深井煤層回采巷道變形特征與支護技術

謝曉光

(永城煤電集團順和煤礦)

1 工程概況

某煤礦主采二2煤，2100工作面是該礦21采區的第三個綜采工作面。該工作面東鄰21采區膠帶運輸上山，西鄰工業廣場保護煤柱，北鄰－702 m水平東翼膠帶運輸大巷保護煤柱，南鄰F12斷層保護煤柱。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、底板情況見表1。2100工作面膠帶運輸平巷為實體煤沿頂掘進巷道，巷道設計斷面為梯形，設計毛寬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工作面膠帶運輸平巷設計為錨網支護，圖1是巷道原支護方案。具體支護參數如下:

圖1 巷道原支護方案(單位:mm)

(1)巷道頂板支護形式。高強錨桿+M鋼帶+金屬平網+錨索。采用φ20 mm×2200 mm高強錨桿，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;采用規格為150 mm×90 mm×12 mm的M鐵托盤;4000 mm長的M鋼帶，2300 mm×1000 mm的金屬平網，網孔規格為50 mm×50 mm。錨索規格為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，錨索托盤規格為250 mm×250 mm×20 mm。

(2)巷道非回采側幫部支護形式:高強錨桿+金屬平網+木托盤+鐵托盤。巷道回采側幫部支護形式:普通錨桿+雙抗網+木托盤+鐵托盤。高強錨桿規格為φ20 mm×2200 mm，每根高強錨桿使用2支MSZ2350錨固劑，錨固力80 kN;普通錨桿規格為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;雙抗網規格為6000 mm×1400 mm型(帶孔)，金屬平網規格為2300 mm×1000 mm，網孔規格為50 mm×50 mm。

2 巷道變形特征及原因分析

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

圖2 巷道頂板離層監測結果

基于巷道地質條件和巷道變形特征的現場調查分析，造成巷道變形的主要原因:

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

(2)巷道圍巖巖性差、強度低。由表1可知，2100工作面膠帶運輸平巷圍巖主要以煤、泥巖及細砂巖為主，巖石自身強度較低，同時受斷層切割影響，巷道圍巖節理裂隙更加發育，導致巖體整體性差，自承載能力大大降低，在高應力作用下極易產生沿裂隙面滑移錯動。

(3)原支護參數不合理。①預緊力偏低，雖然2100工作面膠帶運輸平巷頂板采用了高強錨桿、錨索支護，但由于現場安裝機具難以到位，導致錨桿、錨索預緊力偏低，錨桿、錨索對圍巖離層、剪脹等變形的及時控制效果差，難以改善巷道淺部圍巖的應力狀態，致使圍巖自承載能力難以有效發揮［1］;②兩幫支護強度不夠，錨網支護的實質是利用淺部圍巖形成的錨網支護承載結構控制巷道圍巖變形，而在實際承載過程中，巷道頂板錨網支護承載結構與兩幫錨網支護承載結構相互制約、相互促進［2-3］，巷道兩幫支護強度偏低，尤其是巷道回采側幫僅采用φ16 mm×1800 mm的普通錨桿支護，兩幫難以形成較高承載能力，在高應力作用下極易失穩破壞。一旦巷道兩幫錨網支護承載結構發生破壞，巷道頂板錨網支護的承載能力急劇降低。

3 支護方案改進及效果

3.1 支護方案的改進

圖3是改進后的巷道支護方案，其支護參數如下:

圖3 改進后的巷道支護方案(單位:mm)

(1)巷道頂板支護形式:高強錨桿+M鋼帶+鋼筋網+錨索。采用φ20 mm×2200 mm高強錨桿，每根錨桿使用1卷MSK2350型錨固劑和1卷MSZ2350型錨固劑，錨桿預緊力矩不小于250 N·m，錨桿間排距為750 mm×800 mm。采用規格為150 mm×90 mm×12 mm的M鐵托盤，4000 mm長的 M 鋼帶，φ6.5 mm ×2200 mm ×1000 mm的鋼筋網，網孔規格為70 mm×70 mm。錨索規格為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，預緊力150 kN;錨索間排距為1300 mm×1600 mm，沿巷道周邊用長為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)巷道兩幫支護形式:高強錨桿+M鋼帶+鋼筋網。頂板向下300mm開始起錨，采用φ20 mm×2200 mm高強錨桿，每根錨桿使用2支MSZ2350錨固劑，錨桿預緊力矩不小于250 N·m。錨桿間排距為700 mm×800 mm，采用規格為150 mm×150 mm×8 mm的M鐵托盤，巷道回采側及非回采側幫部分別采用1600 mm長的M鋼帶和1000 m長的M鋼帶，φ6.5 mm×2200 mm×1000 mm 的鋼筋網支護，網孔規格為70 mm×70 mm。

3.2 支護效果

圖4是2100工作面膠帶運輸平巷支護改進后的頂板離層監測結果。由圖4可知，巷道頂板離層值在第25 d左右趨于穩定，頂板錨桿錨固區內的最大離值僅為5 mm左右，頂板6 m范圍內的最大離層值僅為16 mm左右。同時，巷道兩幫煤體未再出現強烈鼓出現象?？梢?，改進后的支護方案，巷道圍巖變形得到了有效控制。

4 結論

(1)高應力巷道圍巖強度低、原支護參數設計不合理，是導致該礦2100工作面膠帶運輸平巷頂板出現較大離層及兩幫鼓出的主要原因。

圖4 巷道頂板離層監測結果

(2)結合巷道變形特征及原因分析，從提高圍巖承載能力出發，對原巷道支護方案進行了改進，改進后的支護方案能有效控制巷道圍巖變形。

［1］ 陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1994.

［2］ 荊升國.高應力破碎軟巖巷道棚-索協同支護圍巖控制機理研究［D］.徐州:中國礦業大學，2009.

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