王克明

（晉能集團(tuán)太原有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

山西三元煤業(yè)股份有限公司是由晉能集團(tuán)（原山西省煤炭運(yùn)銷集團(tuán)）控股的國(guó)有企業(yè)，公司位于山西省長(zhǎng)治市， 礦井始建于1989年，1997年9月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)能力0.6 Mt/a。經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，2010年山西省煤炭工業(yè)局晉煤行發(fā)[2010]273號(hào)文，礦井核定生產(chǎn)能力2.2 Mt/a。

礦井采用立井開(kāi)拓方式，運(yùn)輸水平標(biāo)高+620 m，開(kāi)采3號(hào)煤層。3號(hào)煤層厚3.53～6.81 m，平均4.20 m，煤層傾角為4°～15°，煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但屬較穩(wěn)定全區(qū)可采煤層。3號(hào)煤層頂板局部存在泥巖以及砂質(zhì)泥巖，其厚度在0～12.1 m之間，局部部位還存在炭質(zhì)泥巖偽頂。另外，煤層與底板砂巖間還存在泥巖或者是砂質(zhì)泥巖偽底，斷層發(fā)育，水文地質(zhì)環(huán)境相對(duì)較為復(fù)雜，存在裂隙有滴水以及淋水問(wèn)題。

4301工作面運(yùn)輸巷長(zhǎng)度為980m，埋深為350 m，為矩形斷面，寬度為3500mm，高度為2800 mm。

2 巷道原支護(hù)方案分析

2.1 原支護(hù)形式

采用錨桿、錨索以及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，圓鋼錨桿長(zhǎng)度值2.0 m，外帶鋼帶以及鐵托板，鋼帶的長(zhǎng)度值為3.3m，寬度值為0.18m，厚度值為3 mm，鐵托板的規(guī)格大小為80mm×80mm×10 mm。 設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)間距值與排距值分別是900mm與1000 mm。錨索的長(zhǎng)度值為6.0m，間距值為1.8 m，排距值為1.0 m，第一排設(shè)置兩根錨索，第二排設(shè)置一根錨索，如此循環(huán)。在頂板結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)有金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)的規(guī)格大小為3500mm×1200 mm。

4301工作面運(yùn)輸巷的兩幫位置打兩排錨桿，錨桿的長(zhǎng)度值是1.7 m，帶有混凝土托板，托板的規(guī)格大小為600mm×200mm×90 mm。在兩幫位置處均鋪掛上兩道金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)的規(guī)格大小為3500 mm×1200 mm，同時(shí)確保兩幫位置處的金屬網(wǎng)和頂板鋪設(shè)的金屬網(wǎng)搭接牢靠。運(yùn)輸巷原支護(hù)斷面見(jiàn)圖1。

圖1 4301工作面運(yùn)輸巷原支護(hù)斷面

2.2 巷道原支護(hù)存在的問(wèn)題

根據(jù)以往支護(hù)具體情況進(jìn)行分析，就具體效果而言，原支護(hù)工藝存在下列問(wèn)題：

（1）巷道兩幫位置處的支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)較弱，在開(kāi)挖之后幾天時(shí)間兩幫位置的移近量變超過(guò)了100 mm，而且出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的片幫問(wèn)題，無(wú)法對(duì)兩幫破裂問(wèn)題加以有效防治。

（2）在巷道運(yùn)行階段，多處頂板出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的下沉問(wèn)題，而且在局部區(qū)域內(nèi)還發(fā)生了冒頂現(xiàn)象，這在很大程度上對(duì)井下作業(yè)人員人身安全產(chǎn)生威脅。

（3）在局部位置處采用小棚距“U”型鋼棚加強(qiáng)支護(hù)，因?yàn)殇撆镏ёo(hù)為被動(dòng)支護(hù)方式，在來(lái)壓過(guò)程中極易出現(xiàn)變形，導(dǎo)致巷道運(yùn)行的安全隱患較大。

（4）在巷道的局部位置處出現(xiàn)底鼓問(wèn)題，而且斷面出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的收縮，影響巷道正常使用。

巷道現(xiàn)場(chǎng)破壞情況見(jiàn)圖2。

3 巷道支護(hù)方式改進(jìn)

此次變更主要是針對(duì)錨索設(shè)置數(shù)量以及錨桿類型進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，在第一排設(shè)置兩根錨索，第二排設(shè)置三根錨索如此循環(huán)。而且，還采用中空的注漿錨桿將發(fā)生破碎的煤體和巷道結(jié)構(gòu)中較為穩(wěn)定的巖體相互連接起來(lái)，這樣便能夠有效的提升破碎煤體粘結(jié)強(qiáng)度值。

圖2 運(yùn)輸巷現(xiàn)場(chǎng)破壞情況

4301工作面運(yùn)輸巷沿煤層底板掘進(jìn)，在巷道頂板位置處以及兩幫位置處均是煤體。由于巷道中煤體結(jié)構(gòu)較為松散，而且易出現(xiàn)破碎問(wèn)題，在巷道運(yùn)行過(guò)程中維護(hù)工作較為困難。以往主要是利用錨桿支護(hù)的方式開(kāi)展支護(hù)作業(yè)，而此種支護(hù)工藝下巷道極易發(fā)生變形，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞問(wèn)題，導(dǎo)致巷道維護(hù)工作極為困難。之前所采用的圓鋼錨桿加掛金屬網(wǎng)支護(hù)方式，無(wú)法達(dá)到安全生產(chǎn)的需求。就三元煤礦煤層松散的具體特征，此次支護(hù)變更設(shè)計(jì)中通過(guò)錨網(wǎng)索加錨注加特殊段二次支護(hù)的工藝對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)處理。

對(duì)于頂板結(jié)構(gòu)通過(guò)錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的方式。通過(guò)利用高預(yù)應(yīng)力錨桿加錨索加鋼帶加網(wǎng)片進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，則能夠確保達(dá)到多層拱結(jié)構(gòu)支護(hù)的效果，而利用錨索結(jié)構(gòu)則能夠把錨桿支護(hù)所組合而成的拱結(jié)構(gòu)懸吊在深部圍巖結(jié)構(gòu)之中，這樣便可以有效的利用深部圍巖強(qiáng)度，便能夠達(dá)到較為理想的支護(hù)效果。另外，此種柔性支護(hù)工藝允許巷道圍巖結(jié)構(gòu)釋放出一定量的膨脹變形能，同時(shí)還可以確保巷道的變形可以有效得以控制，使圍巖結(jié)構(gòu)自承載能力可以得到有效發(fā)揮，保證巷道運(yùn)行過(guò)程中更加穩(wěn)定。

在兩幫位置處應(yīng)用中空的注漿錨桿。該錨桿的具體加固原理為：確保錨桿支護(hù)效果能夠和注漿加固效果更好融合到一起，同時(shí)對(duì)巷道支護(hù)發(fā)揮作用。注漿材料選擇水泥—水玻璃混合材料，這樣可以有效的提升錨桿結(jié)構(gòu)錨固強(qiáng)度值。另外，借助于注漿工藝能夠?qū)l(fā)生破碎的煤體和巷道結(jié)構(gòu)中較為穩(wěn)定的巖體相互連接起來(lái)，這樣便能夠有效的提升破碎煤體粘結(jié)強(qiáng)度值。注漿錨桿支護(hù)工藝擁有強(qiáng)初撐、高承載以及急增阻的特性，應(yīng)用在較軟地層之中可以有效解決錨固力快速衰減以及喪失的問(wèn)題。

支護(hù)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)后相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工效果見(jiàn)圖4。

表1 變更設(shè)計(jì)后巷道支護(hù)參數(shù)

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)

圖4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工效果

4 二次支護(hù)

對(duì)于一些特殊的區(qū)域，采用全斷面封閉型金屬二次支架。由于支架為整體封閉型，這和以往所采用的梯形支架以及拱形支架對(duì)比而言，全封閉型支架能夠承載更大的壓力，可以有效的對(duì)底板拱起問(wèn)題加以控制，同時(shí)也能夠控制兩幫的變形。尤其是針對(duì)一些圍巖較為松軟、巷道礦壓較大以及片幫問(wèn)題較為嚴(yán)重的巷道而言，采用整體封閉型支架能夠取得更為明顯的效果。

在二次支護(hù)過(guò)程中，所采用的金屬支架為11#礦用工字鋼，支架結(jié)構(gòu)為矩形結(jié)構(gòu)，支架布置的間距設(shè)定為1000 mm，將支架設(shè)置于每排錨桿支護(hù)中間位置。在二次支護(hù)施工的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化對(duì)巷道的變形監(jiān)測(cè)工作，而且在掘進(jìn)作業(yè)時(shí)也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行超前探測(cè)，從而保障煤礦開(kāi)采的安全性。

5 巷道監(jiān)測(cè)分析

共設(shè)置有3個(gè)監(jiān)測(cè)站對(duì)巷道進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，其中，1號(hào)監(jiān)測(cè)站和巷道開(kāi)口位置的距離值為250 m，2號(hào)監(jiān)測(cè)站距巷道開(kāi)口位置的距離為280 m，3號(hào)監(jiān)測(cè)站距巷道開(kāi)口位置的距離為330 m。3個(gè)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)頻率相同，在前10天之中每天監(jiān)測(cè)一次，在后15天之中3天監(jiān)測(cè)一次，最后7天監(jiān)測(cè)一次，在巷道的變形速率趨向零時(shí)便停止監(jiān)測(cè)。3個(gè)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)得到底板下沉數(shù)據(jù)以及兩幫收斂數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 底板下沉趨勢(shì)

通過(guò)1號(hào)監(jiān)測(cè)站所收集的數(shù)據(jù)能夠看出，在巷道進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)作業(yè)之后的9 d時(shí)間之內(nèi)，巷道出現(xiàn)了相對(duì)大的變形，而隨后巷道的變形慢慢減少。頂板結(jié)構(gòu)在巷道開(kāi)挖支護(hù)之后的17 d下沉速率逐漸趨近于零，頂板結(jié)構(gòu)的累計(jì)下沉量也控制在30 mm之內(nèi)。而巷道的兩幫結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖之后的20 d時(shí)間便逐漸趨向于零，而且兩幫結(jié)構(gòu)的累計(jì)收斂?jī)H僅為44 mm。

通過(guò)對(duì)2號(hào)監(jiān)測(cè)站所收集的數(shù)據(jù)能夠看出，巷道進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)作業(yè)之后的10 d時(shí)間內(nèi)，巷道出現(xiàn)了相對(duì)大的變形，而隨后巷道的變形慢慢減少。頂板結(jié)構(gòu)在巷道開(kāi)挖支護(hù)之后的20 d下沉速率逐漸趨近于零，頂板結(jié)構(gòu)的累計(jì)下沉量控制在28 mm之內(nèi)。而巷道的兩幫結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖之后的21d時(shí)間便逐漸趨向于量，而且兩幫結(jié)構(gòu)的累計(jì)收斂?jī)H僅為41 mm。

圖6 兩幫收斂趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)3號(hào)監(jiān)測(cè)站所收集的數(shù)據(jù)能夠看出，巷道進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)作業(yè)之后的10 d時(shí)間內(nèi)，巷道出現(xiàn)了相對(duì)大的變形，而隨后巷道的變形慢慢減少。頂板結(jié)構(gòu)在巷道開(kāi)挖支護(hù)之后的20 d下沉速率逐漸趨近于零，頂板結(jié)構(gòu)的累計(jì)下沉量控制在34 mm之內(nèi)。而巷道的兩幫結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖之后的19 d時(shí)間便逐漸趨向于量，而且兩幫結(jié)構(gòu)的累計(jì)收斂?jī)H僅為42 mm。

1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)監(jiān)測(cè)站所得曲線的走勢(shì)大致相同，從中能夠得出，在巷道開(kāi)挖支護(hù)后的10 d時(shí)間之內(nèi)，巷道變形相對(duì)明顯，而隨后逐漸的趨近于零，也就是說(shuō)在10 d之內(nèi)為圍巖釋放其變形能力的重要階段。而從以上數(shù)據(jù)又可以得出，在經(jīng)過(guò)21 d之后，巷道的變形達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，這也反映出了支護(hù)開(kāi)始發(fā)揮顯著作用，證明所采用的支護(hù)工藝是適宜的與安全的。