劉利勤

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 木瓜煤礦， 山西 呂梁 033200)

1 礦井地質(zhì)條件概況

木瓜煤礦設(shè)計(jì)與公告能力120萬(wàn)t/年，礦區(qū)內(nèi)10-201工作面位于二盤區(qū)準(zhǔn)備巷道南翼，工作面上部及周邊均為實(shí)體煤巖層，工作面以北緊鄰二盤區(qū)3條準(zhǔn)備大巷。10-201工作面小切眼沿9#煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度245 m(中至中)，煤層傾角9°～13°，平均11°. 煤層頂板巖層裂隙較發(fā)育，受風(fēng)氧化帶影響，頂板泥巖呈黃色，局部呈灰色，較軟，夾雜有灰?guī)r碎屑；底板為灰黑色泥巖，較硬，遇水不膨脹。巷道斷面形狀為矩形，小切眼掘進(jìn)期間巷道斷面毛寬5 600 mm，凈寬5 400 mm，毛高4 100 mm，凈高4 000 mm. 支護(hù)方式為“六·六”布置的錨索網(wǎng)支護(hù)，在實(shí)際工作過(guò)程中，由于大采高支架最小長(zhǎng)度為8.5 m，一次成巷頂板管控難度較大，且10-201工作面受井田邊界風(fēng)氧化帶影響，頂板節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層賦存不穩(wěn)定，支護(hù)穩(wěn)定性差。因此，迫切需要采用新的切眼擴(kuò)刷和支護(hù)方案，確保綜采面在綜采作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

2 綜采面切眼擴(kuò)刷要點(diǎn)分析

綜合分析后采用先小切眼預(yù)先導(dǎo)洞貫通，再用綜掘機(jī)擴(kuò)刷施工至設(shè)計(jì)大斷面的方案。在擴(kuò)刷的過(guò)程中采用邊擴(kuò)刷邊安裝的工藝，提高安裝穩(wěn)定性。同時(shí)為了滿足井下巷道擴(kuò)刷過(guò)程中膠輪車等設(shè)備的通過(guò)需求，將巷道的擴(kuò)刷寬度設(shè)置為10 m.

為了滿足巷道的擴(kuò)刷需求，結(jié)合10-201綜采面井下實(shí)際情況，對(duì)切眼擴(kuò)刷工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化。首先在開(kāi)口時(shí)使用綜掘機(jī)割煤，采用機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，聯(lián)排支架加強(qiáng)頂板支護(hù)，40 T刮板輸送機(jī)配合出煤至10-201巷皮帶。當(dāng)從開(kāi)口位置擴(kuò)刷21 m，具備端頭支架安裝所需空間時(shí)，開(kāi)始安裝第一架端頭支架。支架安裝完成后，綜掘機(jī)繼續(xù)向前擴(kuò)刷1.75 m，聯(lián)排支架跟著前移，當(dāng)待安支架與聯(lián)排支架末端距離達(dá)到10 m時(shí)，再進(jìn)行下一架支架安裝，依此循環(huán)。待從開(kāi)口位置擴(kuò)刷45 m時(shí)，具備安裝簡(jiǎn)易皮帶條件，此時(shí)拆除40 T刮板輸送機(jī)，安裝簡(jiǎn)易皮帶。最后形成綜掘機(jī)割煤、機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)、聯(lián)排支架加強(qiáng)頂板支護(hù)、皮帶配合出煤，支架正常跟進(jìn)安裝的邊擴(kuò)刷邊安裝的開(kāi)采工藝。

3 大斷面切巷支護(hù)思路

10-201工作面切巷設(shè)計(jì)高度為 4.4 m，寬度為 8.5 m，巷道斷面大，中部張拉應(yīng)力、頂角剪應(yīng)力較大，泥巖厚、巖體強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，無(wú)穩(wěn)定的上位巖層供錨桿懸吊使用，削弱了錨固劑的錨固強(qiáng)度。為此提出大斷面切巷支護(hù)優(yōu)化思路，見(jiàn)圖1.

圖1 大斷面切向支護(hù)優(yōu)化思路示意圖

由圖1可知，10-201綜采面斷面切巷支護(hù)時(shí)的難點(diǎn)主要包括：地層變化不清、圍巖錨固力低、巷道頂板強(qiáng)度低、巷道斷面跨度大4個(gè)方面。在此提出了具有針對(duì)性的控制方案，結(jié)合井下實(shí)際情況對(duì)各控制方案進(jìn)行分析，選擇出最合適的優(yōu)化方案，以提高施工質(zhì)量，確保井下巷道施工過(guò)程中的安全性和可靠性。

4 巷道加強(qiáng)方案分析

針對(duì) 10-201 工作面切巷斷面跨度大的難題，進(jìn)行了巷道斷面開(kāi)挖方案的優(yōu)化。計(jì)劃采用先掘進(jìn)小導(dǎo)洞，然后邊擴(kuò)刷邊安裝支架的方案。為了確保大斷面切眼支護(hù)方案的可靠性，采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬仿真分析，根據(jù)工作面地質(zhì)賦存情況建立宏觀采場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型。選取在巷道走向區(qū)域建立分析模型，模型尺寸為沿煤層傾向20 m，走向50 m，高度45 m. 模型的頂部施加6.5 MPa均布載荷(根據(jù)井下巷道礦壓實(shí)際監(jiān)測(cè)值設(shè)置)；模型四周采用水平位移約束，模型底面采用豎直方向位移約束，重力加速度取10 m/s2，側(cè)壓力系數(shù)取1.2. 為模擬注漿對(duì)巷道頂板圍巖的加固作用，通過(guò)頂板圍巖強(qiáng)度系數(shù)的增加模擬圍巖強(qiáng)度的提高；同時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取巖石物理力學(xué)參數(shù),見(jiàn)表1.

表1 井下巖石物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)工程實(shí)際開(kāi)采范圍，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行賦值。在計(jì)算中，各巖層均采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。對(duì)分段開(kāi)挖小斷面成巷方式下，采用錨網(wǎng)索支護(hù)后的變形情況、采用頂板注漿加強(qiáng)后的變形情況以及采用頂板注漿+長(zhǎng)短錨索支護(hù)后的變形情況進(jìn)行仿真分析。不同加強(qiáng)支護(hù)方案下的仿真分析結(jié)果見(jiàn)圖2.

由圖2可知，當(dāng)采用錨網(wǎng)索支護(hù)時(shí)，在礦壓波動(dòng)和綜采擾動(dòng)的作用下，巷道頂板的最大變形量出現(xiàn)在巷道頂板中心位置，最大變形量約為740 mm. 當(dāng)采用頂板注漿加強(qiáng)時(shí)，巷道頂板的最大變形量出現(xiàn)在巷道頂板靠左的位置，最大變形量約為593 mm. 當(dāng)采頂板注漿+長(zhǎng)短錨索支護(hù)時(shí)，巷道頂板的最大變形量出現(xiàn)在巷道頂板靠左的位置，最大變形量約為249 mm. 由此可知，采用頂板注漿+長(zhǎng)短錨索支護(hù)方案，能夠有效降低巷道在工作過(guò)程中的變形，提高穩(wěn)定性。

圖2 不同加強(qiáng)方案下的巷道變形情況圖

4.1 巷道頂板注漿加固

根據(jù)現(xiàn)有的地層條件和現(xiàn)場(chǎng)情況，井下巷道注漿鉆孔布置見(jiàn)圖3. 10-201綜采面上導(dǎo)洞注漿鉆孔間排距為3 000×3 000 mm，布置方式為三二布置，當(dāng)布置為 3 個(gè)鉆孔時(shí)靠?jī)蓭偷?個(gè)鉆孔分別向幫部偏轉(zhuǎn)5°，鉆孔深度為10 m，與頂板呈45°仰角向掌子面方向超前預(yù)注漿。切巷開(kāi)口區(qū)由于頂板暴露面積大，所以適當(dāng)加大注漿范圍，第一排5個(gè)注漿孔，第二排3個(gè)注漿孔，孔間距3 000 mm，順槽巷道另一幫進(jìn)行適當(dāng)注漿加固。擴(kuò)刷區(qū)從導(dǎo)洞頂角注漿，注漿位置與導(dǎo)洞注漿位置均勻錯(cuò)開(kāi)，兩個(gè)注漿孔分別與頂板呈15°和45°，鉆孔深度分別為10 m和6 m.

圖3 井下注漿鉆孔分布示意圖

為了滿足井下狹小空間下的注漿要求，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)注漿工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的注漿工藝流程見(jiàn)圖4[1]. 在注漿過(guò)程中，首先對(duì)鉆孔進(jìn)行清洗，清洗后下入注漿花管并安裝封孔器，然后按照設(shè)定的注漿工藝參數(shù)進(jìn)行注漿，在注漿過(guò)程中需要對(duì)注漿壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保注漿安全。

圖4 井下注漿加固工藝流程圖

選擇水泥砂漿注漿料，結(jié)合注漿速度、凝固速度的需求，注漿料內(nèi)水、灰比選擇為0.5∶1，并在水泥注漿料內(nèi)添加早強(qiáng)劑，使注漿后砂漿的凝固強(qiáng)度在72 h后能夠達(dá)到總強(qiáng)度的65%以上。

注漿時(shí)每個(gè)注漿孔內(nèi)的注漿量可表示為[2]：

Q=AlπRβλ

(1)

式中，Q為單個(gè)注漿孔內(nèi)的注漿量，m3；A為注漿時(shí)漿液的消耗系數(shù)，取1.5；l為注漿孔在長(zhǎng)度方向上的加固厚度，m；R為注漿時(shí)漿液的有效擴(kuò)散半徑，m；β為注漿孔周圍圍巖的裂隙率，取3%；λ為漿液的充填系數(shù)，取0.6～1.0.

計(jì)算可知，注漿時(shí)每個(gè)注漿孔內(nèi)的注漿量約為4.5 t，總注漿量約為1 485 t.

4.2 長(zhǎng)短錨索支護(hù)

結(jié)合仿真分析結(jié)果，10-201切巷支護(hù)采用長(zhǎng)短錨索相結(jié)合的支護(hù)方案。采用W鋼帶(槽鋼)加強(qiáng)表面支護(hù)，同時(shí)通過(guò)高強(qiáng)錨桿控制幫部變形，最后，采用錨索和槽鋼補(bǔ)強(qiáng)兩次開(kāi)挖界面處的支護(hù)強(qiáng)度。在支護(hù)過(guò)程中主要包括導(dǎo)洞支護(hù)、擴(kuò)刷區(qū)支護(hù)以及擴(kuò)刷線區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)3個(gè)部分。

1) 導(dǎo)洞支護(hù)。導(dǎo)洞頂板采用長(zhǎng)短錨索支護(hù)，錨索間排距1 000 mm×1 200 mm，五五布置，長(zhǎng)短錨索穿插布置，長(zhǎng)錨索采用d18.9 mm×10 300 mm，三二布置，短錨索采用d18.9 mm×6 300 mm，二三布置，靠近左側(cè)(工作面后方)錨索向工作面后方偏轉(zhuǎn)10°，錨索預(yù)緊力不小于180 kN. 為了加強(qiáng)頂板圍巖整體性，頂部采用5 mm的W鋼帶，穿過(guò)錨索固定，頂網(wǎng)采用鋼筋片網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為80 mm×80 mm. 導(dǎo)洞幫部支護(hù)時(shí)，左側(cè)(工作面后方)幫部采用d20 mm×2 000 mm高強(qiáng)錨桿，墊片采用d130 mm×8 mm×22.5 mm蝶形墊片，幫網(wǎng)采用鋼筋片網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為80 mm×80 mm. 擴(kuò)刷側(cè)幫采用d20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿，間排距均為1 000 mm×1 000 mm.

2) 擴(kuò)刷區(qū)支護(hù)。擴(kuò)刷區(qū)頂板采用長(zhǎng)短錨索，錨索間排距 1 000 mm×1 200 mm，三三布置，長(zhǎng)錨索采用d18.9 mm×10 300 mm，短錨索采用d18.9 mm×6 300 mm，長(zhǎng)短錨索穿插布置，靠幫側(cè)錨索向外偏轉(zhuǎn)10°，錨索預(yù)緊力不小于180 kN. 頂部采用5 mm的W鋼帶，穿過(guò)錨索固定，頂網(wǎng)采用鋼筋片網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為80 mm×80 mm. 擴(kuò)刷側(cè)幫采用d20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm.

3) 擴(kuò)刷線區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，兩次開(kāi)挖分界線區(qū)域容易發(fā)生較大變形，為此在擴(kuò)刷后沿?cái)U(kuò)刷線兩側(cè)補(bǔ)兩根 d18.9 mm×10 300 mm的長(zhǎng)錨索，錨索間排距2 000 mm×2 000 mm，同時(shí)底部采用14#槽鋼連接，槽鋼長(zhǎng)度2 400 mm，增加剛度并控制擴(kuò)刷線附近的頂板變形。

長(zhǎng)短錨索相結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5.

圖5 長(zhǎng)短錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 切巷變形監(jiān)測(cè)方案

采用全新的切眼擴(kuò)刷與支護(hù)方案后，在巷道內(nèi)設(shè)置巷道位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道頂板及巷幫的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置到巷道內(nèi)30～40 m處靠近頂板和底板的位置，確保對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，實(shí)際井下支護(hù)及監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 頂板及兩幫相對(duì)移近量變化圖

由圖6可知，采用全新的加強(qiáng)支護(hù)方案后，井下巷道頂板和兩幫的最初位移量為40 mm，隨著施工時(shí)間的增加，頂板和兩幫的相對(duì)位移量均逐漸增大，在第22 d后，頂板的下沉量約為158 mm，比優(yōu)化前的377 mm降低了58.1%，巷道兩幫的變形量約為149 mm，比優(yōu)化前的420 mm降低了64.5%，提升了巷道在施工作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

針對(duì)木瓜煤礦采高支架長(zhǎng)、一次成巷頂板管控難度大、頂板節(jié)理裂隙發(fā)育、巖層賦存不穩(wěn)定、在施工過(guò)程中極易出現(xiàn)頂板垮落事故的情況，提出了先小切眼預(yù)先導(dǎo)洞貫通，再用綜掘機(jī)擴(kuò)刷施工至設(shè)計(jì)大斷面的方案。分析可知，10-201綜采面斷面切巷支護(hù)時(shí)的難點(diǎn)包括地層變化不清、圍巖錨固力低、巷道頂板強(qiáng)度低、巷道斷面跨度大等4個(gè)方面，對(duì)此提出了有針對(duì)性的控制方案。采用新的切眼擴(kuò)刷與支護(hù)方案后，頂板變形量降低58.1%，兩幫移近量降低64.5%，有效提高了切眼支護(hù)的可靠性。