頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護(hù)巷技術(shù)研究

林 健，范明建，胡 濱，王海春，騰慶山

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;2.中國國電集團(tuán)公司煤炭與化工管理部，北京100034;3.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司風(fēng)水溝煤礦，內(nèi)蒙古赤峰024081)

內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)集團(tuán)風(fēng)水溝煤礦是我國典型的軟巖礦井之一，主采煤層頂?shù)装鍘r層均屬于軟巖。其中，煤層頂板以砂巖為主，膠結(jié)性極差，揭露后往往形成流沙，單軸抗壓強(qiáng)度在5MPa以下。煤層直接底以泥巖或泥質(zhì)砂巖為主，含大量蒙脫石等，膨脹性強(qiáng)。在回采超前壓力影響下，巷道出現(xiàn)大范圍破壞，主要表現(xiàn)為圍巖大范圍整體移近，兩幫移近量1m左右，尤為嚴(yán)重的是巷道出現(xiàn)嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象，底鼓量在1.5～2.0m左右，導(dǎo)致巷道大范圍復(fù)修、起底，嚴(yán)重影響了回采工作面的正常生產(chǎn)。目前風(fēng)水溝礦煤巷支護(hù)形式有金屬棚支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)及U型鋼+錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)等多種形式，在治理底鼓方面還采取金屬反拱等支護(hù)措施。但這些支護(hù)方式均未達(dá)到預(yù)期的效果，極軟圍巖條件下巷道支護(hù)問題仍未得到有效地解決。

本文采用巖性分析、地質(zhì)力學(xué)現(xiàn)場測試、煤巖體可錨性試驗(yàn)、支護(hù)設(shè)計(jì)、礦壓觀測等綜合手段，對風(fēng)水溝煤礦頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護(hù)巷技術(shù)進(jìn)行了綜合研究，采用預(yù)應(yīng)力全長錨固支護(hù)的方式成功支護(hù)了巷道［1］。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)地質(zhì)與生產(chǎn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為風(fēng)水溝煤礦5－1A西七片一分層回風(fēng)巷。巷道埋深在421～435m左右。該巷道上幫臨近5－1A西六片工作面采空區(qū)，煤柱尺寸為6～8m。本開采煤層為5－1A煤層，最大厚度5.6m，最小厚度為4.45m，平均煤厚4.5m。5－1A煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有夾矸0～3層，夾矸單層厚度在0.01～0.36m之間，煤層層理發(fā)育，傾角6～14°，平均10°，重力密度12.84kN/m3。

5－1A煤層頂板主要為細(xì)砂巖，松散含水，易冒落。底板主要為細(xì)砂巖，砂巖膠結(jié)性差，松散含水。5－1A西六片一、二分層回采后采空區(qū)也會積水，預(yù)計(jì)積水量67200m3，工作面掘進(jìn)時必須要先進(jìn)行探放水，預(yù)計(jì)掘進(jìn)時最大涌水量為20m3/h。

2 地質(zhì)力學(xué)現(xiàn)場測試及巖性分析

2.1 地質(zhì)力學(xué)現(xiàn)場測試［2］

2.1.1 鉆孔窺視

為了解5－1A煤層頂板巖性及節(jié)理裂隙分布情況，在5－1A西七片一分層回風(fēng)巷采用鉆孔窺視儀對頂板進(jìn)行了窺視。窺視結(jié)果顯示:0～1.2m為煤，黑色，較破碎，0.8m處有50mm左右夾矸，局部裂隙發(fā)育，暗煤為主，局部夾亮煤。1.2～2.8m為泥巖，灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，局部有橫向裂隙，1.5m處為破碎帶，巖層完整性較差。2.8～21m為細(xì)砂巖，巖層膠結(jié)性較差，且?guī)r內(nèi)含有大量水分，灰白色到灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，離層發(fā)育，局部有泥巖夾層。

2.1.2 圍巖強(qiáng)度測試

為了解5－1A西七片一分層回風(fēng)巷頂板和兩幫煤巖體強(qiáng)度，采用WQCZ－56型圍巖強(qiáng)度測試裝置對巷道煤幫孔10m范圍內(nèi)煤體和頂板以上10m范圍內(nèi)巖石進(jìn)行巖體原位強(qiáng)度測試，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 巷道圍巖強(qiáng)度測試曲線

從測試結(jié)果可以看出，5煤平均抗壓強(qiáng)度為17.42MPa;泥巖平均抗壓強(qiáng)度15MPa左右，頂板砂巖含水量較大，強(qiáng)度大部分集中在5～8MPa之間。

2.1.3 地應(yīng)力測試

采用SYY－56型水壓致裂地應(yīng)力測量儀進(jìn)行了地應(yīng)力測量。測量結(jié)果為:最大水平主應(yīng)力為8.25MPa，方向?yàn)镹37.3°W;最小水平主應(yīng)力為4.29MPa，垂直主應(yīng)力為10.22MPa。

2.2 底板巖性分析

采用X射線衍射分析方法分別對5煤頂?shù)装鍘r石進(jìn)行了黏土礦物含量分析。分析結(jié)果顯示，5煤底板泥巖黏土成分含量67.8%，其中蒙脫石絕對含量38.65%;5煤底板砂巖黏土成分含量30%，其中蒙脫石絕對含量9.3%;5煤頂板泥巖黏土成分含量38.5%，其中蒙脫石絕對含量26.56%;5煤頂板砂巖黏土成分含量35.5%，其中蒙脫石絕對含量18.11%?？傮w來說，泥巖中的黏土礦物成分含量普遍大于砂巖中的黏土礦物含量。

基于高嶺石的遇水軟化特性和蒙脫石的遇水強(qiáng)膨脹性可知，風(fēng)水溝煤礦巷道圍巖都有明顯的遇水膨脹和遇水軟化特性，通過圍巖強(qiáng)度原位測試結(jié)果也可以驗(yàn)證該結(jié)論。根據(jù)現(xiàn)有研究資料，蒙脫石含量超過8%就對膨脹黏土的脹縮性產(chǎn)生很大影響，所以風(fēng)水溝煤礦5煤頂?shù)装寰哂忻黠@的遇水膨脹性，其中5煤底板泥巖遇水膨脹特性最明顯。

3 煤巖體可錨性試驗(yàn)

強(qiáng)度低、膠結(jié)性差、可錨性差是軟巖巷道圍巖的基本特性。圍巖的可錨性試驗(yàn)是巷道進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作，特別是對于高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)，圍巖的可錨性是關(guān)系到錨桿支護(hù)是否成功的關(guān)鍵。根據(jù)巖性分析和地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果推斷，風(fēng)水溝煤礦5煤煤巖體的可錨性較差。為了解頂板巖層和破碎煤體的可錨性，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)前對風(fēng)水溝煤礦5煤煤層和頂板分別進(jìn)行了錨桿、錨索的可錨性試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用φ22mm，1×19股錨索和φ22mm，2400mm長左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。錨索錨固力試驗(yàn)結(jié)果表明，由于頂板砂巖含水，錨索孔在成孔后最大水量達(dá)到5.93×105mm3/min，采用6000mm長錨索錨固力達(dá)到200kN(設(shè)計(jì)預(yù)緊力)的僅占24%左右，無法保證錨索施工質(zhì)量。而采用長度為4000mm的錨索，由于錨固在含水量較少的砂巖和泥巖中，錨固力基本上均可達(dá)200kN以上;小煤柱側(cè)煤幫錨索錨固力僅達(dá)100kN左右，工作面?zhèn)让簬湾^索基本可達(dá)200kN;錨桿錨固力試驗(yàn)表明，除小煤柱側(cè)底腳錨桿由于孔內(nèi)有水流出，73kN就拉出外，其余錨桿均可達(dá)到錨桿的屈服載荷 129kN［3］。

4 支護(hù)理念

根據(jù)風(fēng)水溝煤礦頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護(hù)巷條件，提出以下支護(hù)理念:

(1)自承拱理念 根據(jù)風(fēng)水溝煤礦小煤柱護(hù)巷煤體松軟破碎條件，在進(jìn)行巷道斷面形狀選擇時，在滿足生產(chǎn)要求的前提下應(yīng)優(yōu)先考慮采用自穩(wěn)能力、承載能力強(qiáng)的拱形斷面，增加圍巖自穩(wěn)性。

(2)強(qiáng)力護(hù)表理念 松軟破碎煤巖體采用錨桿支護(hù)時，錨桿間的煤巖體極易出現(xiàn)破碎，在巷道表面形成“網(wǎng)兜”現(xiàn)象，大大弱化了錨桿的支護(hù)效果。因此，在選擇護(hù)表構(gòu)件時，應(yīng)選擇剛度、護(hù)表面積大的構(gòu)件，強(qiáng)化護(hù)表能力［4－5］。

(3)全長高預(yù)應(yīng)力錨固理念 對于松散破碎煤巖體，不僅要限制煤巖體的離層、剪脹，更重要的是嚴(yán)格限制煤巖體的錯動、滑移等結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，錨固系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)較高的預(yù)應(yīng)力，同時還要采取全長錨固的支護(hù)理念［1，4－6］。

(4)支護(hù)系統(tǒng)相互匹配理念 不匹配的支護(hù)系統(tǒng)易造成“多米諾骨牌”效應(yīng)，最終導(dǎo)致整個支護(hù)的失敗。因此，支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)在各方面達(dá)到合理匹配，包括各構(gòu)件強(qiáng)度之間的匹配，預(yù)應(yīng)力與錨固方式、錨桿與錨索強(qiáng)度的匹配，錨桿與錨索的匹配，錨桿預(yù)應(yīng)力與錨索預(yù)應(yīng)力的匹配等。

(5)錨固層位選擇理念 煤系地層由于特殊的沉積環(huán)境，造成煤巖體分層明顯，具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，各層在強(qiáng)度、含水性、節(jié)理發(fā)育程度、弱化方式等方面差異顯著。選擇具有較好錨固性能的層位作為錨桿、錨索的錨固基點(diǎn)，是關(guān)系錨桿支護(hù)能否取得成功的關(guān)鍵之一。

5 巷道斷面優(yōu)化

風(fēng)水溝煤礦回采巷道一般采用梯形斷面，根據(jù)自承拱理念，本設(shè)計(jì)采用自穩(wěn)能力、承載能力強(qiáng)的直墻半圓拱斷面，2種斷面的支護(hù)效果如圖2所示。從圖2中可以看出，在梯形斷面的頂板兩邊壓應(yīng)力值較小，容易發(fā)生拉剪破壞。而拱形巷道在周邊形成厚度均勻的壓力區(qū)，基本無薄弱環(huán)節(jié)?？紤]到掘進(jìn)過程中設(shè)備尺寸、通風(fēng)要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計(jì)風(fēng)水溝煤礦5－1A西七一分層回風(fēng)巷掘進(jìn)斷面尺寸:巷道斷面呈直墻半圓拱形，寬3.8m，墻高1.2m，掘進(jìn)斷面積為10.23m2。

圖2 2種巷道斷面的承拱效果應(yīng)力

6 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)系統(tǒng)的測試和分析，確定風(fēng)水溝煤礦5－1A西七片一分層回風(fēng)巷采用樹脂全長預(yù)應(yīng)力錨固錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)。

6.1 錨桿支護(hù)

采用屈服強(qiáng)度為335MPa，桿體為22號左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4m，桿尾螺紋為M24，螺紋長度150mm，配套高強(qiáng)錨桿螺母、高強(qiáng)托板調(diào)心球墊、尼龍墊圈、拱型高強(qiáng)度托盤。采用3支低黏度錨固劑全長預(yù)應(yīng)力錨固，錨桿全部垂直巖面打設(shè)。采用W鋼護(hù)板和鋼筋網(wǎng)護(hù)頂護(hù)幫。錨桿排距900mm，每排11根，錨桿預(yù)緊力距不小于400N·m。

6.2 錨索支護(hù)

錨索采用φ22mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度4300mm，全長預(yù)應(yīng)力錨固。先采用低黏度樹脂藥卷錨固，張拉后對剩余段注水泥漿錨固。錨索托盤采用300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具。每1800mm打3根錨索，錨索間距1275mm，垂直頂板巖層，錨索預(yù)緊力200～250kN。

5－1A西七一分層回風(fēng)巷支護(hù)布置如圖3所示。

圖3 5－1A西七一分層回風(fēng)巷支護(hù)

7 支護(hù)效果分析

在掘進(jìn)期間，巷道表面位移在距迎頭90～100m以后趨于穩(wěn)定。巷道由掘進(jìn)到穩(wěn)定，兩幫移近量最大值為75mm，為巷道初始寬度的1.97%。頂板下沉量最大值為140mm，底鼓量最大為40mm。

在回采期間，巷道底鼓顯著，所有測點(diǎn)的平均底鼓量為719mm，最大底鼓量達(dá)到1167mm(5號測點(diǎn))。在距工作面40～50m范圍內(nèi)，底鼓量增加速度明顯加快。頂板下沉量相對較小，平均頂板下沉量為150.1mm，最大頂板下沉量為261mm，最小頂板下沉量為59mm。兩幫移近均以煤柱側(cè)幫的移近為主。煤柱側(cè)幫最大移近量為850mm(5號測點(diǎn))，最小移近量為15mm(1號測點(diǎn))，平均移近量為388.9mm;工作面?zhèn)葞妥畲笠平繛?27mm(10號測點(diǎn))，最小移近量為52mm(1號測點(diǎn))，平均移近量為213.4mm。

巷道變形曲線見圖4。

圖4 回采期間巷道變形曲線

8 經(jīng)濟(jì)效益分析

風(fēng)水溝煤礦5－1A西七片一分層工作面回風(fēng)巷原支護(hù)采用錨桿錨索、架設(shè)工字鋼棚聯(lián)合支護(hù)，錨桿排距800mm，棚距1000mm。根據(jù)風(fēng)水溝煤礦提供的材料計(jì)劃價，原支護(hù)巷道支護(hù)材料費(fèi)為2586.8元/m。采用高預(yù)緊力全長錨固錨桿錨索支護(hù)，巷道支護(hù)材料費(fèi)為2170元/m，支護(hù)材料費(fèi)用降低了416.701元/m，同時新的錨桿支護(hù)形式對錨桿的間排距進(jìn)行了放大，提高了巷道掘進(jìn)速度。

9 結(jié)論

(1)巷道圍巖強(qiáng)度低、膨脹性黏土礦物含量高、頂板砂巖含水量大及小煤柱護(hù)巷是導(dǎo)致風(fēng)水溝煤礦5－1A西七片一分層工作面回風(fēng)巷變形嚴(yán)重，支護(hù)難度大的主要原因。

(2)針對頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護(hù)巷條件，提出了自承拱、強(qiáng)力護(hù)表、全長高預(yù)應(yīng)力錨固、支護(hù)系統(tǒng)相互匹配及錨固層位選擇等支護(hù)理念。

(3)采用預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿支護(hù)系統(tǒng)，成功支護(hù)了頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護(hù)巷巷道。在回采期間，巷道煤柱側(cè)幫平均移近量為388.9mm，頂板下沉量最大為261mm，基本杜絕了巷道維修，平均工作面推進(jìn)速度達(dá)到7.5m/d。

(4)預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿支護(hù)系統(tǒng)在頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護(hù)巷巷道中的成功應(yīng)用，為我國軟巖巷道支護(hù)提供了新的途徑。

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