彭邦林
(霍州煤电集团辛置煤矿,山西 霍州 031412)
资源赋存决定了我国是以煤炭作为主要消费能源的国家。由于煤炭地质赋存所限,我国煤矿以井工开采为主,需要掘进大量的地下巷道。有关数据表明,我国每年掘进巷道长度超过2万km[1]。在煤矿开采过程中,保证地下巷道服务期内的围岩稳定是煤矿安全开采的基本保障。为此,针对煤矿地下巷道的围岩稳定控制,国内外专家学者进行大量研究,形成了诸如悬吊理论、组合拱、围岩强度强化等众多围岩控制理论与假说,又如锚杆、锚索、注浆、型钢、钢管混凝土及其联合支护等巷道围岩控制技术,推动了煤矿巷道围岩控制技术和理论的快速发展。目前,应用最为广泛的应数锚杆支护,其属于主动支护的主要技术手段之一,具有支护效果好、成巷速度快等优点[2-4]。
辛置煤矿2-216综采工作面位于310 m水平二采区正前轨道巷左侧,东北面紧邻二采区正前轨道巷,东面距离2-206工作面约310 m,其余方向无任何工作面。地面标高+628~ +716 m,工作面标高+208~ +228 m。工作面开采2#煤层,区域内煤层厚3.8~4.3 m,平均厚度4.1 m,煤层倾角5°~10°,平均倾角9°。煤层稳定可采,结构复杂,含两层夹矸,其中第二层夹矸层位较稳定,厚度稍大,为低硫肥煤。工作面直接顶为泥岩、砂泥岩,厚0~7.5 m,平均厚度3.0 m,灰黑色,薄层状,层面含丰富植物化石,半坚硬,下部为泥岩,局部相变为砂岩;基本顶为K8中细砂岩,厚6.0~8.2 m,平均7.2 m,灰白色,厚层状,石英为主,次圆状,分选中等,坚硬;直接底为泥岩,厚4.0~6.5 m,平均厚度4.5 m,灰黑色,厚层状,水平层理,半坚硬,中上部含有菱铁矿结核;基本底为中砂岩,厚4.0~7.8 m,平均厚度6.5 m,灰白色,中厚层状,分选中等,坚硬。2-216工作面运输巷沿煤层走向布置,矩形断面,设计断面尺寸5.0 m×3.9 m,长度669 m,用途:进风、行人、运煤。
2-216工作面运输巷顶板赋存平均厚度7.2 m的厚层状灰白色K8中细砂岩,坚固性系数在11~12之间,岩层稳定性较高,承载能力较好。基于此,提出适用于试验巷道的坚硬顶板下巷道围岩控制思路,具体如下:
(1)发挥坚硬顶板岩层承载能力。试验巷道沿顶掘进,顶板赋存的厚层状灰白色K8中细砂岩,具有较高稳定承载性能。因此,在巷道支护时,将软弱岩层锚固至基本顶稳定岩层,充分发挥基本顶K8中细砂岩的承载能力,促使支护围岩形成统一承载结构。
(2)高强度及时主动控制。巷道掘出后,围岩由三向受力转为双向受力,未约束的围岩侧短时间内易出现严重的碎胀变形。因此,应及时施工支护结构,同时采用高强度的主动支护结构,如三高锚杆、预应力锚索等材料,充分改善巷道围岩承载能力,形成高强度的主动承载结构,实现巷道围岩的主动控制。
(3)支护参数合理优化。根据试验巷道揭露情况合理优化支护参数,如揭露断层、陷落柱等地质构造时,巷道围岩维护相对困难,可采用架棚、注浆或通过缩减锚杆间排距方式实现巷道围岩的稳定控制。
基于2-216工作面运输巷生产地质条件,结合提出的坚硬顶板下巷道围岩控制思路,开发相对的坚硬顶板下巷道围岩控制技术,具体支护参数如下:
(1)顶板采用“高强度锚杆+预应力长锚索+钢筋梯子梁+W钢带+金属网”支护。高强度锚杆采用Φ22 mm×2400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆,间排距800 mm×800 mm,每排布置7根,均垂直于顶板布置。每根锚杆配套1支CK2335和1支Z2360树脂锚固剂,预紧力矩不小于270 N·m。锚杆采用Φ14 mm圆钢焊接而成的钢筋梯子连接。高预紧力、高强度锚杆促使支护和浅部围岩(直接顶岩层泥岩和砂岩)形成主动锚固结构,改善巷道围岩条件。预应力长锚索采用规格为Φ21.6 mm×7300 mm的钢绞线,间排距2200 mm×2400 mm,每排布置2根。每根锚索配套1支CK2335和2支Z2360树脂锚固剂,张拉预紧力不低于40 MPa。锚索采用4 mm厚的W钢带连接。预应力长锚索将主动锚固结构悬吊至稳定岩层(基本顶岩层K8中细砂岩)。金属网采用直径Φ3.3 mm的铁丝编制而成,规格5200 mm×1200 mm。
(2)两帮采用“高强度锚杆+钢筋梯子梁+金属网”支护。高强度锚杆采用Φ20 mm×2200 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆,间排距800 mm×800 mm,每排布置5根,均垂直于巷帮布置。每根锚杆配套1支CK2335和1支Z2360树脂锚固剂,预紧力矩不小于220 N·m。锚杆采用Φ14 mm圆钢焊接而成的钢筋梯子连接。高预紧力、高强度锚杆促使支护和浅部围岩(巷帮煤体)形成主动锚固结构,改善巷道围岩条件。金属网采用Φ3.3 mm的铁丝编制而成,规格3800 mm×1200 mm。巷道支护断面图如图1。
图1 巷道支护断面图
(3)根据矿井地质资料,试验巷道将揭露多条断层构造。在该区域内,合理优化支护参数,通过缩减锚杆索间排距实现巷道围岩的稳定控制。具体如下:顶帮锚杆间排距由800 mm×800 mm缩减至600 mm×600 mm,锚索间排距由2200 mm×2400 mm缩减至1600 mm×1600 mm,同时帮部增加预应力长锚索支护。锚索采用规格为Φ21.6 mm×5300 mm的钢绞线,间排距1400 mm×1600 mm。其余参数同正常区域一致。
将提出的坚硬顶板下巷道围岩控制技术应用于2-216工作面运输巷,同时监测掘巷后巷道围岩变形情况。图2给出了巷道围岩变形曲线图,从变形曲线上看围岩变形大概可分为3个阶段,包括巷道初掘快速变形时期、中期缓速变形时期以及后期稳定变形时期。其中,巷道初掘快速变形时期大概在巷道掘出45 d阶段内,该阶段巷道围岩变形速度最快,顶底板岩层变形速度约1.07 mm/d,两帮围岩变形速度约0.80 mm/d;中期缓速变形时期在巷道掘出45~90 d阶段内,该阶段巷道围岩变形速度有所减缓,顶底板岩层变形速度约0.65 mm/d,两帮围岩变形速度约0.44 mm/d,变形速度相对降低39%和45%;后期稳定变形时期在巷道掘出45~90 d后,该阶段巷道围岩变形趋于稳定,围岩变形速度整体低于0.2 mm/d,此时巷道顶底板最大移近量约77 mm,巷道围岩两帮最大移近量约56 mm。综上所述,试验巷道围岩变形较小,均在允许变形范围内,表明了坚硬顶板下巷道围岩控制思路和技术的合理性和优越性。
图2 巷道围岩变形曲线图
坚硬顶板岩层具备良好的承载能力,辛置煤矿2-216工作面运输巷顶板赋存基本顶岩层K8中细砂岩,基于此,提出了以充分发挥坚硬顶板岩层承载能力、高强度及时主动控制、支护参数合理优化为核心的坚硬顶板下巷道围岩控制思路,形成以“高强度锚杆+预应力长锚索+钢筋梯子梁+W钢带+金属网”实现顶板控制、以“高强度锚杆+钢筋梯子梁+金属网”实现巷帮控制的坚硬顶板下巷道围岩控制技术。该技术在现场应用后,实现了2-216工作面运输巷围岩的稳定控制。