寺家庄煤矿15119回风巷沿墙掘进支护优化研究

王 辉

(潞安化工集团 寺家庄煤业有限责任公司,山西 晋中 045300)

1 工程概况

15119 工作面回风巷从中央盘区原 15117 工作面进风巷开口往北357 m 处东帮开口,坐标为:X=68 657.090 ,Y=106 214.217,Z=+496.719(底板),开口后,先向东水平施工 23.2 m;而后沿15号煤层顶板随层掘进,煤层厚度6.89～3.92/5.7 m,先向北施工 42.7 m,而后沿北偏西 30°方位角施工33.5 m后至设计巷道沿空留墙位置,然后沿15号煤层顶板向北掘进。15119 工作面回风巷与 15119 工作面低位瓦斯预抽巷平行布置,层间距为15～17 m.15119 工作面回风巷在掘进过程中,在适宜位置根据现场实际情况设置临时车场、避难硐室。15117 进风巷内进行沿空留墙,15119 工作面回风巷再沿柔模墙体进行掘进,如图1所示。15119 工作面回风巷沿15号煤层顶板掘进,煤层顶底板岩性特征如表1所示。

图1 15119 工作面回风巷沿墙掘进巷道布置

表1 15119 工作面回风巷顶、底板情况

2 基本支护设计

15119工作面回风巷断面形状为矩形,掘进荒宽、荒高为5.4 m、4.1 m,支护形式:15119工作面回风巷顶部采用“锚索+W 钢带+经纬网”联合支护,帮部采用“锚杆(钢护板)+锚索+菱形网”联合支护。基本支护,如图2所示。顶板支护:6孔W钢带打注锚索,间排距为1 000 mm×1 000 mm,角锚索距两帮200 mm,所有锚索垂直巷顶打注。经纬网长边垂直掘进方向铺设,锚索规格为D21.6 mm×8 200 mm,经纬网规格为5 800 mm×1 100 mm,顶W钢带规格为BHW235/280/6-5300-1000-6.煤柱帮为宽1.5 m高强度预留墙体,墙体之间及墙体与顶板接顶处全长喷浆封闭,喷浆厚度为100 mm.采帮采用锚杆(钢护板)+锚索+菱形网联合支护。采帮每排锚索、锚杆共布置5根,间距800 mm,从上至下第1根、第2根、第3根布置锚索,第4根、第5根布置锚杆,锚索规格为D17.8 mm×4 200 mm,帮锚杆规格为D20 mm×2 200 mm 左旋无纵肋螺纹钢锚杆,菱形网规格为4 400 mm×1 100 mm,W钢护板规格为BHW235/280/4-450,铺网时,联网搭接100 mm,每隔100 mm用14号铅丝双股双边三花联网一道,每道绑扎不少于3 匝,铺网时长边垂直掘进方向。

图2 15119 工作面回风巷基本支护(单位:mm)

3 补强支护设计

截至2022年底工作面已掘进154 m,巷道出现部分墙体顶部压坏、墙体倾斜及顶板下沉等情况。针对以上存在的主要问题,通过对现场进行查看,收集资料,与矿相关单位领导进行了讨论、沟通和原因分析,为确保巷道支护有效、安全可靠,满足回采超前压力显现时的要求,需对现有支护设计进行补强支护优化。

3.1 原因分析

根据现场调研情况归纳失稳原因如下:①锚索随顶板一起下沉,且锚索托板和锁具直观看没有任何压力显现反应,说明锚索没有充分起到悬吊作用[1],端锚位置不合理或锚固力不够或端锚位置的岩层结构及岩性差。②从取芯顶板岩性分析看,现打8.2 m长锚索端锚位置在1.5 m厚的细粒砂岩层中,该层的岩性比较好、较为稳定,但层理较发育易离层。其上部有稳定的5.5 m厚中粒砂岩是锚索端锚的最佳位置。③锚索预紧力不够,张拉机具选择不合理,施工工艺等问题导致顶板离层。

3.2 顶板取芯及锚固段合理层位分析

在15119回风巷9H9测点往北16 m处,在顶板打钻孔取芯,取芯长度17 m,钻孔取芯柱状,根据取芯资料并结合钻孔资料对比分析,15号煤直接顶岩性为砂质泥岩已确定,其厚度取芯5.6 m,钻孔5.33 m,平均5.465 m,基本相符;岩性为深灰色砂质泥岩,富含植物化石碎片及碎削化石;第1层老顶岩性为0.4 m厚粉砂岩和1.5 m厚的细粒砂岩互层,两层之间与直接顶之间的层理较为发育;之上的第2层5.5 m厚的中粒砂岩老顶为难垮落的岩层结构,其岩性坚硬、稳定,是锚索支护端锚最佳位置;再之上为较薄的细粒砂岩、炭质泥岩及煤线的复合层。根据以上地质资料分析结果,本次支护设计依据现场钻孔取芯资料为准进行支护设计,锚索应端锚在稳定、坚硬的5.5 m厚中粒砂岩关键层中。锚固深度在1.5～2 m.顶板锚索端锚关键层位支护,锚索总长度为9.7 m,如图3所示。

图3 15119 回风巷顶板锚索端锚关键层位支护断面图(单位:m)

3.3 补强支护方案设计

锚索必须锚入坚硬稳定的岩层中,然后通过锚索张拉机具对锚索施加预应力,把不稳定的顶煤和岩体吊挂在稳定的坚硬岩体上,使其巷顶的煤、岩体形成组合梁自承拱,达到主动支护顶板的目的。

根据《煤矿巷道锚杆支护技术规范》,对于树脂锚杆(索)树脂药卷直径应比钻孔直径小4～8 mm.索体为D21.6 mm,1×19股高强度钢绞线。采用2支MSZ-23-120 中速树脂锚固剂加长锚固。锚固长度验算[2]:

经计算,钻孔直径为30 mm时,锚固长度为2 929.12 mm,大于钻孔深度的1/3,属于端头锚固;当钻孔直径为32 mm时,锚固长度为2 277.55 mm,锚固长度为钻孔深度的24%,小于钻孔深度的1/3,属于三径匹配不合理,因此寺家庄煤矿D21.6 mm锚索的合理钻孔直径应为30 mm,树脂药卷直径为23 mm.

顶板补强支护在基本30支护的基础上沿原锚索之间补打D21.6 mm、L9 700 mm 锚索,形成“2-1-2”补强支护形式,间排距为1 000 mm×2 000 mm.规格型号:D21.6 mm、L9 700 mm,拉断载荷为504 kN 的1×19结构,延伸率7%的钢绞线。锚索角度:均垂直顶板岩层面打设。锚索张拉预紧:锚索初次张拉力要达到300 kN.锚索托梁:采用长1 300 mm高强度U型钢梁;拱形调心球及配套锁具。15119回风巷补强支护,如图4所示。

图4 15119 回风巷补强方案(单位:mm)

4 支护效果考察

寺家庄煤矿15119回风巷已掘段采用上述方案进行补强支护,新掘段采用优化支护方案掘进期间每间隔40 m设置1个测站,监测项目包括表面变形量、顶板离层量[3-4],以距开口处220 m的S-2号测站为例,对监测数据进行整理绘制处表面变形量及顶板离层量变化曲线如图5所示。

图5 矿压监测结果

分析可知,巷道掘巷支护完成早期,开挖后30 d内,巷道表面变形量及顶板离层量逐渐增大,开挖30 d后围岩表面变形量保持恒定,围岩变形速度减小为零,顶板离层量也不再增大,围岩整体稳定,充填墙体内挤变形最为明显,最大变形为102 mm,其次为顶板下沉变形,最大下沉量为81 mm,底板底鼓量为40 mm,实体煤帮内挤变形量11 mm,围岩整体变形量较小,巷道表面光洁、平整,围岩稳定性良好;顶板浅部基点最大离层量为7.5 mm,深部基点最大离层量3.0 mm,顶板岩层离层量很小,顶板岩层整体性控制效果较好。综上可得,补强支护方案能够很好满足维护沿墙掘巷的需要。

5 结 语

本文以寺家庄煤矿15119回风巷沿墙掘进为研究背景,采用现场调研、理论计算、矿压监测等手段进行沿空巷道围岩科学控制技术研究,基本支护条件下掘巷研究表明,巷道出现墙体倾斜及顶板下沉等问题,探讨分析原支护方案缺陷,提出采用长锚索进行补强支护,通过顶板取芯掌握顶板岩层岩性、厚度特征,确定锚索应端锚在稳定、坚硬的5.5 m厚中粒砂岩关键层中,据此确定顶板锚索长度为9.7 m,根据“三径”合理匹配原理确定锚索孔合理直径为30 mm,树脂药卷直径为23 mm,采用“2-1-2”补强支护形式,矿压监测表明,巷道表面变形量较小且保持稳定,顶板离层得到有效控制,消除了墙体顶部压坏、墙体倾斜等问题,很好满足维护沿墙掘巷围岩的需要。