喬學(xué)慧

（霍州煤電臨汾宏大公司，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

虎峰煤業(yè)2115 綜采工作面位于井田東北部，北大巷正前方。該范圍及周邊煤層頂部多為空巷和采空區(qū)。南西為211 ?；?、軌道、皮帶下山，北西為2113 設(shè)計(jì)工作面及2111 綜采工作面，南東為2117設(shè)計(jì)工作面，北東為礦井井田邊界。2115 工作面運(yùn)輸順槽沿2#煤層底板掘進(jìn)，采用11#工字鋼金屬棚支護(hù)，斷面為梯形，長(zhǎng)775 m，用于運(yùn)輸煤炭、進(jìn)風(fēng)、行人。工作面所采2#煤層平均厚度5.7 m，工作面整體為單斜構(gòu)造，平均傾角3.0°。煤層直接頂主要為細(xì)粒砂巖，平均厚度4.89 m；直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖，平均厚度為3.56 m?；⒎迕簶I(yè)為重組整合礦井，以前的開(kāi)采無(wú)規(guī)律、相互之間越界、亂掘?yàn)E采，遺留下大量的采空區(qū)和廢棄巷道，特別是頂部煤層，大部分或局部已破壞或嚴(yán)重破壞。采空區(qū)、廢棄巷道從煤層頂部、中部到底部隨處可見(jiàn)，而且空頂、空幫嚴(yán)重，給回采巷道掘進(jìn)造成較大的困難和壓力。2115 運(yùn)輸順槽頂板大部分為小窯破碎區(qū)，掘巷時(shí)面臨頂板垮落嚴(yán)重的支護(hù)難題。為保障工作面的安全高效生產(chǎn)，對(duì)其支護(hù)方案展開(kāi)相關(guān)研究。

2 2115 運(yùn)輸順槽支護(hù)及破壞現(xiàn)狀

2.1 2115 運(yùn)輸順槽初掘支護(hù)

2115 運(yùn)輸順槽沿2#煤層底板掘進(jìn)，梯形斷面：上部毛寬/下部毛寬×毛高=4.7 m/5.9 m×3.5 m，巷道頂板為厚度約2.0 m 的頂煤。由于小窯采掘影響頂板破碎嚴(yán)重，因此掘巷初期設(shè)計(jì)采用11#工字鋼金屬棚配合幫錨桿進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)主體為11#礦用工字鋼對(duì)棚，棚距為0.8 m，工字鋼棚之間通過(guò)4道2 寸鋼管聯(lián)鎖，頂棚梁布置兩道，分別位于巷道中心線兩側(cè)0.75 m 處，兩幫每個(gè)棚腿上布置一個(gè)聯(lián)鎖，聯(lián)鎖鋼管沿巷道軸線方向水平布置，距巷道底板1.5 m。巷道右?guī)蜑閰^(qū)段保護(hù)煤柱，每排兩根MSGLW-335 螺紋鋼錨桿，錨桿間距1.0 m，排距1.6 m，左幫為回采工作面實(shí)體煤幫，錨桿材料為玻璃鋼，間排距及布置方式與煤柱幫相同。工字鋼棚與巷道表面之間采用長(zhǎng)、寬、厚為100 mm、200 mm、50 mm 的木背板，頂板每排6 根背板，兩幫各4 根背板。2115 初掘階段支護(hù)斷面如圖1。

圖1 2115 運(yùn)輸順槽原有支護(hù)（mm）

2.2 巷道圍巖松動(dòng)破壞規(guī)律

2115 運(yùn)輸順槽掘巷初期，迎頭處頂板破碎嚴(yán)重，控頂困難，支護(hù)后表面變形明顯，表現(xiàn)為頂板下沉及底板底鼓，局部頂板下沉量達(dá)到600～750 mm，底板最大底鼓可達(dá)300 mm，現(xiàn)有支護(hù)方案無(wú)法保障巷道圍巖穩(wěn)定。為考察2115 運(yùn)輸順槽圍巖松動(dòng)破壞情況，采用RIS-K2 探地雷達(dá)進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測(cè)試[1]。對(duì)于圍巖破碎區(qū)域，反射波形波動(dòng)較大，且同方向軸出現(xiàn)較多間斷；對(duì)于圍巖完整性較好的區(qū)域，反射波形平整、密集，且基本無(wú)同相軸間斷現(xiàn)象。選取巷道表面變形較大的位置得到其波形圖如圖2。由圖2 可以看出，頂板巖層的松動(dòng)破壞深度為3～4 m，兩幫煤巖體塑性破壞深度1.5～2.5 m，底板塑性破壞深度1.3～2.0 m，頂板巖層塑性破壞深度較大，巷道穩(wěn)定性受上覆破壞區(qū)影響較大。

圖 2 地質(zhì)雷達(dá)波形圖

3 破碎頂板超前預(yù)注漿加固技術(shù)

2115 運(yùn)輸順槽位于頂煤破壞區(qū)域，巷道開(kāi)挖期間頂部松散破碎煤巖體極易冒落，威脅掘進(jìn)作業(yè)安全，增大后期巷道圍巖控制的難度，故采用超前預(yù)注漿加固技術(shù)，保證巷道開(kāi)挖期間的安全性，并提高巷道頂板自穩(wěn)和承載能力，降低型鋼支架的用量。參閱國(guó)內(nèi)類似地質(zhì)條件下巷道支護(hù)實(shí)例[2-4]，水泥材料選用P.042.5R 普通硅酸鹽水泥，水玻璃材料選用模數(shù)3.2、波美度40°Be'。水泥漿水灰比為0.4，水玻璃原漿中按照水:水玻璃=1:3.5體積比進(jìn)行稀釋。注漿時(shí)水泥漿和稀釋水玻璃漿液的體積比為1:1，注漿壓力為2.5～3.0 MPa。巷道頂板破碎區(qū)共布置13 個(gè)注漿孔，Ⅰ組孔水平方向長(zhǎng)度約70 m，Ⅱ組、Ⅲ組孔水平長(zhǎng)度約130 m。注漿鉆孔布置詳情如圖3（a）、圖3（b），注漿加固后預(yù)計(jì)頂板破碎區(qū)固結(jié)效果如圖3（c）。

圖 3 頂板破碎區(qū)注漿孔布置及效果示意圖（mm）

4 架棚及錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

2115 運(yùn)輸順槽原支護(hù)方案條件下，頂板破碎嚴(yán)重，施工錨桿將存在錨固劑安裝困難、錨固效果差等問(wèn)題，通過(guò)注漿加固將頂板破碎巖體膠結(jié)為一個(gè)整體，能夠提升錨桿的錨固性能，因此設(shè)計(jì)頂板增加錨桿進(jìn)行支護(hù)。錨桿采用規(guī)格Φ20 mm×L2400 mm 的螺紋鋼，間距1.0 m，排距為棚距的2.0 倍，幫部每排增加一根錨桿。預(yù)注漿+單棚+錨桿聯(lián)合支護(hù)形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)2115 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)進(jìn)行模擬分析，監(jiān)測(cè)巷道兩側(cè)煤巖體內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選分析。結(jié)合2115 運(yùn)輸順槽具體地質(zhì)條件及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，破碎頂煤注漿膠結(jié)后單軸抗壓強(qiáng)度為10.85 MPa，黏聚力為6.48 MPa，內(nèi)摩擦角36.54°。注漿加固范圍為巷道頂板高度5.0 m，兩側(cè)寬度4.5 m。建立后的數(shù)值模型如圖4（a）。

對(duì)巷道頂板進(jìn)行注漿加固后，圍巖的整體性和穩(wěn)定性均得到提升，并在頂板增加錨桿支護(hù)，且提高了幫部錨桿支護(hù)的強(qiáng)度，與工字鋼棚共同控制圍巖變形破壞。為確定最佳的棚距及錨桿排距，設(shè)計(jì)鋼棚排距為0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m，頂幫及兩幫錨桿排距為鋼棚排距的2.0 倍。兩側(cè)煤巖體內(nèi)垂直應(yīng)力變化規(guī)律如圖4（b），巷道兩側(cè)煤巖體內(nèi)垂直應(yīng)力隨著深度的變化呈現(xiàn)先增大-后減小-平穩(wěn)的趨勢(shì)，在深度約6.0 m 處達(dá)到峰值。注漿后應(yīng)力峰值及各處垂直應(yīng)力均顯著減小，而采取頂板錨桿+注漿+架棚支護(hù)后，兩側(cè)煤巖體內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步減小，但工字鋼棚排距減小，應(yīng)力基本無(wú)明顯變化。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全、現(xiàn)場(chǎng)施工等多方面因素，確定工字鋼棚排距為1.0 m，錨桿排距為2.0 m。2115 運(yùn)輸順槽優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖5。

5 應(yīng)用效果

2115 運(yùn)輸順槽采用優(yōu)化后的預(yù)注漿+單棚+錨桿聯(lián)合支護(hù)方案掘巷階段，頂板巖層完整性良好，掘巷迎頭處頂板未出現(xiàn)冒落現(xiàn)象。支護(hù)完成后，巷道表面無(wú)明顯變形破壞，掘進(jìn)階段圍巖穩(wěn)定性良好。2115 工作面回采期間，超前工作面100 m 布置位移圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中兩個(gè)測(cè)站處巷道頂板及底板變形規(guī)律如圖6。

圖 4 數(shù)值模型及模擬方案示意圖

圖5 2115 運(yùn)輸順槽支護(hù)方案（mm）

圖6 現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

測(cè)點(diǎn)處圍巖超前工作面約70 m 時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)明顯的變形破壞，并隨著與工作面距離的減小變形量逐漸增大，在超前工作面約30 m 處頂板變形量急劇增大，直至工作面回采至測(cè)點(diǎn)附近，頂板累計(jì)下沉量為140～160 mm，底板累計(jì)底鼓量50～70 mm。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)工況可得，采用預(yù)注漿+單棚+錨桿聯(lián)合支護(hù)方案，能夠提高巷道圍巖的整體性和承載力，保證頂板破碎區(qū)巷道掘進(jìn)及服務(wù)期間的圍巖穩(wěn)定。

6 結(jié)論

為解決虎峰煤業(yè)頂板破碎區(qū)巷道支護(hù)難題，以2115 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)及支護(hù)為工程背景進(jìn)行研究，表明：

（1）2115 運(yùn)輸順槽采用工字鋼棚+幫錨桿支護(hù)方案，頂板巖層松動(dòng)破壞深度達(dá)到3.0～4.0 m，兩幫煤巖體塑性破壞深度1.5～2.5 m，底板塑性破壞深度1.3～2.0 m，巷道圍巖松動(dòng)圈范圍較大，巷道表面變形嚴(yán)重。

（2）數(shù)值模擬研究表明，對(duì)頂板破碎區(qū)采取超前注漿加固措施后，巷道兩側(cè)應(yīng)力集中程度顯著降低，采用預(yù)注漿+單棚+錨桿聯(lián)合支護(hù)可進(jìn)一步減小應(yīng)力集中程度，提高巷道圍巖穩(wěn)定性，工字鋼棚最佳排距為1.0 m。

（3）工程實(shí)地檢測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)工況表明，采用預(yù)注漿+單棚+錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)掘巷階段，表面變形微小，工作面回采期間頂板累計(jì)下沉量為140～160 mm，底板累計(jì)底鼓量50～70 mm，巷道圍巖變形得到有效控制。