攀煤太平煤礦特厚煤層聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究

摘 要：太平煤礦在+700m水平主石門15＃煤層加固維修中采取的錨網(wǎng)索噴、砌墻+工字鋼頂梁、壁后注漿等剛、柔性聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，有效地控制了巷道變形，解決了軟弱圍巖支護(hù)問題，保證了巷道有效斷面，達(dá)到了預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞：特厚煤層 聯(lián)合支護(hù) 技術(shù)

中圖分類號：TD921 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0048-02

四川川煤華榮能源股份公司太平煤礦位于攀枝花市仁和區(qū)，核定生產(chǎn)能力120萬t，主采11＃、13＃、15＃、18＃、21-2＃煤層，厚度1.5～3.5m，普氏系數(shù)2～4，其頂?shù)装逍灾饕獮槟噘|(zhì)粉砂巖、粉砂巖和粗砂巖，普氏系數(shù)5～7。礦井已采至+700m水平（第三水平）。隨著開采深度增加，巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)環(huán)境的改變和礦壓的不斷增加，尤其是在+700m水平主石門過15＃煤層斷層破碎帶，原來常用的料石碹、工字鋼等剛性支護(hù)和錨網(wǎng)索噴等柔性支護(hù)已無法實(shí)現(xiàn)支護(hù)目的，巷道失穩(wěn)、變形現(xiàn)象嚴(yán)重，不能滿足運(yùn)輸、通風(fēng)、行人的要求。為解決巷道重復(fù)加固維修問題，太平煤礦在+700m水平主石門過煤層斷層破碎帶進(jìn)行了砌墻（工字鋼）+錨網(wǎng)索噴（注漿）的鋼、柔性聯(lián)合支護(hù)實(shí)踐。

1 工程概況

太平煤礦+700m水平主石門位于礦井南、北翼的中央，是主要的入風(fēng)、行人及運(yùn)輸材料設(shè)備和排矸通道，長度650m，按Ⅲ類中等穩(wěn)定圍巖設(shè)計(jì)為直墻三心拱，下寬3.9m，中高3.2m，凈斷面積12.5m2，錨噴支護(hù)，錨桿間、排距0.8m，錨桿規(guī)格：Φ18×2200mm，噴厚30mm。掘進(jìn)中遇一逆斷層將15＃煤層分成上、下兩盤，分別厚55m、28m。斷層產(chǎn)狀：85°＜46°，H=5～35m。先揭露下盤。過下盤煤時(shí)采用砌碹支護(hù)，過上盤煤時(shí)采用錨網(wǎng)噴+砌墻+工字鋼（頂梁）支護(hù)。因煤層片冒（局部高達(dá)10m），巷頂及兩幫壓力大，巷道嚴(yán)重變形，因受擠壓部分巷道寬度變?yōu)?.4～3.7m，高度變?yōu)?.6～2.9m，無法滿足鋪設(shè)雙軌及行人的要求。

2 巷道變形原因分析

根據(jù)+700m水平主石門揭露的圍巖情況、采用的支護(hù)參數(shù)和巷道變形情況，巷道失穩(wěn)的主要原因如下。

（1）巖石性質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造因素：+700m水平主石門圍巖為粗砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖及煤層，在掘進(jìn)過15＃煤層時(shí)遇斷層。泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、煤層及斷層帶內(nèi)巖層屬軟弱圍巖，具有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性、易擾動等特點(diǎn)，受力后容易變形和破壞。因此，巷道位于這類圍巖中就容易發(fā)生變形。（2）地應(yīng)力的影響：+700m水平主石門處于太平煤礦井田深部，埋藏深度600m。隨著開采深度增加，圍巖應(yīng)力增高，應(yīng)力集中，易產(chǎn)生塑性變形；尤其是煤層斷層構(gòu)造帶內(nèi)物質(zhì)間的黏結(jié)力、承載力差，極易冒落。（3）支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理：+700m水平主石門勘探程度不夠，地質(zhì)資料如各巖層、煤層厚度等不詳，無專門的松軟厚煤層的支護(hù)設(shè)計(jì)。推斷巖性穩(wěn)定，初次支護(hù)選用錨噴。后揭露煤層下盤（31m）采用砌碹支護(hù)，而上盤煤層（60m）分別采用錨網(wǎng)索噴+砌墻+工字鋼（頂梁）支護(hù)（17m，一分段）、砌碹支護(hù)（14m，二分段）、架棚支護(hù)（11m，三分段）、錨網(wǎng)噴+架棚支護(hù)（18m，四分段）。支護(hù)設(shè)計(jì)未統(tǒng)一考慮，形成各分段支護(hù)的局限性，達(dá)不到應(yīng)有的支護(hù)效果。

3 聯(lián)合加固技術(shù)

依照軟巖巷道變形原因，對圍巖進(jìn)行錨網(wǎng)噴+注漿加固，改善圍巖的力學(xué)性能，提高圍巖強(qiáng)度和自承能力，同時(shí)阻止圍巖遇水泥化，膨脹變形；采用砌墻+工字鋼聯(lián)合支護(hù)，增加支護(hù)強(qiáng)度，改變巖體的應(yīng)力狀態(tài)。

3.1 支護(hù)方案依據(jù)

（1）松動圈支護(hù)理論認(rèn)為：巷道在開挖前，巖體處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)；開挖后圍巖應(yīng)力發(fā)生兩個(gè)變化：一是巷道周邊徑向應(yīng)力降低；二是切向應(yīng)力增加，產(chǎn)生應(yīng)力集中。集中應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，圍巖將處于彈彈塑性狀態(tài)，圍巖可自穩(wěn)；集中應(yīng)力大于下降后的圍巖強(qiáng)度，圍巖將發(fā)生破裂，這種破裂將從周邊開始逐漸向深部擴(kuò)展，直至達(dá)到新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，此時(shí)圍巖中出現(xiàn)1個(gè)破裂帶，這個(gè)破裂帶就是圍巖松動圈?，F(xiàn)場松動圈測試及松動圈與巷道支護(hù)難易關(guān)系研究證明，當(dāng)松動圈大于1.5m時(shí)，剛性的料石碹已很難達(dá)到支護(hù)效果。太平煤礦+700m水平主石門特厚煤層處的松動圈范圍≥2.0m，理論上應(yīng)采用以錨網(wǎng)索噴為基礎(chǔ)的聯(lián)合支護(hù)。（2）軟巖工程支護(hù)原則要求不同壓力類型巷道選擇不同的支護(hù)方式。軟弱巖層主要存在松動壓力、變形壓力和膨脹壓力。對松動壓力可采用剛性支護(hù)來防止破碎、松軟巖層的垮落并采取加固圍巖措施；對變形壓力根據(jù)流變特征，通過柔性支護(hù)來允許圍巖適當(dāng)變形，以釋放部分能量；對膨脹壓力除采用與變形壓力相同原則外，還要預(yù)防圍巖遇水膨脹或崩解。經(jīng)分析，太平煤礦+700m水平主石門15＃煤層處主要存在松動壓力、變形壓力，因此采用錨網(wǎng)索噴+注漿+砌墻、工字鋼的聯(lián)合加固維修方案。

3.2 加固維修方案

（1）換墻及臥底、挑頂。巷道受擠壓變形嚴(yán)重，寬度、高度不夠，不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須擴(kuò)大巷道斷面。斷層上盤一分段巷道右?guī)妥畲笫湛s變形為450mm，對該段右?guī)蛪w進(jìn)行整體更換，水溝重新砌筑；二分段巷道碹基下沉400～700mm、碹體開裂，兩幫因擠壓變形達(dá)500～600mm，對該段支護(hù)進(jìn)行整體更換并臥底、挑頂，使斷面符合設(shè)計(jì)要求，水溝重新砌筑；三分段巷道小斷面掘進(jìn)棚式支護(hù)，對該段擴(kuò)大斷面并重新支護(hù)；四分段巷道局部變形，僅進(jìn)行局部刷幫、挑頂，補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)。（2）錨網(wǎng)索噴支護(hù)。一、二分段巷道中換墻、擴(kuò)大斷面后破壞了原有支護(hù)，加固方法是先重新進(jìn)行錨網(wǎng)索噴+鋼筋托梁支護(hù)，然后砌墻支護(hù)（頂為工字鋼梁）。三分段巷道擴(kuò)大斷面后進(jìn)行錨網(wǎng)索噴+鋼筋托梁支護(hù)。錨桿、錨索及鐵絲網(wǎng)可將軟弱煤：巖）層或圍巖懸吊于完整堅(jiān)硬的巖體上，由錨桿、錨索承擔(dān)重量，形成擠壓加固拱，碹墻及工字鋼起加強(qiáng)支護(hù)作用。（3）壁后注漿。利用氣壓等方法向巖土注射能固化的水泥漿，可減少巖土的滲透性，并提高巖土的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形或抗液化能力。注漿充填巷道圍巖松散巖體，使破碎圍巖凝結(jié)為一體，提高破碎圍巖塊之間的摩擦系數(shù)，使之形成自穩(wěn)隱形拱，加強(qiáng)錨桿、錨索的主動支護(hù)作用；同時(shí)可有效封閉巖層與水的聯(lián)系通道，減少巖石膨脹變形，增加巖抗壓強(qiáng)度，提高圍巖強(qiáng)度，增強(qiáng)巷道穩(wěn)定性。注漿套管加工如圖1所示，注漿管布置如圖2所示（每排7根，不論巷道形狀）。

3.3 實(shí)施

+700m水平主石門過15＃煤層加固維修方案的施工流程：臨時(shí)支護(hù)（戴帽木點(diǎn)柱）—破墻—臥底、挑頂—錨網(wǎng)索噴+鋼筋托梁—砌墻—噴漿封閉—注漿。

（1）對擴(kuò)大斷面的巷道，首先打設(shè)臨時(shí)支護(hù)，其次破墻、對局部巷道進(jìn)行臥底或挑頂，使其達(dá)設(shè)計(jì)規(guī)定斷面。（2）其次，進(jìn)行錨網(wǎng)索噴+鋼筋托梁支護(hù)。采用金屬樹脂錨桿，其間、排距為0.8m×0.8m、長度2.2m、Ф18mm，托盤為150mm×150mm×3mm 鋼板，鋼筋托梁用Ф18mm螺紋鋼制作。錨索間排距為1.5m×1.5m、長度7.3m、Ф15.24mm，托盤為350mm×350mm×10mm鋼板，菱形布置。使用快速樹脂藥卷進(jìn)行錨固壓網(wǎng)，錨桿孔必須垂直巷道輪廓線打設(shè)，錨桿、錨索托盤要壓緊網(wǎng)及鋼筋托梁，緊貼巖壁。然后進(jìn)行噴漿封閉。噴漿厚度50～80mm。（3）砌墻。先砌水溝側(cè)基礎(chǔ)及水溝，然后砌墻，完成后砌另一幫墻，最后上工字鋼頂梁及水泥背板?；A(chǔ)深度600mm、寬度800mm，墻體厚度600mm，粗料石、M10水泥砂漿砌筑。頂梁用12＃工字鋼制作，長度5.4m。頂梁上部用塑料編織袋裝矸石進(jìn)行充填，墻體與煤壁間留50～100mm間隙。砌墻支護(hù)巷道預(yù)留變形，凈寬按4100mm、高度按3100mm掌握。（4）注漿加固。壁后注漿采用一次間歇式注漿，注漿孔深度4.0m，自巷底往上0.3m開始布置，兩幫最下一個(gè)注漿眼與巷道成30°夾角。注漿套管間、排距1.2m×2.0m，長度3.5m、Ф32mm；加工注漿套管時(shí)必須在絲扣下部車出魚鱗扣，且魚鱗扣陡坡指向絲扣，在套管上鉆10～15個(gè)Φ5～8mm且不規(guī)則的眼孔。使用Φ38mm鉆頭，YT-28型風(fēng)鉆、濕式鉆眼。注漿壓力1.0～1.5MPa，終孔壓力控制在2.0MPa內(nèi)。使用42.5R水泥，漿液比例1∶1，如漏液較多，采用1∶3的水玻璃漿液注漿。注漿泵為2TGZ-60/210雙液調(diào)速高壓注漿泵。注漿工藝流程參看示意圖3。

4 主要安全技術(shù)措施

（1）施工順序：先加固維修斷層下盤巷道，后加固維修斷層上盤巷道。斷層上盤巷道按一、二、三、四分段逐段施工。同時(shí)嚴(yán)格遵循延米遞進(jìn)施工：即每完成1m巷道的加固維修再進(jìn)行下1m巷道的施工。嚴(yán)禁跳躍式施工。（2）在進(jìn)行加固維修前，嚴(yán)格按規(guī)定架設(shè)臨時(shí)支護(hù)。斷層下盤31m巷道、斷層上盤一、二、四分段巷道：采用圓木（Ф≥16cm）戴帽點(diǎn)柱作臨時(shí)支護(hù)，柱距800mm，排距1200mm，每排3根。三分段巷道已采用金屬鐵棚作臨時(shí)支護(hù)，1架/m，為安全起見，加打圓木戴帽點(diǎn)柱作加強(qiáng)支護(hù)。另外，砌墻時(shí)，其巷頂用長度4.5m、15kg/m的鋼軌作前探梁，間距1.0m，其上用半圓木（Ф≥18cm）接頂，禁止在空頂下作業(yè)。（3）錨桿、錨索眼內(nèi)巖粉必須吹干凈，錨桿與巷道輪廓線及主要巖層面夾角75°～90°，外露長度：錨桿≤50mm、錨索≤350mm。金屬網(wǎng)搭接長度≥100mm，托盤、金屬網(wǎng)不得出現(xiàn)松動、下滑現(xiàn)象。（4）噴漿厚度要求封閉金屬網(wǎng)，且表面均勻無露筋現(xiàn)象，水泥、砂子的比例為1∶2.2，拌均后噴漿。噴漿前仔細(xì)檢查，確保噴漿運(yùn)轉(zhuǎn)正常。噴漿機(jī)開、停順序是：開機(jī)—開風(fēng)—開水—上料—停水—停風(fēng)—停機(jī)。加入3％水泥用量的速凝劑，可加快漿體凝固，及時(shí)封閉呈粉狀的煤層，阻止其垮落。噴漿順序是先下后上、先墻后拱、旋轉(zhuǎn)噴射。

5 砌墻

（1）嚴(yán)格按淺眼爆破的要求破除原有的墻（碹）體（包括基礎(chǔ)）。（2）巷道中心左右寬、高度符合設(shè)計(jì)要求。（3）砌墻時(shí)要沖洗灑落的煤粉，做到砂漿飽滿，不出現(xiàn)蜂窩、麻面及干縫等。砌筑時(shí)要將料石擺正放平，否則要用碎石墊平墊穩(wěn)。（4）砌墻完畢安設(shè)工字鋼梁時(shí)，所有人員必須相互配合、協(xié)調(diào)一致，防止墜落。采用雙工字鋼梁為一組，每組間距0.6m，長度符合規(guī)定，其上安設(shè)水泥背板，矸石墊層厚度≥2.0m。

6 注漿

（1）注漿套管魚鱗扣要纏上黃麻絲，安裝時(shí)不要損壞。絲扣長100mm、魚鱗扣長700mm。（2）注漿前保證臨時(shí)支護(hù)牢固可靠，并對巷道噴漿20～30mm厚進(jìn)行封閉。（3）漿液材質(zhì)、比例符合規(guī)定；注漿初始壓力0.8～1MPa，注漿壓力1～1.5MPa，終孔壓力2MPa。注漿出現(xiàn)不上漿時(shí)，要先停泵，關(guān)閉孔口閥門，再開泵上的卸壓閥卸壓，然后開泵。上漿后，停泵，關(guān)閉卸壓閥，開孔口閥門后，再正常注漿。注漿順序：先下后上。（4）注漿完畢養(yǎng)護(hù)48h后，用錨索鉆機(jī)在巷道正頂部位打探眼；如有漿液滲出，立即封堵繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。

7 結(jié)論

+700m水平主石門過15＃煤層加固維修工作完成后，在其上、下盤巷道分別設(shè)置5個(gè)、3個(gè)變形觀測點(diǎn)，對巷道變形連續(xù)觀測。下盤31m巷道在3年的觀測中無明顯變形。上盤巷道前3個(gè)月幫部最大水平位移105mm，頂?shù)装逡平?3mm，57組工字鋼梁僅有8組中部向下彎曲變形10～30mm，分析認(rèn)為是局部巷道兩幫受擠壓和頂部冒落所致，但不影響使用；其余49組工字鋼梁無明顯變形。隨后觀測3年，所有工字鋼梁均無明顯變形。

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