米 高
(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司,山西 晉城 048000)
隨著多年大規(guī)模的開采,賦存條件較好的煤炭資源已日益枯竭,賦存條件較差、埋藏較深的煤炭資源則逐漸成為了我國許多礦井主要的回采對象[1]。有時巷道難免會布置在斷層破碎帶等復雜地質構造帶中[2],特別是在埋深較大的情況下,巷道所受的地應力顯著增高,圍巖穩(wěn)定性難以得到有效控制,給巷道的支護帶來了極大挑戰(zhàn)[3],因此,復雜地質條件下的巷道支護成為了諸多學者的研究焦點[4]。
玉溪煤礦一采區(qū)回風大巷在掘進過程中揭露一大斷層,受該斷層影響巷道圍巖變形破壞嚴重,經(jīng)歷了多次返修,安全得不到有效保障,影響著該礦采掘活動的正常交替。因此查明巷道破壞原因,并對原支護方案進行相應優(yōu)化,已成為了當前該礦急需解決的任務。
玉溪煤礦一采區(qū)南側為高沁高速(距工作面360 m),東南側為東嶺村(距工作面140 m),東西兩側及北側均為山區(qū),無地面建筑。該采區(qū)內的斷層構造主要受區(qū)域斷裂控制,次級斷層發(fā)育,成為井田內主要構造。目前正在對該采區(qū)的3 號煤層進行回采,該煤層位于太原組底部,埋深550 m,平均厚度為4.5 m,賦存穩(wěn)定,結構簡單。為了保證采掘的正常交替,目前一采區(qū)正在掘進一條回風大巷,凈寬5 m,凈高為4.5 m,沿煤層頂板掘進,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。頂板每排布置4 根Ф20 mm×2300 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距為1000 mm×1000 mm;頂錨索每排布置3 根,型號Ф17.8 mm×6300 mm,間排距2000 mm×1000 mm;幫部每排布置4 根錨桿,型號、間排距同頂板一致。在支護過程中,錨桿所施加的預緊力為50 kN,錨索所施加的預緊力為120 kN。巷道斷面支護圖如圖1 所示。
圖1 巷道斷面支護圖
回風大巷在掘進過程中揭露多條斷層,特別是揭露至FJ8 斷層時巷道出現(xiàn)了嚴重的破壞。鑒于布置于該斷層中的巷道較長,急需探明巷道的破壞原因并對原支護方案進行相應優(yōu)化。
地質資料顯示FJ8 斷層走向NW,傾向南西,斷層傾角70°~80°,井田南部斷距30~40 m,向北斷距變大到70 m,為正斷層,井田內延伸約2100 m。布置于該斷層中的回風大巷長度達到了264 m,當揭露至該斷層時回風大巷在原支護方式下出現(xiàn)了一定程度的破壞,主要破壞特征如下:
(1)巷道頂板下沉明顯,主要集中于頂板中部,局部地區(qū)的金屬網(wǎng)被撕裂,頂板多根錨桿、錨索被剪斷,同時伴有一定的淋水現(xiàn)象。
(2)兩幫圍巖屬性變化較大,并夾有較薄的煤層,局部地區(qū)圍巖強度較低,片幫嚴重。
(3)巷道底板中部存在著一定程度的底鼓現(xiàn)象,局部區(qū)域圍巖受淋水現(xiàn)象軟化嚴重。
巷道頂?shù)装鍑鷰r的賦存情況以及各巖層的物理力學參數(shù)、礦物組分對于巷道圍巖穩(wěn)定性具有直接影響。為了對其進行詳細了解,在布置于FJ8 斷層中的巷道頂?shù)装暹x取合適的位置布置取芯鉆孔,并將所取巖芯密封后帶回實驗室對其物理力學參數(shù)進行了測試,將測試結果統(tǒng)計于表1。
由表1 可知,直接頂分別為泥巖和細粒砂巖,厚度分別為2.5 m 和3.8 m。泥巖抗壓強度較低,僅為18.54 MPa,細粒砂巖的強度為23.87 MPa。在測試過程中發(fā)現(xiàn)直接頂巖層裂隙較為發(fā)育,其中微小裂隙較多,局部地區(qū)裂隙張開度較大?;卷攷r層則為粗粒砂巖和粉砂巖,其中粉砂巖強度較高,圍巖完整性較好。巷道幫部圍巖具有較強的突變性且含有一層薄煤層,經(jīng)測試該煤層強度較低,且松散易破碎。巷道的直接底為泥巖,抗壓強度僅有17.34 MPa,基本底則為粉砂巖,強度明顯提高。
表1 一采區(qū)回風大巷頂?shù)装鍑鷰r物理力學參數(shù)統(tǒng)計表
由于布置于斷層中的回風大巷出現(xiàn)了一定程度的淋水現(xiàn)象,頂板圍巖的礦物組分決定了頂板圍巖的吸水性強弱,進而影響該巷頂板的整體穩(wěn)定性。故研究頂板圍巖的礦物組分對于巷道支護方案的優(yōu)化具有重要意義。通過多功能x 射線衍射儀對頂板較淺部所取得的巖芯的礦物組分進行了測試,測試結果如表2 所示。
表2 頂板圍巖礦物組分測試結果
由表2 可知,頂板圍巖中含有較多的伊利石、斜長石以及石英,含量分別達到了24%、21%和20.1%,蒙脫石和高嶺石含量相對較少,分別為13%和10.2%。其中斜長石、伊利石、蒙脫石均吸水易軟化,而高嶺石則吸水易水解。在上述吸水性礦物的影響下,頂板圍巖的支護難度急劇增加。
在斷層的影響下,巷道圍巖的原巖應力分布狀態(tài)必然會發(fā)生改變,而在實際生產中,布置于斷層中的巷道頂板多根錨桿、錨索出現(xiàn)了剪斷的現(xiàn)象,因此探究原巖應力的分布狀況對于巷道的支護方案優(yōu)化具有重要意義。在巷道中共布置了4 個測站,使用水壓致裂法對其頂板的原巖應力分布狀況進行了測試,測試結果如表3 所示。
表3 地應力測試結果
由表3 可知,四個測站頂板所受的最大水平應力分別為 19 MPa、18.7 MPa、19.5 MPa 和 21.3 MPa,所對應的側壓系數(shù)分別達到了1.38、1.32、1.42和1.46。布置于斷層中的巷道受水平構造應力明顯,若錨桿、錨索強度較低,則極易發(fā)生剪切破壞。
(1)巷道頂板較淺部圍巖以泥巖、細粒砂巖為主,強度偏低,裂隙發(fā)育,且含有較多的吸水性礦物,而巷道頂板存在著少量的淋水現(xiàn)象,加速了圍巖的軟化,給巷道的支護帶來不利影響。
(2)巷道圍巖頂板受水平構造應力明顯,而所使用的錨桿、錨索強度偏低,易受剪切而發(fā)生破壞,不能對頂板形成有效支護。
(3)巷道幫部圍巖突變性較強,不同巖層之間粘聚力較低,同時錨桿(索)對幫部圍巖的支護強度較弱,在上覆巖層的重力影響下易發(fā)生片幫。
(4)巷道底板為泥巖且沒有進行任何支護,在上覆巖層重力以及水平構造應力的影響下出現(xiàn)了一定程度底鼓,加速了巷道整體的失穩(wěn)。
(5)鄰近工作面的回采對該巷圍巖的穩(wěn)定性同樣造成了一定影響。
(1)在原方案的支護基礎上將錨桿改為注漿錨桿,長度加長至3000 mm,直徑加粗至28 mm,排距縮減至900 mm。注漿材料選用P52.5 硫鋁酸鹽高強速凝水泥,水灰比0.6~0.8,注漿壓力2.5 MPa,封口距離長約450 mm。
(2)頂板每排錨索增加至5 根,間排距調整為1000 mm×900 mm,長度加長至7000 mm,直徑加粗至22.6 mm。幫部錨桿在原方案的基礎上,長度加長至3000 mm,直徑加粗至22 mm,排距縮減至900 mm。
(3)底板每排布置四根Ф22 mm×3000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距1000 mm×900 mm。
(4)在支護過程中錨桿所施加的預緊力統(tǒng)一增加至70 kN,錨索預緊力統(tǒng)一增加至175 kN。
優(yōu)化后的巷道斷面支護如圖2 所示。
圖2 優(yōu)化后巷道斷面支護圖
(1)支護方案優(yōu)化后對巷道圍巖變形進行了為期1 個月的現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測期間頂?shù)装迨諗苛績H為65 mm,兩幫移近量僅為74 mm,與原支護方案相比分別減少了86.7%和89.3%,巷道圍巖變形得到了有效控制。
(2)布置于斷層中的回風大巷頂板存在少量的淋水現(xiàn)象,且圍巖淺部強度偏低,含有較多的吸水性礦物,在有淋水的情況下易吸水軟化。同時該巷受斷層影響,水平構造應力顯現(xiàn)。針對巷道破壞原因,對原支護方案進行了相應優(yōu)化,滿足礦井的正常安全生產。