马堡煤矿迎采巷道围岩综合控制技术

2021-02-06岳鹏飞

煤 2021年1期

岳鹏飞

(山西马堡煤业有限公司，山西长治 046000)

近年来随着煤矿开采强度的增大，采掘接替关系普遍比较紧张，矿井经常会出现迎采动工作面对掘巷道(以下简称“迎采巷道”)的情况。此类巷道需经历邻近工作面采空区侧向顶板破断、转动及稳定的全过程动压影响，巷道围岩变形破坏严重，尤其是大采高回采工作面和大断面全煤巷道，矿压显现更为剧烈，维护极其困难，严重制约着煤矿安全高效开采。

目前煤矿大断面巷道围岩收敛性较大的原因主要是煤层埋深大、围岩强度低及采动影响。学者们针对前二者引起的矿压显现规律及其控制技术的研究已经成熟，但在采动影响方面的研究仍存在不足[1-3]。由于大断面巷道在采动影响下，应力呈现动态变化，导致围岩控制手段较为困难。近年来，煤矿现场发现钢架等单一的被动支护无法维持大断面巷道围岩的稳定性，并且由于锚杆支护技术的迅速发展，以锚杆支护为主体，结合多种支护体的联合支护体系，已成为围岩变形有效控制的手段[4]。

本文以马堡煤矿15201回风巷(跨度5.0 m以上、高度4.5 m)为研究对象，综合采用现场调研、理论分析等方法，研究了大断面迎采巷道围岩的综合控制技术。

1 工程概况

马堡煤矿正在回采152采区15203工作面，15201工作面为15203接替工作面，由于采掘接替紧张，15203工作面回采结束之前，需提前掘进15201回风巷，完成15201工作面布置，目前，15201回风巷正对掘至15203回采工作面采空区后方300 m，如图1所示。15201回风巷采用全煤超大矩形断面，掘进断面尺寸5.6 m×4.5 m，断面积高达25.2 m2，而且迎采对掘导致15201回风巷在掘进期间受15203工作面采动动压影响，极易导致巷道围岩大变形，给巷道的维护带来了很大的困难。

图1 15203回采工作面与15201回风巷位置关系(m)

2 支护情况

迎采巷道采取的支护方式为：锚杆+金属网+钢筋梯子梁+锚索补强联合支护。顶锚杆采用D22 mm×2 500 mm的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，配合150 mm×150 mm×10 mm拱形高强度托盘与D12 mm钢筋梯子梁，每排布置8根，间排距为750 mm×1 000 mm，锚固方式采用树脂加长锚固，锚固剂规格为1支MSK2335和1支MSZ2360，预紧力矩不小于300 N·m，锚固力不小于80 kN。

顶锚索采用D18.9 mm×8 300 mm的1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，配合250 mm×250 mm×20 mm的拱形高强度托盘，每排布置3根，间排距为1 600 mm×2 000 mm，树脂端头锚固，1支规格为MSK2335，2支规格为MSZ2360，预紧力不低于100 kN，锚固力大于250 kN。

帮锚杆采用D20 mm、长度2 100 mm的螺纹钢锚杆，配合120 mm×120 mm×8 mm的拱形高强度托盘与D12 mm的钢筋梯子梁，每排布置6根，间排距为800 mm×1 000 mm，采用1支MSZ2360锚固剂，锚固力不小于60 kN。

3 迎采巷道支护构件及围岩变形破坏情况

3.1 迎采巷道支护构件破坏情况

15201回风巷640 m(距离邻近15203回采工作面采空区230 m)处靠近煤柱侧的顶锚杆发生破断，5月18日在该位置附近又有3根顶锚杆与2根顶锚索相继发生破断，如图2与图3所示。

图2 顶锚杆破断情况

图3 顶锚索破断情况

顶锚杆破断部位在距锚尾20～30 cm处，杆体断口附近出现明显的径缩和弯曲，如图2(a)所示；断口处不规整且凹凸不平，如图2(b)所示；锚杆高强度托板调心球形垫上端一侧受压变形明显，如图2(c)所示。分析认为这是由于杆体受到拉伸、弯曲与剪切等组合作用，受力状态复杂而发生破断。

顶锚索破断部位在距锚尾50 cm处，钢绞线断口附近也出现径缩与弯曲，并且钢绞线散开，如图3所示，这是由于钢绞线受到拉伸、弯曲与剪切等组合作用而破断。

3.2 迎采巷道围岩变形破坏情况

在15201回风巷顶锚杆破断的区域顶板出现网兜，见图4(a)；网兜以破断锚杆为中心，面积约3.2 m2，网兜内的岩石呈碎裂片状，块度较大，见图4(b)；另外，在该区域附近靠近煤柱侧还有几处顶板也呈碎裂状态，有的也形成网兜，并且钢筋梯子梁挤压变形，见图4(c)。相似情况自15201回风巷600 m开始至640 m结束，分界线非常明显，见图5，总长度约40 m，经观察发现该区域巷道顶板有1层厚400～1 300 mm的伪顶。此外，在刚出现伪顶的巷道拐角处破碎严重，见图6。

图4 15201回风巷顶板网兜情况

图5 15201回风巷伪顶情况

图6 回风巷600 m拐角破碎严重

4 迎采巷道围岩变形破坏机理

结合15201回风巷顶板情况分析可知，伪顶发生离层错动是锚杆破断的主要原因。随着毗邻15203工作面回采，采场顶板周期性破断、回转、下沉，在采空区上方沿倾向形成弧形三角块结构，该结构采动敏感性强，将直接影响15201回风巷的稳定性。由于15201回风巷侧帮煤柱宽30 m，基本顶关键块B断裂位置可能位于煤柱上方，如图7所示。15201回风巷浅部顶板岩层在煤柱顶板大结构回转下沉作用下向巷道内发生明显的水平挤压运动，而实体煤帮侧浅部顶板在深部围岩压力作用下亦向巷道自由侧发生水平运动，两个方向水平运动导致围岩出现不同方向水平位移，并在巷道自由面方向交汇，进而使锚杆发生挤压剪切，再加上伪顶处的质软泥岩在水与应力耦合作用下易出现扩容现象，越发增加其剪切作用，从而使锚杆在离层错动与悬吊的组合作用下发生破断。

图7 15203回采工作面基本顶断裂结构示意

5 迎采巷道围岩综合控制方案

对于此类迎采巷道的矿压显现问题，拟采用如下3种方案：

1) 避开采动影响。为防止15203综采工作面回采对15201回风巷掘进造成影响，当15201回风巷掘进距15203综采工作面55 m时，15201回风巷停止掘进。如果掘进过程中顶板出现响声，岩层下沉断裂、漏顶、掉渣，顶板裂缝增加，出现脱层、煤质变软、片帮煤增多、瓦斯涌出增加、淋水量增大等异常现象时，15201回风巷也停止掘进，撤出工作面人员，待确认工作面安全后，从工作面停掘迎头开始往巷道开口处对所掘巷道帮(15203工作面侧)进行补打锚索加强支护。

2) 煤柱帮加强支护。煤柱帮补打帮锚索，锚索采用D15.24 mm×5 000 mm的1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，三花布置，即一排锚索布置1根，打设在巷道正中间，另一排锚索布置两根，间距2 500 mm，分别距离顶底板1 000 mm，排距为2 000 mm，树脂端头锚固，采用3支锚固剂，1支规格为MSK2335，另两支规格为MSZ2360，钻孔直径为28 mm，锚固长度为1.76 m，锚索托盘采用250 mm×250 mm×20 mm高强度托盘及配套锁具。

3) 顶板加强支护。顶锚索由三三布置变为三二三布置，排距由2 000 mm变为1 000 mm；顶锚索锚固力由250 kN变为300 kN，预紧力由100 kN变为150 kN；顶锚杆锚固力由不小于80 kN变为大于150 kN；帮锚杆由D20 mm、长2 100 mm的螺纹钢锚杆变为D20 mm、长2 400 mm的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，帮锚杆锚固力由不小于60 kN变为大于120 kN；顶与帮上的钢筋梯子梁直径由D12 mm圆钢变为D14 mm圆钢。