樊寶柱

(山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司)

巷道掘進(jìn)期間破壞原煤巖體應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致煤巖體應(yīng)力重新分配，到巷道掘進(jìn)過斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時，巷道在集中應(yīng)力作用下巷道圍巖出現(xiàn)機(jī)理性變形，主要表現(xiàn)在頂板、兩幫破碎，底板鼓起，兩幫收縮等[1-3]，不僅影響著巷道掘進(jìn)成型率，而且威脅著巷道安全掘進(jìn)；破碎圍巖巷道傳統(tǒng)主要采用施工密集錨桿、錨索或組合錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，但是盲目性相對較大，對破碎圍巖控制效果差；所以對于不穩(wěn)定圍巖巷道必須合理分析圍巖破壞機(jī)理，然后根據(jù)實際生產(chǎn)情況采取合理有效的支護(hù)技術(shù)。以萬安煤礦1102回風(fēng)順槽為例，分析了巷道掘進(jìn)期間頂板破碎、兩幫變形原因，并制定了相應(yīng)的圍巖控制措施，力求保證巷道安全快速掘進(jìn)。

1 概 述

山西陸合集團(tuán)萬安煤業(yè)有限公司1102回風(fēng)順槽位于井田一水平，1102回風(fēng)順槽布置在回風(fēng)大巷北側(cè)。西部是布置的1102運輸順槽，北部、東部均為實體煤巖；南部與回風(fēng)大巷、軌道大巷、運輸大巷相連。主要用于1102回風(fēng)順槽運煤、通風(fēng)、行人、安全出口等系統(tǒng)。

1102回風(fēng)順槽設(shè)計長度為1 131 m，巷道為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=4.4 m×2.7 m，巷道掘進(jìn)煤層為2#煤層，平均厚度為2.5 m，1102回風(fēng)順槽沿煤層頂板起底掘進(jìn)，煤層油脂光澤、為均一狀或線理妝結(jié)構(gòu)，主要組分為暗煤，不含夾矸的穩(wěn)定煤層。頂板為泥巖、泥質(zhì)頁巖，底板為泥巖；煤層傾角及走向變化不大,傾角一般在0～-17°，為簡單的單斜構(gòu)造。1102回風(fēng)順槽主要采用全斷面光面爆破施工工藝，截止目前巷道已掘進(jìn)460 m。

根據(jù)萬安煤礦地測科提供的資料顯示，1102回風(fēng)順槽掘進(jìn)至466 m處揭露1條斜交正斷層F3，斷層落差為1.8 m，平均傾角為54°；同時在巷道470～513 m段北側(cè)37 m處存在1條X2陷落柱，陷落柱長軸長為43 m且與巷道掘進(jìn)方向近似平行，短軸長為19 m，成橢圓狀；受斷層、陷落柱影響，巷道掘進(jìn)至455 m處頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，隨著巷道掘進(jìn)延伸當(dāng)巷道掘進(jìn)至460 m處時頂板大面積出現(xiàn)破碎，并伴隨著局部冒落現(xiàn)象，頂板下沉量達(dá)0.44 m，兩幫移進(jìn)量達(dá)0.76 m，且位于陷落柱側(cè)巷幫片幫嚴(yán)重，最大片幫深度為1.2 m，巷幫維護(hù)難度大。

2 1102回風(fēng)順槽圍巖變形機(jī)理

通過對1102回風(fēng)順槽圍巖破碎進(jìn)行現(xiàn)場觀察分析，結(jié)合掘進(jìn)煤層賦存以及掘進(jìn)工藝，巷道變形機(jī)理主要包括以下幾方面。

2.1 集中應(yīng)力破壞作用

1102回風(fēng)順槽在掘進(jìn)期間主要受巷道開挖應(yīng)力，斷層應(yīng)力、陷落柱傳遞應(yīng)力等集中應(yīng)力影響，其中巷道掘進(jìn)應(yīng)力為固有應(yīng)力，在打破巷道圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)下，巖體內(nèi)原有的應(yīng)力重新分配達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，但是在斷層、陷落柱等構(gòu)造作用下，構(gòu)造集中應(yīng)力對巷道圍巖破壞性相對明顯。

(1)受斷層影響，破壞巷道煤巖體連續(xù)穩(wěn)定性，且在斷層帶處產(chǎn)生卸壓裂隙，當(dāng)巷道掘進(jìn)過斷層前后時集中應(yīng)力在斷層帶處進(jìn)行卸壓作用，造成斷層帶附近煤巖體產(chǎn)生不同方向的垂直于煤巖體的剪切應(yīng)力，并對煤巖體產(chǎn)生破壞作用，從而形成應(yīng)力區(qū)圍巖“松動圈”[4-5]，導(dǎo)致煤巖體破碎現(xiàn)象，在“松動圈”內(nèi)支護(hù)效果差，支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重。

(2)由于陷落柱侵入破壞了煤巖體結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)，陷落柱附近煤巖體穩(wěn)定性較差，當(dāng)巷道在陷落柱附近掘進(jìn)時，位于陷落柱側(cè)巷幫及頂板巖體受到水平拉伸破壞作用，導(dǎo)致巷幫出現(xiàn)片幫，巷幫與頂板之間肩角煤柱垮落等現(xiàn)象，影響著巷道成型效率。

2.2 圍巖穩(wěn)定性差

(1)1102回風(fēng)順槽頂板存在偽頂，厚度為0.72 m，主要以泥巖為主，偽頂極不穩(wěn)定，隨掘隨落；直接頂主要以細(xì)砂巖、泥巖混合巖層為主，平均厚度為2.1 m，該巖體成互層結(jié)構(gòu)，巖體間膠結(jié)性差，巖體單軸抗壓強(qiáng)度不足25 MPa，在應(yīng)力破壞作用下，頂板無法起到預(yù)期承載支撐作用，巖體擠壓斷裂破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致頂板巖體破碎現(xiàn)象。

(2)1102回風(fēng)順槽兩幫為實體煤，底板為泥巖，泥巖單軸抗壓強(qiáng)度為20 MPa，煤體支撐強(qiáng)度低，巷幫煤體在X2陷落柱殘余應(yīng)力拉伸破壞作用下煤體出現(xiàn)受壓破壞現(xiàn)象，當(dāng)拉伸作用力在煤體承受范圍內(nèi)，巷幫煤體主要表現(xiàn)在兩幫收縮現(xiàn)象，特別在兩幫中部收縮量最大，當(dāng)拉伸作用力超過煤體承受范圍內(nèi)，會造成巷幫產(chǎn)生剝離破壞作用，導(dǎo)致巷幫片幫。

2.3 掘進(jìn)工藝影響

(1)1102回風(fēng)順槽主要采用全斷面光面爆破施工工藝，采用礦用3#乳化炸藥以及毫秒延期電雷管進(jìn)行爆破；巷道掘進(jìn)期間每一斷面內(nèi)布置42個爆破鉆孔，其中掏槽孔4個，深度為1.6 m，單孔裝藥量為0.9 kg，周邊眼12個，深度為1.4 m，單孔裝藥量為0.6 kg，幫眼共計26個，深度為1.4 m，單孔裝藥量為0.6 kg，整個斷面一次性爆破共計裝藥量為26.4 kg。

(2)由于巷道單茬爆破裝藥量大，巷道采用一次性爆破時對巷道圍巖產(chǎn)生震動破壞作用，伴隨著巷道圍巖裂隙高度發(fā)育，爆破后形成的裂隙帶在應(yīng)力作用下相互貫通，破壞了原煤巖體整體穩(wěn)定性，出現(xiàn)圍巖破碎現(xiàn)象。

2.4 支護(hù)不合理

(1)原巷道頂板及巷幫主要采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿(索)主要起到懸吊、組合拱作用，而巷道頂板在應(yīng)力作用下，頂板煤巖體產(chǎn)生圍巖松動圈，通過低破碎頂板施工鉆孔采用“煤屑量”法檢測發(fā)現(xiàn)，松動圈深度在1.8～2.5 m，頂板錨桿在松動圈內(nèi)支護(hù)錨固效果差，錨桿預(yù)緊力、錨固力達(dá)不到設(shè)計要求。

(2)原頂板支護(hù)屬于主動支護(hù)，當(dāng)頂板出現(xiàn)離層、下沉現(xiàn)象時，主動支護(hù)效果降低，同時原頂板支護(hù)只是對頂板圍巖破碎現(xiàn)象進(jìn)行控制作用，無法消除頂板垂直應(yīng)力破壞作用，導(dǎo)致支護(hù)體支護(hù)性能差，支護(hù)后頂板下沉現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 應(yīng)力區(qū)巷道圍巖聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

通過對1102回風(fēng)順槽圍巖破碎機(jī)理進(jìn)行合理分析，為了進(jìn)一步提高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性，決定對巷道頂板及巷幫采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

3.1 頂板聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

3.1.1 深孔注漿加固

通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，1102回風(fēng)順槽在應(yīng)力區(qū)處位于陷落柱側(cè)頂板,下沉嚴(yán)重，肩角煤柱垮落破碎切巷幫片幫嚴(yán)重，所以決定對該區(qū)域采取深孔注漿加固。

(1)應(yīng)力區(qū)巷道位于陷落柱側(cè)頂板每排布置3個注漿鉆孔(1#、2#、3#)，鉆孔間距為1.0 m，鉆孔深度為5.0 m，直徑為45 mm，鉆孔與頂板以75°仰角布置，其中1#鉆孔布置在頂板與巷幫肩角處，且與巷幫夾角為60°。

(2)位于陷落柱側(cè)幫部布置2個注漿鉆孔(4#、5#)，鉆孔間距為1.2 m，深度為5.0 m處，直徑為45 mm，第一個注漿鉆孔布置在距頂板0.5 m，鉆孔垂直巷幫煤壁布置。

(3)注漿鉆孔排距為3.0 m，所有注漿鉆孔施工完后，采用專用注漿泵依次對鉆孔進(jìn)行注漿施工，注漿液采用聚氨酯粘合劑，該注漿材料具有滲透力強(qiáng)、粘接效果好、粘接時間短等優(yōu)點，注漿壓力控制在1.5 MPa左右。

3.1.2 桁架錨索支護(hù)

為了削弱集中應(yīng)力對頂板垂直破壞作用，決定對1102回風(fēng)順槽應(yīng)力區(qū)頂板施工桁架錨索支護(hù)。

(1)桁架錨索支護(hù)原理。通過在2根斜角錨索之間安裝拉桿，并給予一定的水平拉力Fz，在水平拉力Fz的作用下2根斜角錨索深入巖體段對鉆孔壁巖體產(chǎn)生垂直分力F1、F2，2個分力垂直頂板向上，從而對垂直向下的集中應(yīng)力起到削弱作用；在實際施工過程中，根據(jù)頂板應(yīng)力大小可適當(dāng)調(diào)整斜角錨索施工角度，從而達(dá)到預(yù)期支護(hù)作用，如圖1所示。

圖1 1102回風(fēng)順槽桁架錨索支護(hù)原理平面

(2)施工工藝。1102回風(fēng)順槽從460 m處開始施工桁架錨索支護(hù)，支護(hù)間距為3.0 m;①首先在巷道頂板施工2根斜角錨索，錨索長度為5.0 m，直徑為21.8 mm，錨索施工間距為3.0 m，2根錨索與頂板以70°夾角布置，桁架錨索排距為2.0 m,如圖1所示；②斜角錨索施工完后，在2根錨索外露端分別安裝1根圓桿托架，托架長度為1.8 m，直徑為25 mm，在托架上每隔0.5 m焊接1塊長度為0.5 m，寬度為0.3 m鋼板，安裝時鋼板與頂板接觸嚴(yán)實；③圓鋼托架安裝后，在2根圓鋼托架端頭安裝1個雙向張拉器，并對托架進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于200 N·m。

3.1.3 架設(shè)梯形雙梁鋼棚

為了進(jìn)一步提高頂板穩(wěn)定性，實現(xiàn)頂板主、被動聯(lián)合支護(hù)，同時解決傳統(tǒng)錨索吊棚對頂板產(chǎn)生切頂破壞作用等技術(shù)難題，決定在應(yīng)力區(qū)頂板架設(shè)梯形雙梁鋼棚。

(1)1102回風(fēng)順槽應(yīng)力區(qū)巷道頂板架設(shè)的梯形雙梁鋼棚主要由梯形梁、棚腿、底座、卡纜、拉桿等部分組成；其中梯形梁長度為4.2 m，寬度為0.5 m，每根梯形梁主要由兩根長度為4.2 m槽鋼以及3根長度為0.5 m槽鋼焊接而成；棚腿主要為11#工字鋼梁，鋼梁長度2.7 m，具體如圖2所示。

圖2 1102回風(fēng)順槽高應(yīng)力圍巖聯(lián)合支護(hù)斷面(單位：mm)

(2)首先在巷道兩幫底板處安裝棚腿底座，底座應(yīng)安裝在堅硬、平整底板上，底座與底板之間采用4根地錨進(jìn)行固定，同一架鋼棚2個底座安裝后必須保證底座中心線與巷道中線垂直。

(3)底座安裝將2根棚腿與底座對接安裝，并采用固定錨桿與巷幫進(jìn)行固定，棚腿固定后采用卡纜將梯形頂梁與棚腿件固定，鋼棚架設(shè)安裝后必須保證鋼棚頂梁與頂板接觸嚴(yán)實，若頂板不平整，可采用木楔將頂梁與頂板背牢。

(4)梯形雙梁鋼棚架設(shè)間距為1.5 m，為了防止倒架事故發(fā)生，所有鋼棚架設(shè)完成后在相鄰2架鋼棚棚腿之間分別采用2組拉桿進(jìn)行連接固定，起到聯(lián)鎖保護(hù)作用。

3.2 巷幫聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

為了進(jìn)一步提高陷落柱側(cè)巷幫煤柱支撐作用力，防止陷落柱應(yīng)力對巷幫產(chǎn)生張拉破壞作用，決定對陷落柱側(cè)巷幫采取“T型鋼棚+柔模澆筑”聯(lián)合支護(hù)。

3.2.1 架設(shè)T型鋼棚

(1)架設(shè)鋼棚前首先陷落柱側(cè)巷幫進(jìn)行擴(kuò)幫處理，擴(kuò)幫高度為2.7 m，擴(kuò)幫深度為1.0 m，擴(kuò)幫時采用松動爆破施工工藝，擴(kuò)幫后對擴(kuò)幫處及時補(bǔ)打護(hù)幫。

(2)1102回風(fēng)順槽采用的T型鋼棚主要由頂梁、棚腿、底座等部分組成，頂梁主要為18#槽鋼，長度為0.6 m；棚腿由11#槽鋼焊制而成，長度為2.7 m，棚腿頂端焊制1個長度為0.3 m，寬度為0.15 m固定板；底座長度及寬度為0.3 m。

(3)巷道掘進(jìn)至465 m處時對陷落柱側(cè)巷幫架設(shè)T型鋼棚，鋼棚滯后工作面5.0 m架設(shè)；首先對巷幫煤柱底板進(jìn)行起底施工，起底寬度為0.3 m，深度為0.2 m，起底后對起底處進(jìn)行澆筑整平，澆筑面必須與原巷道底板平整。

(4)底板澆筑整平后在澆筑面上安裝鋼棚底座，底座與底板采用底煤進(jìn)行固定，底座安裝后采用4根螺栓將棚腿與底座固定，棚腿與頂梁之間采用U型卡進(jìn)行固定，T型棚架設(shè)間距為1.5 m；T型鋼棚架設(shè)完成后保證頂梁與巷道走向平行布置且與頂板接觸嚴(yán)實，T型棚與巷幫煤柱預(yù)留間隙為0.2 m，如圖2所示。

3.2.2 柔模澆筑支護(hù)

為了實現(xiàn)T型鋼棚與巷幫煤柱完全耦合作用，T型鋼棚支設(shè)完成后對鋼棚與煤柱之間采用柔模澆筑支護(hù)。

(1)每5架T型鋼棚之間進(jìn)行一次柔模澆筑施工，首先在鋼棚之間采用木板進(jìn)行支盒施工，木板長度為5.0 m，寬度為0.3 m，支盒高度為2.7 m，在盒板與巷幫之間施工2排串拉錨桿進(jìn)行固定，錨桿間排距為1.0 m，如圖2所示。

(2)當(dāng)支盒高度達(dá)1.0 m時采用泥漿泵對盒體內(nèi)進(jìn)行混凝土澆筑施工，混凝土采用配比水泥∶砂子∶石子=1∶2∶2，澆筑期間采用震動泵進(jìn)行振動確保澆筑到位，澆筑到位后再進(jìn)行支盒施工，直至澆筑體與巷道頂板接觸嚴(yán)實。

4 結(jié) 語

截止2019年11月21日巷道1102回風(fēng)順槽已掘進(jìn)到位，通過對巷道應(yīng)力區(qū)圍巖進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)后，并進(jìn)行3個月圍巖變形觀察發(fā)現(xiàn)：

(1)對巷道應(yīng)力區(qū)頂板采取“深孔注漿加固+桁架錨索支護(hù)+架設(shè)梯形雙梁鋼棚”聯(lián)合支護(hù)后，提高了頂板破碎煤巖體膠結(jié)穩(wěn)定性，破碎圍巖單軸抗壓強(qiáng)度由原來的20 MPa提高至52.7 MPa；大大削弱了垂直應(yīng)力對頂板破壞作用，頂板離層現(xiàn)象得到了有效控制，頂板最大下沉量由原來的0.44 m降低為0.15 m以下，頂板破碎巖體內(nèi)形成的圍巖“松動圈”深度由原來的3.2 m縮小為0.8 m，保證了頂板錨桿、錨索支護(hù)效果。

(2)對陷落柱側(cè)巷幫煤柱采取“T型鋼棚+柔模澆筑”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，提高了陷落柱側(cè)煤柱承載強(qiáng)度，避免了受剪應(yīng)力、張拉應(yīng)力等集中破壞作用，導(dǎo)致煤柱出現(xiàn)片幫、底鼓、肩角煤柱破碎等現(xiàn)象，控制了兩幫移進(jìn)量，兩幫移近量由原來的0.76 m降低為0.32 m，提高了巷道成型率。