qiáng)度鎖具，錨索外露長度控制在150～200 mm范圍內(nèi)。

優(yōu)化后的支護(hù)斷面如圖2所示。

3 支護(hù)效果分析

采用優(yōu)化后的方案對(duì)后續(xù)掘進(jìn)巷道進(jìn)行了支護(hù)，為了考察優(yōu)化方案的效果，50203回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，在滯后工作面每隔50 m設(shè)置觀察站，采用頂板離層儀和十字交叉法，對(duì)巷道兩幫移進(jìn)量和頂板下沉量進(jìn)行定時(shí)觀測(cè)，每7 d進(jìn)行一次記錄，連續(xù)觀測(cè)30 d，觀察結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著距掘進(jìn)工作面距離的增大，巷道圍巖變形量整體上呈現(xiàn)出先增加，后減小的趨勢(shì)，工作面頂板下沉量及兩幫移近量在距工作面300 m左右時(shí)數(shù)值最大，分別達(dá)到了105 mm和75 mm，之后圍巖位移量逐漸減小并趨于穩(wěn)定，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)充分表明了優(yōu)化后的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)可有效控制巷道圍巖變形。

4 結(jié) 語

針對(duì)莊旺煤業(yè)公司50203回風(fēng)巷孤島掘進(jìn)工作面在原有支護(hù)方式下存在的巷道變形量大、錨索拉斷、錨桿凹陷等問題，對(duì)支護(hù)方式進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，巷道成型良好，頂板下沉量最大為105 mm，兩幫移近量最大為75 mm，有效改善了巷道圍巖的穩(wěn)定，保障了礦井安全生產(chǎn)。同時(shí)在回采時(shí)錨索托梁和錨桿托盤均可以回收，大大降低了支護(hù)成本。

圖2 聯(lián)合支護(hù)斷面(mm)

圖3 掘進(jìn)工作面巷道頂板和兩幫位移變化曲線