錨網索聯合支護技術在深部窄煤柱大斷面沿空掘巷中的應用

王 逵

(中天合創能源有限責任公司 門克慶煤礦,內蒙古 鄂爾多斯 017399)

中天合創門克慶煤礦是一座產能8 Mt/a的大型礦井。礦井當前主采3-1煤層,埋深平均692 m,井下回采巷道為窄煤柱沿空單巷布置。窄煤柱沿空掘巷由于靠近相鄰面采空區,處于復雜的礦壓環境中,施工期間受動載擾動和采空區側向應力雙重疊加影響,巷幫易破碎、片幫,增加了巷道跨度和懸頂距,導致巷道壓力增大、維護困難。因此,選擇科學合理的支護方案,是窄煤柱沿空巷道安全施工的前提和保障。

1 工程概況

3106工作面回風巷為門克慶煤礦首個窄煤柱沿空巷道,相鄰3104工作面采空區。該采面為3-1煤南翼首采面,面長320 m,設計推進長度2934 m,開采煤厚平均5.1 m,直接頂為平均厚度7.8 m的細砂巖或砂質泥巖,直接頂上方賦存平均厚度為25.8 m的砂巖互層。3104工作面采完后,沿采空區邊緣掘進3106工作面回風巷(見圖1),煤柱留設寬度6 m,沿空巷道矩形斷面,設計寬5.4 m×高4 m,沿煤層底板掘進,掘錨工藝施工。

圖1 3106工作面回風巷巷道布置設計平面

2 窄煤柱沿空巷道圍巖控制特點分析

1) 臨空煤巖體受到頂板多次采動影響,裂隙大量發育,圍巖強度損傷嚴重,導致承載結構穩定性能下降、錨固力不穩、支護阻力被裂隙阻隔,對比常規巷道支護效率下降。

2) 采空區側向殘留應力存在低值應力區和高值應力區,而低值應力區內掘進巷道,將造成高值應力重新分布,加之掘進期間圍巖應力擾動的二次疊加,給巷道支護造成困難。

3) 受采空區側向頂板巖層結構運動影響,窄煤柱沿空掘巷礦壓顯現相比普通巷道明顯強烈,巷道維控難。

3 窄煤柱沿空巷道錨網索聯合支護技術

錨網索聯合支護作為一種適用范圍廣、支護強度高的主動性支護技術,其常用的技術理論為懸吊理論和組合梁理論。實踐應用中,通過錨桿(索)的伸縮性來控制和適應圍巖變形,同時發揮了圍巖的自承載力,具有適應圍巖壓力、分散圍巖受力,以及提升加固效果的特點。因此,支護設計時,必須從材料選擇、間排距設計、支護強度、安裝工藝等方面綜合考慮,以保證其支護效果。

1) 頂板支護設計。每排4根φ21.8 mm×4300 mm柔性頂錨桿,垂直頂板布置,間距按頂錨桿機位置設計,兩邊柔性錨桿間距為1057 mm,中間柔性錨桿間距為1986 mm,排距為1000 mm;頂板中間補強錨索采用氣動錨桿鉆機施工,錨索φ21.8 mm×7300 mm,按照1-0-0-0-1的方式垂直布置在2排柔性錨桿之間,排距3000 mm;每隔兩排柔性頂錨桿施工4根φ21.8 mm×7300 mm錨索,間距與柔性頂錨桿一致,排距3000 mm;錨桿(錨索)預緊力不小于200 kN;錨桿(錨索)托盤為300 mm×300 mm×20 mm拱形托盤。

2) 窄煤柱幫部支護設計。采用單排聯合支護,優點是減少了錨桿+錨索交叉支護需要后退掘錨機支護幫錨索的環節,縮短支護時間,提高支護效率,每排3根φ22 mm×2800 mm螺紋鋼錨桿+2根φ21.8 mm×4300 mm短錨索,間排距800 mm×1000 mm,錨桿托盤規格為150 mm×150 mm×12 mm,每個托盤下方加裝280 mm×400 mm×4 mm的W型鋼帶護板,增大護幫表面積,減少幫部破碎對支護的影響。

3) 回采幫支護設計。采用一排純錨桿與一排錨桿+錨索聯合支護方式布置,即第一排為5根φ22 mm×2800 mm螺紋鋼錨桿,第二排同窄煤柱幫錨桿+錨索聯合支護,按照“純錨桿-聯合支護-純錨桿-聯合支護”的方式依次類推。具體支護設計見圖2—5.

圖2 巷道支護設計斷面

圖3 巷道頂板支護設計平面

圖4 巷道煤柱幫支護設計剖面

圖5 巷道回采幫支護設計剖面

4 窄煤柱沿空巷道支護效果分析

為研究錨網索支護在窄煤柱沿空掘巷的應用效果,形成深部疊加應力擾動條件下窄煤柱沿空巷道圍巖控制技術體系,對窄煤柱沿空掘巷施工期間礦壓進行觀測分析,巷道礦壓觀測主要內容為巷道表面位移和頂板離層。測點布置方案:自迎頭位置開始每8 m間距布置一處表面位移、頂板離層綜合測站,共布置5組。

4.1 巷道圍巖監測結果分析

1) 2#、3#、5#測站兩幫移近量見圖6. 由圖6可知,2#、3#、5#測站窄煤柱側幫、實體煤幫移近量趨勢相近,在距迎頭140 m時均已進入穩定狀態,2#、3#、5#測站窄煤柱側幫移近量穩定值分別是實體煤幫的106.52%、88.09%、107.14%.

圖6 2#、3#、5#測站兩幫移近量

2) 1#、4#測站兩幫移近量見圖7. 由圖7可知,1#、4#測站兩幫移近量曲線呈現出明顯差別,窄煤柱側幫移近量穩定值分別是實體煤幫的209.09%、194.45%.

圖7 1#、4#測站兩幫移近量

3) 1#、2#、3#、4#、5#測站頂板下沉量見圖8. 由圖8可知,1#、2#、3#、4#和5#測站分別在距迎頭140 m、140 m、110 m、110 m及80 m時進入穩定狀態,穩定時下沉量分別為43 mm、60 mm、35 mm、69 mm、48 mm,占巷高比分別為1.02%、1.4%、0.83%、1.6%及1.1%.

圖8 1#、2#、3#、4#、5#測站頂板下沉量

4) 總體上,80%的巷段窄煤柱幫變形量大于實體煤幫,其中40%巷段窄煤柱幫變形量可達實體煤幫的2倍。

5) 上述變形規律符合窄煤柱沿空掘巷的結構特征,主要原因:采空區側向頂板下沉對窄煤柱施加了較大壓力;窄煤柱承壓期間,裂隙發育、強度降低;窄煤柱易受采空區積水的影響。

6) 這種差異化變形特征的啟示:窄煤柱幫和實體煤幫應采取差異化支護。在上區段工作面開采時,可提前對煤柱幫進行必要的補強支護以加固圍巖,提高煤柱承載能力;上區段回采時,可提前對側向頂板預裂卸壓;必要時,可對窄煤柱進行注漿加固。

4.2 頂板離層監測結果分析

頂板離層儀淺基點安裝深度為1.5 m,深基點安裝深度為8.0 m.

距巷道開口121 m處測站頂板離層儀監測數據顯示,該測站淺基點為0 mm,深基點在巷道空間開挖至距迎頭15 m時增長至10 mm,開挖至距迎頭30 m處時增長至20 mm,開挖至距迎頭58 m處時增長至25 mm,距迎頭67 m處時增長至0 mm,距迎頭118 m處時增長至50 mm. 說明該處頂板1.5～8 m累計發生50 mm離層,而1.5 m以淺未監測到離層。

距巷道開口129 m處測站頂板離層儀監測數據顯示,該測站深基點示數保持為0 mm,淺基點示數在巷道空間開挖至45～71 m時從0 mm增長至20 mm,而后保持在20 mm. 該監測值不具有代表性,考慮基爪的抓力不足,深基點未監測到合理數值。

距巷道開口169 m處測站頂板離層儀監測數據顯示,該測站深基點在巷道空間開挖至距迎頭0～19 m時從0 mm增長至10 mm,而后保持在10 mm. 淺基點在巷道空間開挖至距迎頭0～19 m時從0 mm增長至10 mm,與深基點保持同步,開挖至距迎頭23～59 m時從10 mm增長至20 mm,而后保持在20 mm.

總體來看,有1處測站離層發生在1.5 m以淺、數值為10 mm,有1處測站離層發生在1.5～8 m,累計離層量50 mm,在可控范圍之內。頂板離層觀測結果表明,錨網索支護技術在控制窄煤柱沿空巷道掘進中應用效果良好,頂板柔性錨桿能有效控制淺部圍巖離層的發育與擴展。

4.3 經濟與社會效益分析

1) 經濟效益。3106窄煤柱綜采工作面自2021年9月開始回采直至回采完畢,累計推采長度為2934 m,與原預留35 m寬煤柱開采相比,預計新增經濟效益1.02億元。

2) 社會效益。窄煤柱沿空掘進能夠大幅度縮小區段煤柱寬度,提高煤炭采出率;通過錨網索聯合支護方案的科學設計及應用,能夠實現巷道圍巖穩定可控。

5 結 語

1) 受圍巖特征和應力環境分布的差異性影響,窄煤柱沿空掘巷施工面臨幫部破碎、錨固難度大等技術難點,依據高預應力強力支護理論和控制原則,提出控制窄煤柱沿空掘巷巷道變形關鍵技術:高預應力是控制巷道變形的基礎,控制兩幫圍巖變形是關鍵,通過采取“高強度柔性頂錨桿控頂+非對稱式幫部錨網索聯合支護護幫”的支護方式,保證了沿空巷道的整體穩定性。

2) 工程實踐表明,采用錨網索支護技術能充分體現錨桿(索)支護系統的主動作用,發揮了較高的耦合支護性能,及時有力地抑制了巷道淺部破碎圍巖的有害變形,同時有效防止了破碎圍巖向深部發展,提高了深部圍巖的自承能力,成功解決了窄煤柱動壓掘進巷道支護難題,巷道整體支護效果良好。