韓正民

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

多煤層開采的煤礦井田通常采取先采上分層，再采下分層的分層開采方式[1]。在煤層層間距較小的分層開采中，上分層及下分層臨近工作面回采結(jié)束情況下，易對下分層臨近采空區(qū)的區(qū)域形成較強(qiáng)的應(yīng)力集中，在該區(qū)域掘進(jìn)巷道易發(fā)生圍巖變形失穩(wěn)，甚至坍塌、冒頂危險[2]。針對此類條件下的巷道支護(hù)技術(shù)研究具有重要意義。因此，以該類條件下的磁窯溝11102 運(yùn)輸巷為工程背景，通過分析圍巖變形機(jī)理，制定符合該巷的支護(hù)方案，確保支護(hù)強(qiáng)度滿足要求。

1 礦井概況

1.1 地質(zhì)概況

磁窯溝井田地質(zhì)條件中等，開采煤層為10-2號煤層及11 號煤層，11 采區(qū)上分層的10-2 號煤層已開采完畢，目前正在開采下分層的11 號煤層。11 號煤層層厚較為穩(wěn)定，均厚4.5 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚5.5 m，泥巖上部為10-2 號煤層采空區(qū)，直接底為炭質(zhì)泥巖，均厚0.45 m，老底為砂質(zhì)泥巖，均厚13.5 m。煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1所示，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)一覽Table 1 Physical and mechanical parameters of coal strata

圖1 11 采區(qū)煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam roof and floor in No.11 mining area

1.2 11102 運(yùn)輸巷工程概況

11102 工作面位于11 采區(qū)西翼中部的下分層，上分層已回采結(jié)束，鄰近11102 運(yùn)輸巷的11082 工作面已回采結(jié)束，11102 運(yùn)輸巷距11082 采空區(qū)10 m。11102 運(yùn)輸巷設(shè)計巷寬5.4 m，巷高3.7 m，巷道沿11 號煤層頂板掘進(jìn)，采用11 號工字鋼棚支護(hù)。由于受滑動地質(zhì)構(gòu)造影響，11102 運(yùn)輸巷位于背斜處的620～660 m 段巷道距離原10-2 號煤層的采空區(qū)間距最小處僅5 m，由于距上覆采空區(qū)的層間距變小及鄰近采空區(qū)的影響，巷道掘進(jìn)范圍處于應(yīng)力集中區(qū)域，呈現(xiàn)煤體變軟、圍巖破碎的結(jié)構(gòu)變化狀態(tài)，為保證巷道支護(hù)強(qiáng)度滿足工作面回采需要，需根據(jù)該巷掘進(jìn)范圍的圍巖變形機(jī)理，制定針對性補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，確保巷道支護(hù)滿足安全生產(chǎn)的需要。

2 近距離下分層巷道失穩(wěn)機(jī)理與圍巖控制對策

2.1 近距離下分層臨近采空區(qū)巷道失穩(wěn)機(jī)理分析

采取分層開采的下分層巷道，在相鄰工作面已回采完畢情況下，且與上分層采空區(qū)距離較近時，下分層巷道將會出現(xiàn)更為強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，易出現(xiàn)巷道變形量大、圍巖失穩(wěn)等現(xiàn)象[3]，該現(xiàn)象為多個應(yīng)力疊加而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，近距離下分層臨近采空區(qū)巷道圍巖受力情況如圖2 所示。

圖2 近距離下分層臨近采空區(qū)巷道受力情況Fig.2 The stress condition of roadway near goaf under close distance stratification

如圖2 所示，上分層采空區(qū)為垮落壓實(shí)后重新膠結(jié)的破碎巖體，且老頂砂巖已出現(xiàn)斷裂，其應(yīng)力直接作用在下分層的直接頂泥巖上，加上臨近工作面回采結(jié)束后，下分層臨近采空區(qū)部分的直接頂呈懸臂梁受力結(jié)構(gòu)狀態(tài)，靠近采空區(qū)側(cè)直接頂已發(fā)生彎曲下沉，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力逐步向煤體側(cè)延伸，對下分層煤體及直接頂形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致下分層臨近采空區(qū)部分的煤巖體內(nèi)裂隙發(fā)育，直接頂粘結(jié)系數(shù)減低，自穩(wěn)性能變差，巖石內(nèi)摩擦角變小[4]。此時再在應(yīng)力集中的臨近采空區(qū)掘進(jìn)下分層巷道，則會對應(yīng)力集中的煤巖體產(chǎn)生二次擾動，導(dǎo)致應(yīng)力集中向巷道掘進(jìn)區(qū)域轉(zhuǎn)移，加劇圍巖破碎及變形程度，自穩(wěn)性能再次下降，采用主動支護(hù)的錨桿、錨索則因圍巖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低而出現(xiàn)錨固效果下降，無法保障支護(hù)效果。

2.2 近距離下分層巷道圍巖控制對策

針對近距離下分層巷道因應(yīng)力集中造成的圍巖失穩(wěn)、支護(hù)困難問題，圍巖控制及支護(hù)方案應(yīng)遵循4 個原則：一是增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，可采取煤巖體注漿加固措施，通過注漿實(shí)現(xiàn)破碎圍巖重新膠結(jié)，以提升圍巖的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為錨桿或錨索主動支護(hù)打下基礎(chǔ)；二是為彌補(bǔ)破碎圍巖下錨桿（索） 主動支護(hù)效果較差問題，可采取主被動協(xié)同支護(hù)，即架棚支護(hù)配合錨桿（索） 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以保障支護(hù)強(qiáng)度，通過架棚支護(hù)可保障破碎圍巖下的支護(hù)安全，配以錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)可進(jìn)一步保障圍巖穩(wěn)定性，防止發(fā)生圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象；三是破碎圍巖下的錨索應(yīng)采取加長錨固或全長錨固方式，以保證錨固可靠性及支護(hù)時效；四是巷道掘進(jìn)期間應(yīng)采用震動較小的機(jī)械化掘進(jìn)，避免采用炮掘，防止震動加劇圍巖破碎影響圍巖整體穩(wěn)定性。

3 近距離下分層臨近采空區(qū)巷道支護(hù)方案

根據(jù)近距離下分層臨近采空區(qū)巷道失穩(wěn)機(jī)理及圍巖控制對策，制定11102 運(yùn)輸巷支護(hù)方案，方案包含架棚支護(hù)、注漿加固、錨索補(bǔ)強(qiáng)、抬棚加固。施工順序及工藝為：先采用架棚支護(hù)，然后緊跟迎頭不超過10 m 對架棚區(qū)頂部巖體及幫部煤體進(jìn)行注漿加固，注漿加固增強(qiáng)煤巖體整體穩(wěn)定性后，棚間補(bǔ)打錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索施工完畢后，在棚間打一梁三柱抬棚進(jìn)行整體加固。

3.1 架棚支護(hù)

采用5.4 m 長的11 號工字鋼作梁，4.5 m 單體支柱作腿，斷面規(guī)格為5.4 m×3.7 m，棚間距1 m。采用2 m×1.2 m 鋼筋網(wǎng)配合φ50 mm 鐵椽桿閉幫護(hù)頂。頂梁安裝2 道拉桿，距梁端1.5 m 處各安裝1 道，柱腿安裝2 道拉桿，上拉桿距頂1 m，下拉桿距底1.5 m，以保證支架穩(wěn)定性。頂部不平整及空頂部分采用道木垛架接頂，架棚支護(hù)斷面如圖3所示。

圖3 架棚支護(hù)方案示意Fig.3 Shelf support scheme

3.2 注漿加固

架棚支護(hù)后，在掘進(jìn)迎頭后方實(shí)施平行注漿作業(yè)。注漿材料采用固化效果較好、滲透性較強(qiáng)的復(fù)合材料，復(fù)合材料包括水泥、JCT 復(fù)合劑，水∶水泥∶JCT 復(fù)合劑=0.5∶0.85∶0.15。頂、幫注漿孔間、排距均為2 m，孔深均為5 m。頂部居中布置3 個注漿孔，中部注漿孔垂直于巷道頂板，左右2個孔各偏向兩側(cè)15°。兩幫各布置2 個注漿孔，上部注漿孔距頂0.5 m，傾角+30°，下部注漿孔距頂2.5 m，傾角+15°。斷面注漿孔布置如圖4所示。

圖4 斷面注漿孔布置示意Fig.4 Indication of section grouting hole arrangement

3.3 錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

注漿加固后，在棚間打錨索補(bǔ)強(qiáng)加固，錨索直徑21.6 mm，錨索長度均為5.2 m，錨索間距均為1.5 m，排距均為1 m，頂部居中布置3 根錨索，中部1 根垂直于巷道頂板，左右2 根各偏向兩側(cè)15°。兩幫各布置2 根錨索，上部錨索距頂0.8 m，傾角+15°，下部錨索傾角0，錨索均配合W 鋼帶使用。錨固劑采用1 支CK2370 配2 支K2370 樹脂錨固劑，錨固長度為2.1 m。錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)如圖5所示。

圖5 錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面Fig.5 Anchor reinforcement support section

3.4 抬棚加固

架棚支護(hù)、注漿加固、錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)完成后，在工字鋼棚下方打2 道一梁三柱抬棚加固，抬棚采用π 型鋼梁配合4.5 m 單體液壓支柱打設(shè)，打設(shè)位置為巷中兩側(cè)1 m 處各打一道，以加強(qiáng)架棚支護(hù)強(qiáng)度。

4 工程應(yīng)用及效果分析

為解決11102 運(yùn)輸巷因應(yīng)力集中造成巷道圍巖變形量大、支護(hù)困難問題，將近距離下分層臨近采空區(qū)巷道支護(hù)方案用于11102 運(yùn)輸巷620～660m段巷道，并在該段巷道建立三組礦壓觀測站，主要監(jiān)測頂、底板及兩幫相對位移量及位移速度，每4 d 觀測一次變形數(shù)據(jù)，并繪制監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖，圖6 為3 組觀測站中變形量最大一組測站監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線。

圖6 巷道位移監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Roadway displacement monitoring data curve

由圖6 可知，11102 運(yùn)輸巷620～660 m 段巷道采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，頂?shù)装逑鄬ξ灰扑俣茸畲笾禐? mm/d，兩幫相對位移速度最大值為8 mm/d，且位移量及位移速度均在16 d 后變緩，在32 d 后趨于穩(wěn)定，持續(xù)觀測至80 d 后，各項(xiàng)變形數(shù)值基本穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笙鄬ξ灰屏?00 mm，兩幫最大相對位移量140 mm，與原斷面對比斷面收縮率僅為5.6%，變形量在支護(hù)可控范圍。綜合礦壓觀測數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場支護(hù)情況可知，采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后巷道圍巖變形量得到有效控制，支護(hù)強(qiáng)度滿足該巷支護(hù)要求。

5 結(jié) 語

近距離下分層臨近采空區(qū)巷道受應(yīng)力疊加及掘進(jìn)期間二次擾動影響，巷道掘進(jìn)范圍應(yīng)力集中，圍巖破碎且變形量大，支護(hù)困難。通過分析圍巖變形機(jī)理及控制對策，并制定注漿加固、架棚支護(hù)+錨索、抬棚補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，應(yīng)用于處于該條件下的磁窯溝11102 運(yùn)輸巷后，巷道圍巖變形量得到有效控制，支護(hù)強(qiáng)度滿足該巷支護(hù)要求。