李建偉，趙斌

(1.晉能控股裝備制造集團(tuán)晟泰能源投資有限公司，山西晉城 048000；2.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西晉城 048000)

0 引言

目前，在工作面底板布置底抽巷已經(jīng)是多數(shù)高瓦斯礦井瓦斯綜合治理的重要技術(shù)手段之一[1]，采用底抽巷預(yù)抽方法進(jìn)行瓦斯災(zāi)害區(qū)域防治時(shí)，需在底抽巷兩幫及頂板打設(shè)密集的上行瓦斯抽采鉆孔。密集的大直徑鉆孔嚴(yán)重破壞了底抽巷兩幫和頂板圍巖的完整性，此外部分底抽巷圍巖為泥巖或砂質(zhì)泥巖，受鉆孔施工用水的水化和風(fēng)化影響，圍巖膨脹破碎，威脅了底抽巷的安全穩(wěn)定。

長(zhǎng)平礦底抽巷圍巖受密集上行大直徑抽采鉆孔擾動(dòng)，圍巖易風(fēng)化、水化及膨脹破碎等情況，針對(duì)性開展了底抽巷破碎圍巖控制技術(shù)研究，對(duì)提高底抽巷道的安全穩(wěn)定和保障礦井安全生產(chǎn)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

近年來，相關(guān)學(xué)者在底抽巷圍巖控制方面的研究取得了一定進(jìn)展。何富連等分析了底抽巷圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞特征、破壞演化過程及其穩(wěn)定性因素，提出了“多支護(hù)結(jié)構(gòu)體”圍巖控制系統(tǒng)[2]。張志強(qiáng)等研究了薄噴涂層技術(shù)在底抽巷圍巖防風(fēng)化中的應(yīng)用[3-5]；劉玉衛(wèi)等對(duì)于底抽巷埋深相對(duì)較深且圍巖松軟破碎的情況提出了“錨網(wǎng)索噴+錨注”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[6-8]；柳陽(yáng)等結(jié)合底抽巷圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試和數(shù)值模擬對(duì)原有支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化提升[9-13]。前人雖做了大量研究，但對(duì)于密集的大直徑瓦斯抽采鉆孔對(duì)底抽巷穩(wěn)定性影響的研究并不多，針對(duì)性的圍巖控制措施更是寥寥無幾。

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)長(zhǎng)平礦底抽巷層位選擇在K6灰?guī)r和K7砂巖之間，巷道層位如圖1所示。K6灰?guī)r和K7砂巖之間巖層平均厚度2～3 m[14]，5304工作面底抽1巷的巷道尺寸為5 m(寬)×3.3 m(高)，為保證巷道高度，需要破頂板K7砂巖掘進(jìn)，頂板K7砂巖為不穩(wěn)定巖層，在K7砂巖變薄區(qū)以及地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的巷道頂板常為裸露的泥巖或砂質(zhì)泥巖，該泥巖具有典型的軟巖特性，受風(fēng)化和工程用水的影響而膨脹破碎，巷幫及頂板打設(shè)有密集的上行直徑113 mm的穿層瓦斯抽采鉆孔，鉆孔間距0.5～2.0 m，鉆孔布置如圖2所示，密集的抽采鉆孔進(jìn)一步破壞了圍巖完整性，極易導(dǎo)致巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，引發(fā)頂板事故。

圖1 底抽巷層位示意圖

圖2 5304底抽1巷抽采鉆孔布置圖

2 5304底抽1巷圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 圍巖特性實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

在5304底抽1巷距巷道開口500～700 m之間的3處掘進(jìn)面對(duì)巷道圍巖取樣，累計(jì)取泥巖立方塊體9塊進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試和礦物成分分析，統(tǒng)計(jì)自然含水狀態(tài)和飽和含水狀態(tài)的泥巖各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)平均值結(jié)果見表1，巖石礦物成分結(jié)果見表2。

表1 5304底抽1巷圍巖物理力學(xué)參數(shù)

由表1可知，水對(duì)底抽巷泥巖力學(xué)參數(shù)的影響顯著，與自然條件下相比，浸水飽和后泥巖的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別降低42%、32%、41%、41%和3%。從表2中可看出，泥巖試樣中含有的礦物主要有石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、方解石、白云石、菱鐵礦和黏土類礦物等，其中黏土類礦物總占比達(dá)52.4%。由此可知，5304底抽1巷泥巖軟巖特性顯著，為典型的軟巖巖層，泥巖將對(duì)底抽巷穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。

表2 礦物種類及含量

2.2 抽采鉆孔對(duì)底抽巷穩(wěn)定性影響分析

通過5304底抽1巷現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，底抽巷掘進(jìn)后1～2月左右，巷道圍巖變形較小，頂板最大下沉量為33 mm，兩幫最大移近量為54 mm，錨桿索軸力變化幅度較小，均在安全工作狀態(tài)。當(dāng)打設(shè)抽采鉆孔3個(gè)月后，受鉆孔施工擾動(dòng)及水化和風(fēng)化作用，底抽巷圍巖變形進(jìn)一步增大，在K7砂巖變薄區(qū)以及地質(zhì)構(gòu)造區(qū)等頂板為裸露泥巖的區(qū)域，頂?shù)装逡平恳殉^1.0 m，底鼓量約0.3 m，兩幫移近量約0.5 m，在兩幫中上部經(jīng)常出現(xiàn)兜網(wǎng)現(xiàn)象。由此可知，密集抽采鉆孔擾動(dòng)、水化和風(fēng)化等因素對(duì)5304底抽1巷穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大影響，若圍巖條件較差的區(qū)域巷道支護(hù)措施不當(dāng)，將存在冒頂、潰幫等巷道失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3 底抽巷破碎圍巖控制技術(shù)研究

綜合考慮長(zhǎng)平礦5304底抽1巷圍巖結(jié)構(gòu)、圍巖強(qiáng)度、失穩(wěn)特性等方面，針對(duì)性提出了“頂板全錨索支護(hù)+定點(diǎn)預(yù)注漿+噴漿”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。根據(jù)底抽巷頂板巖性復(fù)雜多變的特點(diǎn)，針對(duì)性采取全錨索支護(hù)，提高頂板支護(hù)有效性，通過定點(diǎn)預(yù)注漿最大程度隔絕瓦斯孔施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)破壞作用，并通過及時(shí)噴漿防止巷道圍巖風(fēng)化，全方位對(duì)底抽巷圍巖進(jìn)行控制。

3.1 頂板全錨索支護(hù)

5304底抽1巷頂板K7砂巖經(jīng)常性缺失，導(dǎo)致頂板常為泥巖裸露，并且受地質(zhì)構(gòu)造影響，頂板巖性不穩(wěn)定、復(fù)雜多變。為了提高頂板支護(hù)的有效性并控制頂板變形，將底抽巷頂板原錨桿索聯(lián)合支護(hù)變更為高預(yù)緊力全錨索支護(hù)形式，支護(hù)參數(shù)如圖3所示，圖中標(biāo)注單位均為mm。

圖3 頂板全錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

5304底抽1巷頂板支護(hù)錨索型號(hào)為SKP22-1/1720×7300(5300)，每排5根5.3 m短錨索，排距1.2 m，間距1.0 m。7.3 m長(zhǎng)錨索為“2-0-2”布置，排距2.4 m，間距1.7 m。金屬網(wǎng)網(wǎng)片型號(hào)為L(zhǎng)W10/35×35-1.4×5.4 m。短錨索和長(zhǎng)錨索分別采用樹脂加長(zhǎng)錨固和端頭錨固，預(yù)緊力不小于350 kN。

巷幫每排3根錨桿，錨桿型號(hào)MSGLW-500/22×2000，排距1.2 m，間距1.0 m。采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，型號(hào)LW10/50-3.3×1.2 m。設(shè)計(jì)錨固力不小于190 kN，預(yù)緊力矩不小于400 N·m。

3.2 抽采鉆孔定點(diǎn)預(yù)注漿

針對(duì)密集大直徑瓦斯抽采鉆孔對(duì)底抽巷兩幫和頂板泥巖的擾動(dòng)破壞作用，采用定點(diǎn)預(yù)注漿精確加固抽采鉆孔處圍巖。抽采鉆孔施工前，在每個(gè)抽采鉆孔的原設(shè)計(jì)方位，打設(shè)直徑200 mm的注漿孔，注漿鉆孔長(zhǎng)度為10 m，注漿采用聯(lián)邦加固注漿材料，漿液水灰比為0.6∶1，采用“兩堵一注”方式封孔，封孔長(zhǎng)度4 m。待漿液硬化、強(qiáng)度上升，形成漿液保護(hù)圈后，在漿液保護(hù)圈內(nèi)部打設(shè)瓦斯抽采鉆孔，預(yù)注漿加固了底抽巷裂隙化軟巖中大量的原生宏觀裂隙，避免了瓦斯孔施工直接破壞巷道圍巖，隔絕了施工用水與巷道泥巖的直接接觸，單個(gè)注漿鉆孔如圖4所示。

圖4 定點(diǎn)預(yù)注漿單個(gè)注漿孔剖面圖

3.3 及時(shí)噴漿封閉圍巖

5304底抽1巷兩幫及頂板巖層為泥巖或砂質(zhì)泥巖，黏土類礦物總占比達(dá)52.4%，圍巖易風(fēng)化膨脹破碎，泥巖裸巷暴露時(shí)間不得超過30 d，否則長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化易導(dǎo)致頂板開裂、下沉。因此，巷道支護(hù)完畢后需及時(shí)噴漿封閉，噴射混凝土厚度不小于100 mm，噴漿拌料必須嚴(yán)格按照比例配制，C20噴射混凝土配比為水泥∶黃砂∶石粉=1∶2∶2(質(zhì)量比)，水灰比=0.45∶1[15-16]。

3.4 聯(lián)合支護(hù)效果模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬方法對(duì)比分析底抽巷原錨桿錨索支護(hù)方案與“頂板全錨索支護(hù)+定點(diǎn)預(yù)注漿+噴漿”聯(lián)合支護(hù)方案的支護(hù)效果，數(shù)值模擬的圍巖力學(xué)參數(shù)為表1中飽和含水狀態(tài)下的圍巖參數(shù)。

由圖5底抽巷總位移云圖可以看出，受密集鉆孔擾動(dòng)破壞等多因素綜合作用，底抽巷圍巖位移較大，采用原錨桿錨索支護(hù)方案的巷道總位移達(dá)到了986 mm，具有較大的安全隱患。采用“頂板全錨索支護(hù)+定點(diǎn)預(yù)注漿+噴漿”聯(lián)合支護(hù)方案后，底抽巷總位移最大值為136 mm，巷道變形量減小86%，聯(lián)合支護(hù)方案有效控制了底抽巷圍巖的變形破壞。

圖5 底抽巷總位移云圖

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

在長(zhǎng)平礦5304底抽1巷進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，布設(shè)綜合測(cè)站對(duì)巷道變形和支護(hù)體受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，密集鉆孔打設(shè)約4個(gè)月后巷道變形和支護(hù)體受力趨于穩(wěn)定，最終巷道頂板最大下沉量為142 mm，兩幫最大移近量為209 mm，頂板錨索受力最大值392 kN，幫部錨桿受力最大值154 kN，頂板淺部離層18 mm，深部離層31 mm，巷道變形和錨桿錨索受力以及離層值均在合理范圍內(nèi)。由此表明，“頂板全錨索支護(hù)+定點(diǎn)預(yù)注漿+噴漿”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)有效控制了底抽巷圍巖的變形與破壞，保障了巷道支護(hù)效果，為密集鉆孔擾動(dòng)破壞等多因素作用下的破碎圍巖底抽巷提供了科學(xué)有效的圍巖控制方案。

圖6 5304底抽1巷礦壓監(jiān)測(cè)曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，長(zhǎng)平礦底抽巷泥巖黏土類礦物含量高，水對(duì)其力學(xué)參數(shù)影響顯著，為典型的軟巖巖層?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，底抽巷掘進(jìn)后可基本保持圍巖穩(wěn)定，當(dāng)打設(shè)密集抽采鉆孔后，受鉆孔施工擾動(dòng)及水化、風(fēng)化影響，圍巖變形量增加，在頂板為裸露泥巖區(qū)域變形最為顯著。

本文提出了“頂板全錨索支護(hù)+定點(diǎn)預(yù)注漿+噴漿”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該技術(shù)提高了底抽巷復(fù)雜多變頂板的支護(hù)有效性，具有良好的圍巖防擾動(dòng)、防風(fēng)化作用，控制了底抽巷圍巖的變形與破壞，保障了密集鉆孔作用下破碎圍巖底抽巷的安全穩(wěn)定。