王衛(wèi)衛(wèi)

(山西長平煤業(yè)有限責任公司,山西 晉城 048000)

煤礦巷道是運輸、行人和通風的通道,巷道頂板安全直接影響煤礦各主要系統(tǒng)的平穩(wěn)運行,關系整個礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。我國不同礦區(qū)煤礦地質條件差異很大,相關專家結合具體的地質條件,采用理論、數(shù)值模擬、實測等方法研究了相應的巷道圍巖控制技術,形成了大量的研究成果,如卓軍[4]等人系統(tǒng)地研究了急傾斜煤層巷道圍巖穩(wěn)定性控制等問題,提出了隨煤層厚度變化動態(tài)調(diào)整巷道斷面尺寸、異形斷面不等強錨網(wǎng)索噴耦合支護、關鍵部位補強加固組成的不等強耦合動態(tài)支護技術方案;孫利輝[5]等人以云駕嶺煤礦1213工作面回風巷受動壓擾動巷幫大變形問題為例,分析巷幫強烈變形破壞特征,研究巷幫滑移變形機理,提出巷幫錨注加固技術;劉新民和謝建厚[6]利用FLAC2D模擬及現(xiàn)場實測,分析了鄰近松軟煤層巷道在上工作面?zhèn)认驓堄嘀С袎毫ψ饔孟碌膰鷰r變形規(guī)律,提出了U型鋼支架+全長自攻錨桿補強技術;馬振乾[7]等人采用數(shù)值計算方法研究了急傾斜煤層巷道圍巖應力和位移分布特征,提出以錨、帶、網(wǎng)、索主動支護為基礎,配合高強度拱形梁的綜合控制技術;鄭建彬[8]等人利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗,圍繞疊加支承壓力作用下松軟破碎煤層巷道的圍巖變形規(guī)律,提出強預緊力全長自攻錨桿+幫部結構補強支護技術。但是,由于我國煤礦地質條件的復雜性,圍巖控制技術還需結合具體地質情況進行研究實踐,長平礦井煤層松軟破碎,地質構造發(fā)育,回采巷道斷面大、巷幫高,且巷道頂板為易風化變形破碎的泥巖,巷道圍巖控制難度大,特別是構造影響區(qū)圍巖變形更加距離,因此,開展松軟煤層泥巖頂板大斷面回采巷道圍巖控制技術,對于長平礦井及晉城礦區(qū)具有借鑒意義,也可以為同類礦井提供參考。

1 概述

長平礦主采3#煤層,煤層強度低,節(jié)理、裂隙發(fā)育,平均厚度為5.75 m。5302工作面為五盤區(qū)首采工作面(見圖1),53023巷為5302工作面輔助運輸巷,巷道斷面為5.6 m×4.3 m;53022巷為5302工作面回風巷,巷道斷面為5.6 m×4.3 m。53022、53023巷為雙巷平行同掘,沿煤層頂板掘進,受泮南溝向斜影響,巷道整體南北高中部低,巷道相對高差為148 m,巷道埋深在592 m～740 m。根據(jù)三維地震資料分析,以下巷道掘進過程中可能受構造影響:53022巷可能受DX70、DX72陷落柱影響,53023巷可能受DX70、DX72陷落柱影響;巷道掘進過程中局部頂板節(jié)理發(fā)育,煤體疏松破碎。煤層直接頂板為泥巖,厚度3.30 m,黑色,薄層狀,水平裂隙發(fā)育,層面上見云母及植物化石碎片;老頂為粉砂巖,厚度約4.40 m,灰黑色,薄層狀,波狀層理,層理面見云母碎片,與灰色薄層細砂粒巖互層;直接底為泥巖,厚度0.67 m,黑色,薄層狀,水平裂隙發(fā)育,層面上見云母及植物化石碎片;老底為粉砂巖,厚度2.09 m,灰黑色,薄層狀,波狀層理,層理面見云母碎片,與灰色薄層細砂粒巖互層。

圖1 工作面布置示意圖Fig.1 Layout of working face

2 巷道圍巖結構及變形分析

2.1 巷道圍巖結構

長平礦所采3#煤層厚度平均5.75 m,53022和53023巷巷高為4.3 m,巷道沿頂掘進,巷道頂板為泥巖,平均厚3.3 m;兩幫為煤幫，底板為煤底,平均厚1.45 m。由于巷道埋深在600 m以上,垂直應力達到15 MPa,加之長平礦3#煤疏松破碎,五盤區(qū)地質構造發(fā)育,巷道整體受泮南溝向斜影響,巷道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,煤體及頂板圍巖整體性較差。在構造影響巷道圍巖變形嚴重區(qū)的頂板及兩幫,進行圍巖結構鉆孔窺視,見圖2。

由圖2-a可知:頂板以上0～2.8 m為泥巖,巖層呈灰黑色,泥質膠結,該段巖層存在多處橫向裂隙,完整性較差;2.8 m～10.0 m為細粒砂巖,巖層呈淺灰色,泥鈣質膠結,其中3.7 m、5.5 m、6.6 m、7.0 m有明顯橫向裂隙,7.5 m～10.0 m巖層破碎嚴重,完整性差;10.0 m以上為砂質泥巖與粉砂巖互層,呈深灰色與灰色交替狀,泥鈣質膠結,多處存在明顯橫向裂隙,完整性差。由圖2-b可見巷幫鉆孔沿軸向0～4.0 m煤體完整性相對較差,其中0.3 m存在明顯橫向裂隙,1.2 m～1.9 m存在明顯豎向裂隙,1.2 m～4.0 m煤體完整性較好,4.0 m～7.2 m煤體破碎嚴重,7.2 m后塌孔,無法繼續(xù)進行窺視。

2.2 巷道變形分析

由地應力測試可知,巷道所在區(qū)域最大水平應力達到16.41 MPa,垂直應力為17.39 MPa,加之53022和53023巷同時掘進,兩巷之間必然受到相互掘進動壓影響,且巷道整體受泮南溝向斜影響,使得巷道處于復雜應力環(huán)境。根據(jù)圍巖結構觀測,53022和53023巷圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,礦井井下環(huán)境潮濕,泥巖頂板極易風化膨脹,加大了巷道圍巖的變形;且由于圍巖裂隙發(fā)育,圍巖結構遭到破壞,使得圍巖自身強度低,整體性差,承載能力弱,導致巷道錨桿支護效果不能充分發(fā)揮,主動支護作用不明顯,圍巖控制效果不理想。

圖2 巷道圍巖結構窺視圖Fig.2 Structural diagrams of roadway surrounding rocks

3 圍巖控制技術方案

3.1 圍巖支護

巷道采用高強度錨桿樹脂加長錨固錨桿組合支護系統(tǒng),并使用錨索進行補強,具體見圖3。

1)正常區(qū)域。①頂板支護:錨桿規(guī)格為MSGLW-500/22×2 400,每排6根單體錨桿,垂直于頂板施工,間排距為1 000 mm×1 000 mm,角錨桿最大角度偏差不超過10°,采用兩支錨固劑加長錨固,設計預緊力矩不低于400 N·m,設計錨固力不低于150 kN;采用配套的150 mm×150 mm×10 mm的高強度球型托盤和400 mm×280 mm×4 mm W鋼護板;采用JW10/35×35-1.2×6.0型金屬網(wǎng)護表。錨索規(guī)格為SKP22×1/1 720×6 300,53023巷為“2-2”布置,垂直于頂板施工,排距1 000 mm,間距2 000 mm,距離巷幫1 800 mm;53022巷為“3-3”布置,垂直于頂板施工,排距1 000 mm,間距1 800 mm,距巷幫1 000 mm;錨索張拉到350 kN,預緊力損失后不小于250 kN,采用三只錨固劑的樹脂加長錨固;采用配套300 mm×300 mm×16 mm高強球型托盤。②巷幫支護:巷幫錨桿間排距為900 mm×1 000 mm,為每排每幫4根,頂、底部錨桿分別距頂、底板距離都為300 mm,均垂直于巷幫施工;其余參數(shù)與頂板錨桿支護參數(shù)基本一致。巷幫錨索型號為SKP22×1/1 720×5 300,僅在煤柱側布置錨索,為“1-1-1”布置,排距為1 000 mm,垂直巷幫施工,距離頂板800 mm,施工與兩排錨桿之間,預緊力損失后不小于150 kN，其余參數(shù)同頂板。

3-a 53023巷斷面圖

3-b 53023巷頂板支護圖

3-c 53023巷幫支護圖

3-d 53022巷頂板支護圖圖3 巷道支護示意圖Fig.3 Roadway supporting diagrams

2)特殊區(qū)域。當圍巖破碎、壓力增大或巷道處于構造帶時,為加強頂板管理,可將施工排距縮小為800 mm,并加密錨桿、錨索,確保頂板穩(wěn)定可靠。

3.2 注漿加固

由于巷道圍巖裂隙發(fā)育,整體性差,為增強巷道支護效果,在巷道掘進施工過程中,需觀測巷道圍巖變形情況,對錨桿(索)支護預緊力進行反饋,并在施工錨索孔過程中,及時掌握巷道圍巖裂隙情況,在錨桿預緊力不達標、巷道變形增大、裂隙發(fā)育、構造影響區(qū)需及時采取注漿加固措施,對巷道圍巖裂隙進行充填,提高巷道圍巖整體性,保證錨桿(索)支護效果,控制巷道圍巖變形。

巷幫注漿加固鉆孔采用深淺孔布置,淺孔分上下兩排,三花布置,上排鉆孔距頂板1 000 mm,下排鉆孔距頂板2 500 mm,間距為4 000 mm,孔深4 m;深孔與淺孔交錯布置,也分上下兩排,三花布置,上排鉆孔距頂板1 000 mm,下排鉆孔距頂板2 500 mm,間距為4 000 mm,孔深8 m;上排鉆孔仰角均為10°,下排鉆孔水平布置,鉆孔孔徑為42 mm。鉆孔布置參數(shù)見圖4。注漿施工時先施工淺孔并進行注漿,再施工深孔并注漿,原則上淺孔注漿壓力不小于3 MPa,深孔注漿壓力不小于6 MPa;淺孔注漿時采用低壓低流緩慢注漿工藝,以便形成巷幫淺部完整止?jié){層,當漏漿嚴重時,應適當降低注漿壓力。注漿采用52.5級硅酸鹽水泥及水玻璃混合注漿加固,先按水:水泥為1:0.6～1:1的比例將清水加入拌料桶內(nèi),再按比例加入水泥,水泥要用粗篩去除雜質,混合攪拌均勻,然后開始注漿。水泥漿和水玻璃的體積比1:0.4～1:1。

圖4 巷幫注漿鉆孔布置圖Fig.4 Grouting boreholes layout

4 效果分析

4.1 裂隙充填

采用鉆孔窺視的方法對注漿加固后漿液充填裂隙情況進行觀察。從窺視孔內(nèi)可以看到明顯的水泥漿液痕跡,痕跡順著孔內(nèi)的裂隙不規(guī)則分布,淺部裂隙比較發(fā)育,發(fā)現(xiàn)漿液較多,越往深部發(fā)現(xiàn)漿液越少;煤幫內(nèi)的裂隙全部充填粘結，由漿液顏色可以看出,漿液凝固、硬化情況良好。

4.2 圍巖變形

為了分析巷道圍巖控制效果,采用十字測點法對巷道圍巖表面位移進行觀測,見圖5。通過觀測分析可知,兩條巷道表面圍巖變形在距離掘進工作面50 m左右開始趨于穩(wěn)定;53023巷兩幫最大移近量為68 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?2 mm,53022巷兩幫最大移近量為91 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?8 mm;巷道掘進期間主要以兩幫變形為主,頂?shù)装遄冃屋^小,這與兩幫煤體較為軟弱有關;總體來看,巷道變形量較小,能夠滿足巷道的正常使用。

5-a 53023巷

5-b 53022巷圖5 巷道圍巖表面位移圖Fig.5 Surface displacement of roadway surrounding rocks

5 結論

1)地質構造影響,巷道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,圍巖整體性差,錨桿支護效果不能充分發(fā)揮,巷道圍巖承載能力未能充分調(diào)動,加之地應力和掘進應力影響,巷道應力環(huán)境復雜,是造成松軟煤層回采巷道圍巖控制難度大的主要原因。

2)采用高預緊力強力錨桿(索)支護,及時掌握巷道圍巖裂隙情況,在錨桿預緊力不達標、巷道變形增大、裂隙發(fā)育、構造影響區(qū)需及時采取注漿加固措施,工作注漿加固改善圍巖結構,提高圍巖整體性,充分錨桿(索)支護作用,從而提高圍巖承載能力,可以達到控制巷道圍巖變形的目的。

3)通過現(xiàn)場試驗表明:煤幫內(nèi)的裂隙全部充填粘結,漿液凝固、硬化情況良好;巷道表面圍巖變形在距離掘進工作面50 m左右開始趨于穩(wěn)定;兩幫最大移近量為91 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?8 mm;巷道掘進期間主要以兩幫變形為主,頂?shù)装遄冃屋^小。