喬 志，孫華清，王 聰，劉建華，王旭鋒

(1.中煤華晉集團(tuán)韓咀煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

受歷史及開(kāi)采技術(shù)水平限制，早期我國(guó)煤礦的平均采出率為30%～35%，部分小型煤礦及鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦的采出率更低，導(dǎo)致我國(guó)存在大量遺煤[1，2]。全國(guó)遺煤可采儲(chǔ)量約400億t，分為整層、分層、塊段及復(fù)合遺煤[3]。煤礦資源整合政策也為在現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行遺煤開(kāi)采提供了有利契機(jī)。

小窯破壞區(qū)下巷道受多次采動(dòng)影響，圍巖處于破碎狀態(tài)，留設(shè)的區(qū)段煤柱內(nèi)煤體呈非連續(xù)性分布，有效寬度減小，在煤柱應(yīng)力及采動(dòng)應(yīng)力的疊加影響下，巷道圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜，圍巖支護(hù)難度加大[4，5]。近年來(lái)，我國(guó)煤礦學(xué)者針對(duì)破碎圍巖巷道變形機(jī)理及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。張文[6]等分析了軟弱破碎巷道破壞機(jī)理，提出了“錨噴+化學(xué)注漿”聯(lián)合支護(hù)形式；張永國(guó)[7]分析了破碎煤幫側(cè)向壓力的變化規(guī)律，提出了以“切頂護(hù)幫支架+可伸縮U型鋼+金屬網(wǎng)”為主的破碎煤幫控制措施；張軍華[8]等分析了巷道變形破壞機(jī)理及影響因素，提出了以底板開(kāi)槽卸壓為主的防治技術(shù)；王竹春[9，10]分析了軟弱圍巖巷道變形破壞機(jī)制，提出了高強(qiáng)錨注聯(lián)合支護(hù)方案；杜貝舉[11，12]等研究了巷道破壞特征與變形機(jī)理，提出了以“高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿支護(hù)、關(guān)鍵部位強(qiáng)力支護(hù)、全斷面協(xié)同支護(hù)、剛?cè)岵?jì)抗讓結(jié)合”為核心的新技術(shù)方案。

以韓咀礦32103輔運(yùn)巷道為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)頂煤破壞區(qū)下巷道的變形機(jī)理及破壞特征進(jìn)行分析，由此提出以“深淺孔注漿+錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)為主的圍巖控制技術(shù)，并對(duì)其控制效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 工程背景

1.1 32103輔運(yùn)巷地質(zhì)概況

32103輔運(yùn)巷道東鄰井田邊界，西至北輔運(yùn)大巷開(kāi)口，南與32101主運(yùn)巷道之間留設(shè)40m區(qū)段煤柱，北距32103主運(yùn)巷道(邊界泄水巷)211m，沿煤層走向長(zhǎng)1264m，巷道為矩形斷面(5m×3.3m)，沿底掘進(jìn)。根據(jù)現(xiàn)有資料分析，32103輔運(yùn)巷道掘進(jìn)施工時(shí)受地面綜合物探解釋的采空破壞區(qū)三帶及老空積水區(qū)影響。32101工作面綜合地質(zhì)柱狀如圖1所示。

圖1 工作面綜合柱狀

1.2 頂板破壞特征

為劃分32103輔運(yùn)巷道受動(dòng)壓影響危險(xiǎn)區(qū)域，采用超前鉆探及巖層探測(cè)儀對(duì)32103輔運(yùn)巷道頂板形態(tài)進(jìn)行探測(cè)結(jié)果如圖2所示，綜合分析超前鉆探及巖層探測(cè)儀探測(cè)結(jié)果，得到巷道頂板形態(tài)分布特征。

圖2 頂板形態(tài)探測(cè)結(jié)果

基于長(zhǎng)短探及鉆孔窺視結(jié)果，32103輔運(yùn)巷道頂板形態(tài)可分為：實(shí)體煤區(qū)；頂板垮落充滿空區(qū)；頂板垮落未充滿空區(qū)；頂板未垮落區(qū)。

1.3 巷道變形破壞特征

320m和450m測(cè)站通過(guò)對(duì)采動(dòng)影響階段的圍巖變形量，如圖3、圖4所示。

圖3 450m測(cè)站圍巖變形情況

圖4 320m測(cè)站圍巖變形情況

由圖3可得，隨著32101工作面與測(cè)點(diǎn)間的距離逐漸減小，巷道圍巖頂?shù)装遄冃瘟亢蛢蓭褪諗苛吭龃?，工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)5m左右時(shí)，圍巖變形速度達(dá)到最大，之后圍巖變形量仍繼續(xù)增大，但變形速率逐漸降低，在工作面推過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)60m之后，巷道圍巖變形量基本穩(wěn)定，最大頂?shù)装逡平繛?58mm，其中頂板下沉量為100mm，底鼓量為358mm，頂?shù)装逡平俾蕿?.85mm/d，最大兩幫收斂量135mm，兩幫收斂速率為1.03mm/d。

如圖4所示，從工作面超前320m測(cè)點(diǎn)52.7m開(kāi)始，圍巖變形量開(kāi)始增加，3月12日工作面與320m測(cè)點(diǎn)相遇，此時(shí)頂板下沉量為240mm，底鼓量為40mm，兩幫收斂量為170mm，當(dāng)工作面推過(guò)320m測(cè)點(diǎn)16.4m時(shí)圍巖變形量達(dá)到最大值，頂板下沉量達(dá)到400mm，兩幫收斂量為420mm，底鼓量為90mm，在此之后，圍巖變形量基本穩(wěn)定。

32101工作面開(kāi)采后，32103輔運(yùn)巷道300～400m礦壓顯現(xiàn)較大，不同程度出現(xiàn)局部棚梁變形、底鼓、背板開(kāi)裂等現(xiàn)象，如圖5所示。棚腿和棚架頂梁出現(xiàn)橫向彎曲，其中棚腿向巷道軸線移動(dòng)，頂梁出現(xiàn)下沉。320m處頂板下沉量于4月2日達(dá)到400mm，兩幫收斂量最大達(dá)到700mm，450m處底鼓量最大達(dá)到425mm。

圖5 巷道變形破壞情況

2 巷道變形破壞機(jī)理

2.1 巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境分析

受上分層采動(dòng)影響，在采空區(qū)側(cè)煤柱邊緣至煤柱深部，上分層煤柱依次形成應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)煤體較破碎，承載能力相對(duì)較低；受煤層復(fù)采采動(dòng)影響，上分層煤柱破壞區(qū)范圍增大，此時(shí)，煤柱有效寬度變窄，且煤柱中側(cè)向支承壓力影響區(qū)域向32103輔運(yùn)巷道方向偏移[13-15]。

圖6 沿煤層傾向結(jié)構(gòu)

如圖6所示，在復(fù)采采動(dòng)影響下，煤柱上方載荷增大，靠采空區(qū)側(cè)煤柱發(fā)生破壞，煤柱有效承載寬度減??；相對(duì)于煤柱完整時(shí)，巖層斷裂線位置整體向32103輔運(yùn)巷道側(cè)偏移，32103輔運(yùn)巷道處于應(yīng)力增高區(qū)范圍內(nèi)，由此導(dǎo)致32103輔運(yùn)巷道圍巖應(yīng)力集中明顯，進(jìn)而造成巷道大變形、圍巖破碎。

2.2 圍巖結(jié)構(gòu)演化過(guò)程分析

32103輔運(yùn)巷道頂板呈現(xiàn)“上分層破壞區(qū)-煤柱-空區(qū)”交替形態(tài)。如圖7(a)所示，在未受采動(dòng)影響階段，煤柱完整性較好，對(duì)頂板巖層起到支撐作用，空區(qū)上部巖層處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)巷道周?chē)鷳?yīng)力主要集中于兩煤柱下，影響范圍較小。

如圖7(b)所示，受采動(dòng)影響階段，巷道上方煤柱由兩側(cè)向中心發(fā)生塑性破壞，煤柱有效承載寬度減小，在上覆載荷作用下空區(qū)頂板斷裂，破壞區(qū)煤柱上方巖層回轉(zhuǎn)下沉，隨著工作面的推進(jìn)，煤柱受到持續(xù)的影響，有效承載寬度逐漸減小，在空區(qū)上方巖塊的回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中巷道主要受上覆載荷產(chǎn)生的動(dòng)載影響[16]。

圖7 沿巷道軸向結(jié)構(gòu)

如圖7(c)所示，在穩(wěn)定階段，巷道頂板活動(dòng)逐漸穩(wěn)定，此時(shí)整個(gè)巷道圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境較為穩(wěn)定，在采用及時(shí)、適合的加固方式后，能較好的維持巷道圍巖穩(wěn)定。

綜上所述，巷道變形破壞的根本原因是復(fù)采工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ淖饔?，在頂煤破壞區(qū)和復(fù)采采動(dòng)影響下，復(fù)采面?zhèn)认蛑С袎毫ο蛳锏纻?cè)偏移，巷道上方煤柱應(yīng)力集中程度變大，頂煤煤柱在集中應(yīng)力作用下，沿軸向發(fā)生破壞，致使有效承載煤柱內(nèi)應(yīng)力迅速增大，由此造成巷道強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

3.1 圍巖控制思路

針對(duì)32103輔運(yùn)巷道頂板破壞形態(tài)，提出以“錨-網(wǎng)-索-噴-注-卸”為主的圍巖控制思路[17，18]：

1)增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索錨固強(qiáng)度。巷道頂板存在較大離層及破碎帶；在采用錨索支護(hù)時(shí)，為保證錨索錨固段位于穩(wěn)定巖層內(nèi)，避免在拉拔錨索時(shí)，造成錨固段巖層垮落，應(yīng)增大錨索長(zhǎng)度。

2)改變巷道支護(hù)工藝。部分巷道頂板2.6m范圍內(nèi)，圍巖破碎區(qū)域及縱向裂隙分布范圍較大；為避免錨桿無(wú)法錨固、失效等情況出現(xiàn)，建議在打設(shè)錨桿前，先進(jìn)行注漿，待注漿完成后，再按要求向圍巖打設(shè)錨桿。

3)強(qiáng)化底板及鉆孔卸壓。巷道底鼓較嚴(yán)重區(qū)域，底板鉆孔施工相對(duì)困難，且受作業(yè)環(huán)境限制，可考慮底板鉆孔卸壓，也可以考慮在底角打設(shè)錨桿與底板注漿相結(jié)合的底板強(qiáng)度強(qiáng)化方式。

3.2 頂煤破壞區(qū)下巷道支護(hù)技術(shù)

為解決頂煤破壞區(qū)下巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重的問(wèn)題，結(jié)合巷道頂板探測(cè)結(jié)果及圍巖破壞機(jī)理，提出了以架棚及注漿聯(lián)合支護(hù)為主的支護(hù)方案。

3.2.1 注漿

巷道采用全斷面注漿充填，頂板和幫部采用深淺孔注漿相結(jié)合的方式，使充填材料充滿上方采空破壞區(qū)，各巖塊間相互鉸接，提高頂板巖層的黏聚力和內(nèi)摩擦角，增強(qiáng)頂板的整體穩(wěn)定性[19，20]，深淺孔注漿方案如圖8所示。

圖8 深淺孔注漿方案

根據(jù)32103輔運(yùn)巷頂?shù)装鍘r層的測(cè)試結(jié)果，巷道底板炭質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度為22.76MPa，屬于較軟巖層，為維護(hù)巷道安全使用，降低底板變形開(kāi)裂，考慮在巷道底板采用鉆孔卸壓及注漿相結(jié)合的加固方式，增強(qiáng)底板穩(wěn)定性，如圖9所示。

圖9 底板卸壓及注漿方案(mm)

1)低壓淺孔注漿。注漿孔孔徑50mm，孔深3500mm，排距為1600mm，每排頂板4個(gè)、左幫及右?guī)透?個(gè)，頂板注漿孔間距1300mm，均勻布置，兩幫孔分別距頂板1200mm、2500mm。

采用單液水泥漿液注漿，漿液中水泥使用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水∶水泥(重量比)=1∶2。為提高水泥漿的可注性和早期強(qiáng)度，添加水泥質(zhì)量1%的HJ-A2早強(qiáng)高效減水劑；保證漿液結(jié)石率不低于95%，漿液固結(jié)體強(qiáng)度不低于15.0MPa，注漿壓力控制在1.5～2MPa。

2)高壓深孔注漿。低壓淺孔注漿完畢后，進(jìn)行二次深孔注漿。深孔注漿的頂板注漿孔沿用初次注漿鉆孔，采用錨桿機(jī)進(jìn)行復(fù)孔，注漿鉆孔孔徑為?30mm，鉆孔深度為8000mm。各注漿鉆孔角度及位置與淺孔次注漿一致。

深孔注漿所用注漿材料與淺孔注漿相同；為保證深孔注漿作用于所有破碎巖塊，且漿液固結(jié)體強(qiáng)度不低于15MPa，注漿壓力控制在3～5MPa。

3.2.2 錨桿索及架棚聯(lián)合支護(hù)

頂板不穩(wěn)定、采空區(qū)下掘進(jìn)采用11#礦用工字鋼對(duì)棚支護(hù)，棚距為中至中800mm，如遇地質(zhì)構(gòu)造壓力集中地段或頂板破碎區(qū)，可縮小棚距為中至中600mm；棚與棚之間采用4道2寸鋼管聯(lián)鎖，頂聯(lián)鎖分別位于距離中線各0.65m位置(聯(lián)鎖中)、棚腿距底板1.7m位置(距棚梁下1.5m聯(lián)鎖中)，錯(cuò)接布置。聯(lián)鎖的U型卡螺母扭矩力不小于100N·m。

架棚巷道兩幫打設(shè)?20mm×2000mm螺紋鋼錨桿加強(qiáng)巷幫支護(hù)，錨桿隔排布置，錨桿間排距為1000mm×1600mm(錨桿每排3根，若棚距調(diào)整，則幫錨桿排距相應(yīng)調(diào)整)；架棚巷道煤柱幫打?17.8mm×4300mm的低松弛鋼絞線，間排距2000mm×1600mm，每排2根，錨索預(yù)應(yīng)力不小于150kN。巷道支護(hù)斷面如圖10所示。

圖10 頂煤破壞區(qū)下巷道支護(hù)斷面(mm)

4 圍巖控制效果分析

為觀測(cè)32103輔運(yùn)巷道在掘進(jìn)期間圍巖活動(dòng)規(guī)律，考察錨桿支護(hù)巷道圍巖變形的控制效果，研究支護(hù)參數(shù)的合理性，在巷道掘進(jìn)中設(shè)置相應(yīng)的測(cè)站，對(duì)巷道表面位移及錨桿載荷進(jìn)行觀測(cè)。

4.1 圍巖變形特征

如圖11所示，從整體來(lái)看，巷道頂?shù)装逡平看笥趦蓭褪諗苛?。隨著工作面靠近監(jiān)測(cè)點(diǎn)，巷道兩幫、頂?shù)装遄冃瘟砍尸F(xiàn)增加趨勢(shì)，變化速度也隨著增大?；夭擅嫱七^(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)10m時(shí)，頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛咳蕴幱谠黾于厔?shì)，此時(shí)頂?shù)装逡平孔畲鬄?6mm，兩幫收斂量最大為20mm，頂?shù)装逡平俾蕿?.59mm/d，兩幫收斂速率為1.06mm/d。

回采面推過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)60m后，巷道圍巖變形量基本穩(wěn)定，此時(shí)測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛窟_(dá)到最大值，最大頂?shù)装逡平繛?0mm，最大兩幫收斂量為48mm。32103輔運(yùn)巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭臀灰屏枯^小，巷道支護(hù)效果良好。

4.2 錨桿受力特征

采用錨桿測(cè)力計(jì)對(duì)幫部錨桿受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，幫錨桿受力隨時(shí)間的變化曲線如圖12所示。由圖12可知，12月3日545m測(cè)點(diǎn)和575m測(cè)點(diǎn)距離工作面37.8m和67.8m，區(qū)段煤柱側(cè)采空區(qū)處于穩(wěn)定階段，對(duì)該兩個(gè)測(cè)點(diǎn)影響較小，在之后的回采工作面推進(jìn)期間，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)錨桿錨固力起伏較小，基本趨于穩(wěn)定分別穩(wěn)定于13.6kN和27.1kN；12月11日，工作面推過(guò)510m測(cè)點(diǎn)23.8m時(shí)，受采動(dòng)影響，頂板巖塊破斷、運(yùn)移，煤柱側(cè)錨桿錨固力急劇增大，由27kN增加至62kN，12月11日之后，510m測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)影響穩(wěn)定期，錨桿受力變化基本趨于穩(wěn)定；在工作面回采的全過(guò)程中支護(hù)錨桿未出現(xiàn)破斷的現(xiàn)象，同時(shí)錨桿受力與圍巖變形均在合理區(qū)間。

圖11 巷道圍巖變形曲線

圖12 巷道幫錨桿受力變化曲線

5 結(jié) 論

1)受32101工作面采動(dòng)影響，32103輔運(yùn)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境調(diào)整，空區(qū)間的煤柱受擾動(dòng)發(fā)生變形破壞，承載性能降低，頂板等效跨距增大，并發(fā)生斷裂垮落，受巖層垮落影響，巷道礦壓顯現(xiàn)明顯。

2)針對(duì)頂煤破壞區(qū)下復(fù)掘巷道的地質(zhì)條件，分析了巷道支護(hù)時(shí)的具體控制思路及支護(hù)工藝的改進(jìn)措施，基于改進(jìn)后的支護(hù)工藝，提出了以“深淺孔注漿+錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)為主的圍巖控制技術(shù)。

3)采用新支護(hù)方案后，32103輔運(yùn)巷道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖最大頂?shù)装逡平繛?0mm，最大兩幫收斂量為48mm；通過(guò)對(duì)32103輔運(yùn)巷道錨桿錨固力的監(jiān)測(cè)，得出在工作面回采的全過(guò)程中支護(hù)錨桿未出現(xiàn)破斷的現(xiàn)象，且錨桿受力與圍巖變形均在合理區(qū)間，巷道支護(hù)效果良好。