锚网索联合支护技术在深部窄煤柱大断面沿空掘巷中的应用

王 逵

(中天合创能源有限责任公司 门克庆煤矿,内蒙古 鄂尔多斯 017399)

中天合创门克庆煤矿是一座产能8 Mt/a的大型矿井。矿井当前主采3-1煤层,埋深平均692 m,井下回采巷道为窄煤柱沿空单巷布置。窄煤柱沿空掘巷由于靠近相邻面采空区,处于复杂的矿压环境中,施工期间受动载扰动和采空区侧向应力双重叠加影响,巷帮易破碎、片帮,增加了巷道跨度和悬顶距,导致巷道压力增大、维护困难。因此,选择科学合理的支护方案,是窄煤柱沿空巷道安全施工的前提和保障。

1 工程概况

3106工作面回风巷为门克庆煤矿首个窄煤柱沿空巷道,相邻3104工作面采空区。该采面为3-1煤南翼首采面,面长320 m,设计推进长度2934 m,开采煤厚平均5.1 m,直接顶为平均厚度7.8 m的细砂岩或砂质泥岩,直接顶上方赋存平均厚度为25.8 m的砂岩互层。3104工作面采完后,沿采空区边缘掘进3106工作面回风巷(见图1),煤柱留设宽度6 m,沿空巷道矩形断面,设计宽5.4 m×高4 m,沿煤层底板掘进,掘锚工艺施工。

图1 3106工作面回风巷巷道布置设计平面

2 窄煤柱沿空巷道围岩控制特点分析

1) 临空煤岩体受到顶板多次采动影响,裂隙大量发育,围岩强度损伤严重,导致承载结构稳定性能下降、锚固力不稳、支护阻力被裂隙阻隔,对比常规巷道支护效率下降。

2) 采空区侧向残留应力存在低值应力区和高值应力区,而低值应力区内掘进巷道,将造成高值应力重新分布,加之掘进期间围岩应力扰动的二次叠加,给巷道支护造成困难。

3) 受采空区侧向顶板岩层结构运动影响,窄煤柱沿空掘巷矿压显现相比普通巷道明显强烈,巷道维控难。

3 窄煤柱沿空巷道锚网索联合支护技术

锚网索联合支护作为一种适用范围广、支护强度高的主动性支护技术,其常用的技术理论为悬吊理论和组合梁理论。实践应用中,通过锚杆(索)的伸缩性来控制和适应围岩变形,同时发挥了围岩的自承载力,具有适应围岩压力、分散围岩受力,以及提升加固效果的特点。因此,支护设计时,必须从材料选择、间排距设计、支护强度、安装工艺等方面综合考虑,以保证其支护效果。

1) 顶板支护设计。每排4根φ21.8 mm×4300 mm柔性顶锚杆,垂直顶板布置,间距按顶锚杆机位置设计,两边柔性锚杆间距为1057 mm,中间柔性锚杆间距为1986 mm,排距为1000 mm;顶板中间补强锚索采用气动锚杆钻机施工,锚索φ21.8 mm×7300 mm,按照1-0-0-0-1的方式垂直布置在2排柔性锚杆之间,排距3000 mm;每隔两排柔性顶锚杆施工4根φ21.8 mm×7300 mm锚索,间距与柔性顶锚杆一致,排距3000 mm;锚杆(锚索)预紧力不小于200 kN;锚杆(锚索)托盘为300 mm×300 mm×20 mm拱形托盘。

2) 窄煤柱帮部支护设计。采用单排联合支护,优点是减少了锚杆+锚索交叉支护需要后退掘锚机支护帮锚索的环节,缩短支护时间,提高支护效率,每排3根φ22 mm×2800 mm螺纹钢锚杆+2根φ21.8 mm×4300 mm短锚索,间排距800 mm×1000 mm,锚杆托盘规格为150 mm×150 mm×12 mm,每个托盘下方加装280 mm×400 mm×4 mm的W型钢带护板,增大护帮表面积,减少帮部破碎对支护的影响。

3) 回采帮支护设计。采用一排纯锚杆与一排锚杆+锚索联合支护方式布置,即第一排为5根φ22 mm×2800 mm螺纹钢锚杆,第二排同窄煤柱帮锚杆+锚索联合支护,按照“纯锚杆-联合支护-纯锚杆-联合支护”的方式依次类推。具体支护设计见图2—5.

图2 巷道支护设计断面

图3 巷道顶板支护设计平面

图4 巷道煤柱帮支护设计剖面

图5 巷道回采帮支护设计剖面

4 窄煤柱沿空巷道支护效果分析

为研究锚网索支护在窄煤柱沿空掘巷的应用效果,形成深部叠加应力扰动条件下窄煤柱沿空巷道围岩控制技术体系,对窄煤柱沿空掘巷施工期间矿压进行观测分析,巷道矿压观测主要内容为巷道表面位移和顶板离层。测点布置方案:自迎头位置开始每8 m间距布置一处表面位移、顶板离层综合测站,共布置5组。

4.1 巷道围岩监测结果分析

1) 2#、3#、5#测站两帮移近量见图6. 由图6可知,2#、3#、5#测站窄煤柱侧帮、实体煤帮移近量趋势相近,在距迎头140 m时均已进入稳定状态,2#、3#、5#测站窄煤柱侧帮移近量稳定值分别是实体煤帮的106.52%、88.09%、107.14%.

图6 2#、3#、5#测站两帮移近量

2) 1#、4#测站两帮移近量见图7. 由图7可知,1#、4#测站两帮移近量曲线呈现出明显差别,窄煤柱侧帮移近量稳定值分别是实体煤帮的209.09%、194.45%.

图7 1#、4#测站两帮移近量

3) 1#、2#、3#、4#、5#测站顶板下沉量见图8. 由图8可知,1#、2#、3#、4#和5#测站分别在距迎头140 m、140 m、110 m、110 m及80 m时进入稳定状态,稳定时下沉量分别为43 mm、60 mm、35 mm、69 mm、48 mm,占巷高比分别为1.02%、1.4%、0.83%、1.6%及1.1%.

图8 1#、2#、3#、4#、5#测站顶板下沉量

4) 总体上,80%的巷段窄煤柱帮变形量大于实体煤帮,其中40%巷段窄煤柱帮变形量可达实体煤帮的2倍。

5) 上述变形规律符合窄煤柱沿空掘巷的结构特征,主要原因:采空区侧向顶板下沉对窄煤柱施加了较大压力;窄煤柱承压期间,裂隙发育、强度降低;窄煤柱易受采空区积水的影响。

6) 这种差异化变形特征的启示:窄煤柱帮和实体煤帮应采取差异化支护。在上区段工作面开采时,可提前对煤柱帮进行必要的补强支护以加固围岩,提高煤柱承载能力;上区段回采时,可提前对侧向顶板预裂卸压;必要时,可对窄煤柱进行注浆加固。

4.2 顶板离层监测结果分析

顶板离层仪浅基点安装深度为1.5 m,深基点安装深度为8.0 m.

距巷道开口121 m处测站顶板离层仪监测数据显示,该测站浅基点为0 mm,深基点在巷道空间开挖至距迎头15 m时增长至10 mm,开挖至距迎头30 m处时增长至20 mm,开挖至距迎头58 m处时增长至25 mm,距迎头67 m处时增长至0 mm,距迎头118 m处时增长至50 mm. 说明该处顶板1.5～8 m累计发生50 mm离层,而1.5 m以浅未监测到离层。

距巷道开口129 m处测站顶板离层仪监测数据显示,该测站深基点示数保持为0 mm,浅基点示数在巷道空间开挖至45～71 m时从0 mm增长至20 mm,而后保持在20 mm. 该监测值不具有代表性,考虑基爪的抓力不足,深基点未监测到合理数值。

距巷道开口169 m处测站顶板离层仪监测数据显示,该测站深基点在巷道空间开挖至距迎头0～19 m时从0 mm增长至10 mm,而后保持在10 mm. 浅基点在巷道空间开挖至距迎头0～19 m时从0 mm增长至10 mm,与深基点保持同步,开挖至距迎头23～59 m时从10 mm增长至20 mm,而后保持在20 mm.

总体来看,有1处测站离层发生在1.5 m以浅、数值为10 mm,有1处测站离层发生在1.5～8 m,累计离层量50 mm,在可控范围之内。顶板离层观测结果表明,锚网索支护技术在控制窄煤柱沿空巷道掘进中应用效果良好,顶板柔性锚杆能有效控制浅部围岩离层的发育与扩展。

4.3 经济与社会效益分析

1) 经济效益。3106窄煤柱综采工作面自2021年9月开始回采直至回采完毕,累计推采长度为2934 m,与原预留35 m宽煤柱开采相比,预计新增经济效益1.02亿元。

2) 社会效益。窄煤柱沿空掘进能够大幅度缩小区段煤柱宽度,提高煤炭采出率;通过锚网索联合支护方案的科学设计及应用,能够实现巷道围岩稳定可控。

5 结 语

1) 受围岩特征和应力环境分布的差异性影响,窄煤柱沿空掘巷施工面临帮部破碎、锚固难度大等技术难点,依据高预应力强力支护理论和控制原则,提出控制窄煤柱沿空掘巷巷道变形关键技术:高预应力是控制巷道变形的基础,控制两帮围岩变形是关键,通过采取“高强度柔性顶锚杆控顶+非对称式帮部锚网索联合支护护帮”的支护方式,保证了沿空巷道的整体稳定性。

2) 工程实践表明,采用锚网索支护技术能充分体现锚杆(索)支护系统的主动作用,发挥了较高的耦合支护性能,及时有力地抑制了巷道浅部破碎围岩的有害变形,同时有效防止了破碎围岩向深部发展,提高了深部围岩的自承能力,成功解决了窄煤柱动压掘进巷道支护难题,巷道整体支护效果良好。