深井大断面Y型通风沿空留巷加固支护技术

2011-02-02王圣武张五一淮南矿业集团谢一矿安徽淮南232046

中国矿山工程 2011年4期

王圣武，张五一(淮南矿业集团谢一矿，安徽淮南 232046)

1 工作面概况

5121（5）工作面位于谢一矿51采区（Ⅵ线与Ⅱ线之间），上至-700m标高，下至-780m标高，北至F12-10断层，南至工广煤柱线，该工作面走向长为1 688m，倾斜长为150～240m,平均值为195m，面积为33 2670m2，煤层总厚为0.3～1.6m，平均值为1.0m；煤层结构为单一型；煤层倾角20°～22°，平均值21°；可采储量为395 877t。5121（5）工作面属保护层开采，考虑到工作面煤层薄，为尽快打开被保护层，采用薄煤层综合机械化走向长壁后退式回采，全部垮落法管理顶板。

2 存在问题

（1）谢一矿5121(5)工作面为薄煤保护层开采，回采后，受采动影响，其下伏C14、C15、C13、C12煤层等邻近层的卸压瓦斯大量涌入风巷及采空区，致使采煤工作面上隅角瓦斯积聚，不仅限制了生产能力和生产效率的进一步提高,而且严重危及作业人员的生命安全。传统的U型通风方式难以解决上隅角瓦斯超限问题,采用沿空留巷技术实施Y型通风，见图1,即进行“二进一回”通风方式能有效地解决这一难题。

（2）5121（5）工作面留巷选择在5121（5）工作面下顺槽，标高为-780m，回采前掘进断面5.0m×4.0m，直墙半圆拱形，锚梁网锁支护。巷道断面较大，且为深井开采，大断面巷道支护难度较同条件小断面支护难度大得多；巷道围岩属性差，5121(5)工作面直接顶为泥岩，泥岩厚度2.0～3.0m，平均厚度2.3m，灰～灰黑色，少量粉砂质，性脆、破碎；泥岩抗剪强度低，自稳能力差，应力超过自身的抗压强度，易产生塑性变形，如节理、裂隙发育等，弱面多时，极易冒落；该巷道属典型深井大跨度顶底板松软煤层沿空留巷，且留巷在下顺槽进行，留巷难度非常大，故在留巷前和留巷后必须对留巷段进行加固支护，确保留巷一次性成功，为Y型通风创造条件。

图1 Y型通风工作面通风系统示意图

3 沿空留巷围岩活动规律

3.1 上覆岩层活动规律

回采工作面老塘采用全部陷落法管理顶板，回采后采空区的顶板会向下垮落，其垮落形式主要有两种：主动垮落和被动垮落。岩层主要是在自重(或自重和层面内应力)作用下的垮落称为主动垮落，岩层在本位岩层下沉的迫使下的垮落称为被动跨落。两种垮落形式互相叠加，周期来压，使回采工作面上覆岩层从下向上依次形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带,造成留巷周围的岩层发生变形、破坏,形成错动离层带区、二次破断区和微破裂区。

3.2 矿压显现规律

由于沿空留巷段要经受一次掘进和两次采动的影响，其矿压显现和巷道维护都比较复杂。特别是巷道断面比较大的情况下，巷道矿压显现更为剧烈。沿空留巷情况更为复杂。

在回采工作面煤壁前方20m左右受超前支承压力影响严重，在煤壁前方20～80m左右受超前支承压力影响较重，巷道变形主要发生在工作面前方60m范围内，甚至更远。

在回采工作面后方附近，已采区冒落岩石在上覆岩层作用下向巷道挤压，一般情况下，沿空留巷的顶板下沉在工作面后方10～20m处最为强烈，顶板下沉主要发生在工作面后方0～40m范围内，60～70m顶板下沉趋向稳定。可将沿空留巷分为6个阶段，各阶段的范围与巷道变形见表1。

表1 沿空留巷各阶段的范围与围岩变形

4 沿空留巷支护原则及巷道变形显现特征

4.1 沿空留巷支护原则

沿空留巷上下帮处在两种不同的介质中，巷道上（下）帮煤体属于弹性介质，巷道下（上）帮冒落矸石属于松散介质。沿空留巷成败取决于沿空留巷的支护体与原巷道支护体有机结合后的共同承载能力。因此,沿空留巷支护体承压状况主要由巷道上（下）帮煤体的本身强度及支护强度、顶板支护强度和下（上）帮充填体抗压强度决定。沿空留巷支护包括巷内支护与巷旁支护，巷旁支护及巷内支护必须相匹配。前期支护主要考虑切顶作用，要求尽早支护，保证支护具有较高的初撑力或增阻速度、较大的支护刚度，应坚持以“顶”为主，“顶、让兼顾”的原则，最大载荷以前期为主。上覆岩层后期活动具有“给定变形”特点，后期支护要求具有适当的双向承载性能的同时，主要是要求支护具有较大的双向可缩性能，保证下位岩层不垮落，防止煤帮挤出或片帮造成巷道状况恶化，加固煤帮以提高煤帮承载能力，减少后期下沉量。后期应坚持以让为主，“让、顶兼顾”的原则，支护设计最大变形以后期为主。

4.2 巷道变形显现特征

（1）上（下）帮煤体受采动压力和上覆岩层压力的影响,煤体易变软、变酥，造成原锚梁网支护体失效、锚杆脱落、锚网破裂、上（下）帮出现兜肚、片帮现象，且难于维护，影响有效使用断面。

（2）顶板出现离层、下沉、断裂甚至破碎现象，且随着采煤工作面的推进而不断加剧。

（3）下（上）帮充填体受压力影响被挤压开裂、变形、下沉，顺槽留巷还会产生下滑位移现象，其开裂、变形、下沉、下滑量取决于充填体充填时的水灰比、初期强度、后期强度及后期巷道加固支护形式。

（4）底板煤、岩层受围岩压力影响及回采期间水蚀浸泡，出现酥松、破裂，底鼓现象严重。

（5）回风联巷及邻近-780C15顶板巷在回采期间受采动影响，巷道变形严重，顶板破碎、下沉，折帮、底鼓，断面严重缩小。

5 沿空留巷充填加固支护措施

一般来说,留巷成功与否是受留巷的围岩状况、断面形状和巷内支护体、巷旁支护体强度决定的。从力学角度来看,巷旁支护体对顶板的反力矩比巷内支护体对顶板的支护反力矩大得多。为了保护留巷内状况和巷内支架，提高留巷的有效使用断面，必须加大巷旁支护体的刚度，并提高巷内顶板支护强度。在掘进施工过程中即开始加强对留巷顶板和上（下）帮的支护，并加强后期维护。

5.1 巷道掘进支护设计方案

一次沿空留巷需要经历一次掘进和两次采动影响，围岩变形量较大，即使可缩性金属支架也难以适应沿空留巷围岩大变形，金属支架变形严重，巷道维护效果较差。锚杆支护作为“主动”支护，能有效提高锚固体的峰值强度和残余强度，提高围岩自身承载能力，改善巷道维护状况，采用锚杆与钢带联合支护方式，能提高深井煤巷顶板、帮部整体性，安全防护性较好。同时采用锚索支护，能使围岩在锚索预应力作用下产生压缩，在锚索的弹性压缩下形成“承载”，提高了围岩的整体性和内在力，增加其强度，增大围岩的稳定强度。因此，在巷道掘进时，采用锚梁网索支护，具体参数为：巷道净宽×净高=5m×4m，锚杆采用ϕ22mm×2.5m的20MnSi左旋无纵筋螺纹钢等强预拉力锚杆，配合钢带和10#铁丝网联合支护，弧段的锚杆间排距为800mm×800mm，直墙部锚杆间排距为730mm×800mm。直墙与半圆拱相搭接处间排距为600mm×800mm。锚索规格为ϕ17.8mm×6.8m（深入岩体长度为6.5m），间排距为1.96m×1.6m。顶部采用KT-M5型钢带，其中两根4.1m长的各用于1/4圆弧断面用，直墙部分采用KT－M3型钢带,长1.6m,在钢带的对接部分多冲一个孔，以利于钢带对接，见图2。

图2 下顺槽巷道支护正视图

5.2 回采巷道顶板超前加固支护设计方案

（1）在距工作面煤壁前方150m以外，C15顺槽超前施工锚索+钢带进行加固，钢带采用M5型钢带：280mm×3 600mm（孔中心距为1.6m），钢带长3.6m，压茬150mm；锚索为ϕ22mm×8m的钢绞线，托盘为δ16mm厚的特制盖板，规格为300mm×300mm；锚固剂为4支K2355树脂药卷；锚索间排距为2（2.5）m×1.6m，每排3根。采用专配的风动张拉仪张拉，预紧力不小于120kN，抗拔力不小于300kN，见图3。

图3 采前巷道顶板加固平面布置图

（2）在距工作面煤壁前方20～80m范围，在巷道中间用DZ系列单体和HDJA-1000金属铰接顶梁挑单排挑棚，单体间距为1m。煤壁前方20m范围内用DZ系列单体和HDJA-1000金属铰接顶梁挑三排挑棚,转载机下侧帮两排，排间距不小于1m,转载机上侧帮一排，单体间距为1m。

（3）工作面下端头超前煤壁5.0m施工锚杆、锚索＋钢带及金属网支护，钢带采用M5型钢带，长3.4m，排距800mm，锚杆采用ϕ22mm×2.5m的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800mm×800mm，锚杆均采用加长锚固，每根锚杆采用的树脂药卷为1支K2360和1支Z2380；安装预紧力矩≮150N·m，预紧力≮50kN，锚固力≮120kN；网片为ϕ10铁丝网，搭接长度100mm；锚索为ϕ22-6.5m的钢绞线，抗拔力不小于300kN，托盘为δ16mm的钢板加工的特殊盖板，规格300mm×300mm，锚索按“2-1-2”布置，1支K2360三支Z2380中速树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果。锚索预紧力80～100kN，锚固力不低于200kN，见图4。

图4 工作面下端头超前支护平面图

5.3 回采后充填及加固设计方案

（1）为防止采空区冒落矸石对充填垛产生强烈侧冲力，在充填框架搭设前框架上方2m处架设单排木支柱,木支柱采用ϕ20cm×2.4m圆木,间距600mm。留巷充填框架上方顶板变形严重、承压大，紧贴充填框架外侧采用顺山木棚加固,梁子为ϕ20cm×2.4m圆木，腿子为单体液压支柱，棚距400～600mm。

（2）紧跟工作面回采进度，在支架后方1～2处架设充填框架，进行充填留巷。留巷充填墙垛为宽×高=3m×2m，一次充填长度3m。充填材料选用膏体混凝土，其强度一天不低于3MPa，28天不低于14MPa。采用BSM1002E混凝土泵进行充填，充填工艺流程：干混充填材料制备→干混充填材料运输→干混充填材料上料→充填模板支护→充填料浆的制备与泵送→料浆入模自流平密实→拆模，待充填区巷道断面见图5。

（3）充填前，在顺槽紧随工作面下出口综采支架后方，超前套架U型棚，U型棚净宽×净高=4.6m× 3m，棚间距600mm，拉杆三道，紧靠上帮U型棚棚腿支设充填模板。充填时充填垛与U型棚联合形成支护整体，并滞后对充填留巷段进行卧底。充填后，对U型棚正顶处用单体液压支柱进行挑顶加固，待巷道来压稳定后，再由后向前逐步卸去单体支柱（一般滞后工作面不小于200m）。

图5 待充填区巷道断面图

5.4 回风系统巷道维护措施

由于受采动压力影响,回风系统原支护体在回采后变形严重，巷道断面变小，影响正常回风，须提前采取加固措施。

（1）回风联巷回采前进行套架U型棚进行加固，套架后，进行喷浆封闭围岩，并注浆加固。联巷要定期进行清理卧底，确保回风断面不能小于11m2，满足回风要求。

（2）-780m C15顶板巷回采期间作为Y型通风的回风巷，在留巷使用期间要保持完好，且断面不能小于11m2，由于-780m C15顶板巷与下顺槽平行，平距40m，经计算，顶板巷距采动影响线的最小距离为10.007m，受采动影响较大。回采期间必须进行扩修加固，提高顶板支护强度，并加固两帮，采用底角高强预应力锚杆，控制巷道底臌量。采取先卧底、扩帮、找顶等方法刷大巷道，待断面尺寸符合要求后再对顶板、巷帮及底角进行打锚杆、锚索、挂网、喷浆。