潞宁煤矿24102运输巷围岩控制技术优化及应用研究

吴 昊

(山西潞安集团 潞宁煤业公司， 山西 忻州 036000)

潞安集团潞宁煤业有限公司现阶段主采侏罗系大同组上部的2#煤，2#煤层结构简单，中部夹不连续的薄层炭质泥岩夹矸，煤层厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m. 由于该矿井采掘接替紧张，24102运输巷掘进时其临近的24101工作面仍在回采中，其掘进受到临近工作面较为剧烈的动压影响，掘巷初期围岩表现出较大的位移现象，需采取适当的措施进行治理。

1 工作面概况

潞宁煤矿24102工作面位于矿田西南部，二四采区三条下山西南侧，地面为中低山区，通过地面巡查未发现高压线塔、房屋等建筑物，只有一条乡间公路，根据资料分析，预计采掘活动对其影响不大。24102工作面位于井田西南部的二四采区，是二四采区第2个工作面，工作面北部为正在回采的24101工作面，南部为该矿未采动区域，西部为该矿边界(未采动部分)，东部为该矿二四采区三条下山。24102工作面地面标高+1 498～+1 674 m，工作面标高+1 086～+1 126 m，工作面上部为正在回采的24101工作面，区段煤柱宽度为26 m，工作面位置见图1. 24102工作面平均走向长度为1 855 m，倾向长236 m(斜长，里边—里边)，可采段煤层厚度3.8 m，直接顶为厚度5 m左右的泥岩，基本顶为细粒砂岩，顶底板岩层特征见表1.

表1 顶底板岩性特征表

2 24102运输巷原有支护方案评价

该矿24102运输巷采用梯形断面，巷道宽度为4.5 m，上帮高4.2 m，下帮3.5 m，采用传统的锚网索支护，顶板锚杆采用d22 mm，长度2.4 m的螺纹钢锚杆，每排7根，锚杆间排距为850 mm×900 mm，两帮锚杆规格与顶板锚杆相同，上帮每排4根锚杆，间排距为1 000 mm×900 mm，下帮每排4根锚杆，间排距为950 mm×900 mm，所有锚杆均垂直顶板和两帮安装，锚杆预紧力250 N·m. 顶板采用d22 mm，长度7.0 m的钢绞线锚索，每排3根，锚索间排距为1 800 mm×1 800 mm，垂直巷道顶板安装，24102运输巷原有支护方案见图2a).

图1 24102工作面位置图

通过现场围岩位移观测得知，24102运输巷前期掘进过程中，巷道顶底板相对移近量较小，顶板下沉量最大为300 mm，底板底鼓量最大为400 mm，而巷道两帮的围岩变形较大，上帮变形最大达1 000 mm，下帮变形最大达800 m，两帮移近量最大可达1 800 mm左右，巷道两帮多处出现明显的网兜现象，顶板个别位置出现了网兜现象。总体来说，24102运输巷围岩的位移以两帮向巷内“平移”为主，围岩变形示意图见图2b).

图2 24102运输巷原有支护方案及效果图

为了解24102运输巷两帮煤岩体的破坏特征，在24102运输巷掘进55 m处，距离巷道底板2.0 m的上帮施工窥视钻孔[1-2]，钻孔d30 mm，深度为5.8 m，窥视仪观察到围岩内部裂隙的发育情况见图3. 巷帮破坏程度较大的为深度0～1.2 m，裂隙多为拉伸破坏形成的横向裂隙，无明显的纵向裂隙；深度为1.2～2.5 m时，岩体较完整，但是个别位置出现2～3 mm的纵向裂隙；深度大于2.5 m时，岩体表现为无裂隙发育。巷道掘进初期通过水压致裂地应力测量得知两帮煤岩体内最大垂直主应力为12.35 MPa.

图3 24102运输巷上帮(煤柱帮)围岩内部结构窥视图

24102运输巷围岩变形的原因：

1) 围岩应力较大，24101工作面回采后，24102运输巷掘进的位置处于应力升高区，应力集中系数为2～3. 2) 软弱煤层坚硬顶板结构。实验室测定表明，煤层f值为0.8～1.3，直接顶泥岩f值2.5～3.8，基本顶细粒砂岩f值为3.5～4.5，为典型的软弱煤层硬岩巷道[3]，导致两帮显著内移。3) 回采动压影响。受临近24101工作面较为强烈的采动影响。4) 支护方式及参数的因素。原有锚杆锚索支护强度不足，预应力较低，未能有效地控制两帮煤体内松动圈的持续扩大。

3 支护方案优化设计

根据24102运输巷具体的地质和技术条件，结合“携顶底，控两帮”的支护思想，通过提高锚杆锚索的预紧力及在两帮增加锚索提高两帮的承载能力。顶板锚杆间排距为850 mm×900 mm，上帮锚杆间排距为1 000 mm×900 mm，下帮锚杆间排距为950 mm×900 mm，锚杆安装时预紧力加大至不小于400 N·m，顶板和两帮锚索间排距为1 800 mm×1 800 mm，锚索安装预紧力应≥300 kN，顶板锚杆间采用由16#圆钢焊制的钢筋梯子梁连接，两帮锚杆和锚索间均采用钢筋梯子梁配合W钢护板(长450 mm×宽280 mm×厚5 mm)护帮。24102运输巷优化后的支护方案见图4.

图4 24102运输巷优化支护方案图

4 现场应用效果分析

24102运输巷至掘巷100 m后采用了上述支护方案，为考察优化后支护方案的应用效果，在运输巷掘进150 m(1#测站)和200 m(2#测站)处分别布置围岩位移观测站[4]，对现场监测结果整理见图5. 24102运输支护完成后，随着观测天数的增大，围岩的变形速度逐渐较小，最终趋近于零，围岩的变形主要集中在成巷后的40天内，其中1#测站在成巷25天后围岩位移量基本稳定，而后围岩又出现明显的位移现象，最终在成巷35天后巷道变形量稳定不变；2#测站成巷35天后围岩位移基本稳定；最终1#、2#测站处两帮移近量最大分别为306 mm、360 mm，相对于原支护方案的1.8 m减小了约80%，顶底板移近量最大分别为261 mm、265 mm，相对于原支护方案减小约65%，总体来说，24102运输巷围岩位移量较小，围岩变形破坏得到有效控制，能够满足为24102工作面服务的要求。

图5 24102运输巷围岩位移观测结果图

5 结 论

潞宁煤业24102运输巷掘进初期围岩出现位移过大的现象，通过现场监测及理论分析得知，主要原因包括围岩应力过大、软弱煤层坚硬顶板结构、回采动压影响及支护方案不合理，结合“携顶底，控两帮”的支护思想，提高整体支护的预紧力，两帮增加锚索提高支护强度，现场应用后通过围岩位移监测表明，采用优化的支护方案后，24102运输巷两帮移近量最大为360 mm，相对于原支护方案的1.8 m减小了约80%，顶底板移近量最大分别为261 mm、265 mm，相对于原支护方案减小约65%，围岩的位移量显著的减小，取得了良好的支护效果。