王 陽

（汾西礦業(yè)兩渡煤業(yè)， 山西 靈石 031302）

0 引言

窄煤柱沿空掘巷與常規(guī)留設(shè)大煤柱巷道掘進(jìn)方式在圍巖應(yīng)力分布、圍巖變形特征等方面有一定差異，掌握窄煤柱巷道圍巖變形特征，對合理設(shè)定圍巖支護(hù)參數(shù)有顯著促進(jìn)意義[1-2]。圍巖變形特征與圍巖裂隙擴(kuò)展、圍巖巖性以及支護(hù)方案等密切相關(guān)，現(xiàn)階段常用的圍巖探測手段包括直接觀察法、鉆孔觀察法以及物探法等[3-4]。本文以山西某礦3306 運(yùn)輸巷掘進(jìn)為工程背景，分析巷道圍巖變形特征并綜合采用鉆孔窺視、瑞利波探測掌握圍巖裂隙擴(kuò)展情況，后對圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了窄煤柱巷道圍巖變形有效控制。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

3306 運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度1 355 m，巷道南側(cè)為東翼采區(qū)軌道下山，北側(cè)及西側(cè)均為實(shí)體煤，東側(cè)為已回采完畢的3305 采空區(qū)。3306 運(yùn)輸巷沿著3 號煤層底板掘進(jìn)，巷道底板埋深均值為305 m，設(shè)計(jì)為矩形斷面，凈寬×凈高=4.5 m×2.8 m，采用EBZ260 掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)。3 號煤層厚度4.7～6.8 m，煤層底板為泥巖，厚度3.5 m，遇水膨脹，承載能力較差，裂隙不發(fā)育；直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖位置，為復(fù)合頂板，厚度1.2～2.0 m；直接頂（復(fù)合頂板）之上為基本頂（K2 灰?guī)r），厚度均值12.5 m，賦存穩(wěn)定、較為堅(jiān)硬。3306 運(yùn)輸巷與鄰近的3305 采空區(qū)間留設(shè)8 m 護(hù)巷窄煤柱。

1.2 圍巖支護(hù)參數(shù)及圍巖變形情況

3306 運(yùn)輸巷斷面為矩形，凈寬×凈高=4.5 m×2.8 m，巷道頂板采用錨梁網(wǎng)索支護(hù)，選用的錨桿為Φ20 mm×2 200 mm 螺紋鋼錨桿，錨索為Φ15.24 mm×5000mm鋼絞線，錨桿及錨索布置間排距分別為900mm、900 mm，2 000 mm、1 800 mm；采面幫及煤柱幫分別采用玻璃鋼錨桿、螺紋鋼錨桿，規(guī)格均為Φ18 mm×1 800 mm，間排距均為800 mm、900 mm。頂板及巷幫均使用鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)強(qiáng)化巷道表面支護(hù)。

在現(xiàn)有支護(hù)方案下，3306 運(yùn)輸巷圍巖變形較為嚴(yán)重，在3306 運(yùn)輸巷距離巷道開口50～100 m 范圍內(nèi)布置測點(diǎn)，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)頂?shù)装?、巷幫收斂量最大值分別為350 mm、800 mm，圍巖變形量較大。

2 巷道圍巖監(jiān)測

由于3306 運(yùn)輸巷受鄰近采空區(qū)頂板垮落影響較為顯著，為此綜合采用鉆孔窺視、瑞利波探測手段掌握運(yùn)輸巷圍巖變形特征。

2.1 鉆孔窺視

采用鉆孔窺視儀對3306 運(yùn)輸巷頂板情況進(jìn)行窺視，在巷道不同位置布置不同深度的窺視鉆孔，窺視鉆孔孔徑統(tǒng)一為28 mm。具體巷道頂板鉆孔窺視成果如圖1 所示。從圖1 中看出，頂板巖性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巷道直接頂（復(fù)合頂板）位置巖體裂隙發(fā)育，同時(shí)巖體呈現(xiàn)破碎、松散特點(diǎn)。巷道基本頂為K2 灰?guī)r，窺視鉆孔在施工期間曾出現(xiàn)塌孔情況，巖體內(nèi)裂隙發(fā)育，部分位置裂隙內(nèi)充填有方解石。

圖1 鉆孔窺視成果

受3306 運(yùn)輸巷掘進(jìn)開挖擾動(dòng)以及鄰近采空區(qū)頂板垮落下沉等影響，導(dǎo)致運(yùn)輸巷頂板巖體出現(xiàn)不同程度離層，裂隙由淺部向深部擴(kuò)展，降低頂板巖體承載能力。通過鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)，頂板上覆0～2 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)一定程度離層。由于復(fù)合頂板與基本頂層間黏結(jié)性差，更容易出現(xiàn)離層；在巷道頂板5 m 位置出現(xiàn)離層的原因在于基本頂K2 灰?guī)r內(nèi)巖體裂隙發(fā)育。

2.2 瑞利波探測

在3306 運(yùn)輸巷用瑞利波實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸巷頂板、巷幫位置破壞深度探測，以便確定現(xiàn)有的支護(hù)參數(shù)是否滿足圍巖控制需要。

采用型號YTR（D）瑞利波探測儀在運(yùn)輸巷距離開口100 m 位置布置測場，在巷道頂板、巷幫各布置一條測線，單條測線按照1 m 間隔布置9 個(gè)測點(diǎn)，具體獲取到的巷道頂板、巷幫位置破壞深度，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 瑞利波探測成果

瑞利波探測發(fā)現(xiàn)，煤柱幫、采面幫破壞深度分別在1.5～2.2 m、1.0～1.7 m，在煤柱幫1.5～2.0 m 范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)多處物探異常區(qū)；煤柱幫破壞深度明顯高于采面幫，分析主要是由于煤柱本身寬度較小且受到采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力影響顯著導(dǎo)致的。巷道頂板破壞區(qū)范圍主要集中在頂板上覆0～1.0 m、2.0～5.0 m 兩個(gè)區(qū)段，在煤層直接頂與基本頂交界位置有多個(gè)物探異常區(qū)，表明該區(qū)域內(nèi)巖體裂隙較為發(fā)育。

3 圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

從鉆孔窺視以及瑞利波探測成果發(fā)現(xiàn)，在巷道頂板0～2.0 m、2.5～5.0 m 范圍巖體破碎，煤柱幫、采面幫破壞深度分別在1.5～2.2 m、1.0～1.7 m，巷道淺部巖體裂隙較為發(fā)育。為提高支護(hù)效果，適當(dāng)增加錨桿長度以及支護(hù)密度，具體將巷幫錨桿長度由1 800 mm增加至2 400 mm、頂板錨桿長度由2 200 mm 增加至2 600 mm，錨桿預(yù)緊力控制在80 kN 以上。巷幫及頂板錨桿布置間排距保持不變。

3306 運(yùn)輸巷原支護(hù)中頂錨索長5 000 mm，由于巷道頂板上覆5 m 位置處巖體有離層、裂隙發(fā)育情況，原有的錨索錨固端處于裂隙發(fā)育、頂板離層位置，無法起到較好的懸吊以及圍巖控制效果。根據(jù)相關(guān)支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，錨索錨固端進(jìn)入穩(wěn)定巖層內(nèi)1.5 m 以上時(shí)可起到較為顯著的支護(hù)效果，因此將頂板錨索長度由5 000 mm 增加至6 500 mm；為充分發(fā)揮錨索支護(hù)效果，將預(yù)緊力設(shè)計(jì)為180 kN，布置間排距保持不變。具體優(yōu)化后巷道支護(hù)斷面如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后圍巖支護(hù)參數(shù)（單位：mm）

4 圍巖支護(hù)效果分析

布置測站對圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化段圍巖變形量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，具體監(jiān)測獲取圍巖變形情況如圖4 所示。巷道掘進(jìn)速度在6 m/d，在支護(hù)距離掘進(jìn)迎頭25 m（支護(hù)完成4～5 d）范圍內(nèi)時(shí)巷道圍巖變形量明顯增大，此時(shí)頂?shù)装?、采面幫及煤柱幫變形量分別為73 mm、38 m、56 mm；隨后測點(diǎn)與迎頭間距不斷增加，圍巖變形量逐漸穩(wěn)定，在與迎頭相距120 m（支護(hù)完成20 d后）以后，圍巖變形量基本不再增加，此時(shí)頂?shù)装濉⒉擅鎺鸵约懊褐鶐妥冃瘟糠謩e穩(wěn)定在89mm、43mm、64mm。采用優(yōu)化的支護(hù)方案后，3306 運(yùn)輸巷圍巖變形量過大問題得以較好解決，取得較為顯著的應(yīng)用成果。

圖4 圍巖變形監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

1）3306 運(yùn)輸巷沿著回采的3 號煤層底板掘進(jìn)，巷道埋深均值為320 m，掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，掘進(jìn)期間受地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等影響不明顯。3306運(yùn)輸巷與鄰近的3305 采空區(qū)間留設(shè)8 m 保護(hù)煤柱，護(hù)巷煤柱較窄加之運(yùn)輸巷掘進(jìn)區(qū)域受采空區(qū)頂板垮落變形影響，導(dǎo)致3306 運(yùn)輸巷圍巖變形量偏大。

2）綜合采用鉆孔窺視、瑞利波探測手段對3306運(yùn)輸巷圍巖情況進(jìn)行探測，發(fā)現(xiàn)巷道頂板0～1.5 m、2.5～5.0 m 范圍內(nèi)破碎、裂隙發(fā)育，巷道采面幫、煤柱幫破壞深度分別介于1.0～1.7 m、1.5～2.2 m。巷道原支護(hù)方案中頂錨桿、巷幫錨桿長度分別為2 200 mm、1 800 mm，錨桿長度偏小，無法起到有效控制圍巖變形目的，為此將頂錨桿及巷錨桿長度分別增加至2 600 mm、2 400 mm；巷道原支護(hù)方案中頂錨索長度為5 000 mm，錨索錨固端位于基本頂裂隙發(fā)育處且位置處出現(xiàn)一定離層，無法起到較好的懸吊效果，為此將錨索長度由5 000 mm 增加至6 500 mm，使得錨索錨固端位于頂板穩(wěn)定巖層中。

3）采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，3306 運(yùn)輸巷圍巖變形量過大問題得以有效解決，巷道支護(hù)點(diǎn)與迎頭相距120 m（支護(hù)完成20 d）后，巷道圍巖變形得以較好控制，其中頂?shù)装?、采面幫及煤柱幫變形量分別穩(wěn)定在89 mm、43 mm、64 mm 以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了窄煤柱巷道圍巖變形有效控制。