火成巖侵入?yún)^(qū)巷道支護(hù)技術(shù)研究＊

杜學(xué)領(lǐng) 王 寧 李 楊 張修澤

(1.中國礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國礦業(yè)大學(xué) (北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

山西永定莊煤礦于2011年11月開拓石炭系3＃～5＃煤層，次年2月沿3?！?＃煤層底板施工盤區(qū)巷道，在巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)多處遇火成巖侵入?yún)^(qū)，給工作面安全生產(chǎn)造成很大威脅?；鸪蓭r侵入?yún)^(qū)內(nèi)掘進(jìn)速度下降，無法保證正常的生產(chǎn)接替。該煤層為石炭系太原組最上一層可采煤層，井田東部受到火成巖侵入體破壞嚴(yán)重，且火成巖侵入無明顯規(guī)律可循。區(qū)域內(nèi)煤層夾矸層數(shù)較多，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附近煤層受高溫?zé)霟岬膸r漿侵入影響受熱而發(fā)生變質(zhì)、硅化，煤質(zhì)疏松易碎、易片幫。由于巖漿侵入范圍較廣，同時(shí)煤層設(shè)計(jì)為放頂煤開采，導(dǎo)致頂煤經(jīng)常隨掘隨垮，掘進(jìn)期間極難維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。結(jié)合該礦火成巖侵入?yún)^(qū)巷道的變形破壞特征，研究了工作面運(yùn)輸巷的巷道支護(hù)技術(shù)。

1 火成巖侵入?yún)^(qū)全煤巷道變形破壞特征

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，受火成巖侵入影響，全煤巷道礦壓顯現(xiàn)主要有以下3種特征:

(1)頂板突發(fā)斷裂、冒落。由于火成巖侵入，不管是水平侵入還是垂直或傾斜侵入，都會(huì)造成侵入?yún)^(qū)內(nèi)煤巖體整體性和連續(xù)性下降。因此，侵入?yún)^(qū)的煤層頂煤穩(wěn)定性很差，容易發(fā)生斷裂，部分區(qū)域會(huì)發(fā)生大面積冒落。冒頂以前，巷道并無明顯變形破壞，錨桿和錨索等支護(hù)構(gòu)件也無明顯受力征兆，冒頂以后也未發(fā)現(xiàn)錨桿和錨索拉斷現(xiàn)象。

(2)巷幫片幫嚴(yán)重。煤層巷道兩幫煤體特別破碎，在火成巖侵入?yún)^(qū)域內(nèi)多數(shù)地段發(fā)生嚴(yán)重片幫，并最終形成明顯的倒梯形，不利于支護(hù)施工。局部片幫嚴(yán)重的巷道上部寬度達(dá)到8m以上，隨著控頂面積的增大，支護(hù)難度進(jìn)一步加大。

(3)巷道破壞具有不均衡性。由于火成巖侵入?yún)^(qū)煤層破碎，煤體結(jié)構(gòu)遭到破壞，整體穩(wěn)定性差，厚煤層頂板部位錨索錨固效果極差，無法發(fā)揮錨索的錨固作用。同時(shí)，由于火成巖侵入并無明顯規(guī)律可循，在進(jìn)行采區(qū)巷道系統(tǒng)布置時(shí)，不能有效避開火成巖侵入?yún)^(qū)，造成局部受火成巖侵入影響的巷道維護(hù)困難，未受侵入影響的煤巖體相對(duì)較完整。采用相同支護(hù)參數(shù)時(shí)，巷道破壞表現(xiàn)出不均衡性。

2 火成巖侵入?yún)^(qū)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原則

受火成巖侵入影響，錨桿錨索采用端頭錨固時(shí)容易發(fā)生錨固失效，進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要從個(gè)體到整體提升支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度，在整體統(tǒng)一支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同巷道區(qū)段內(nèi)侵入程度不同采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)。具體應(yīng)遵循以下原則:

(1)提高單根錨桿和錨索的支護(hù)強(qiáng)度，提高支護(hù)系統(tǒng)的整體剛度，對(duì)高強(qiáng)錨桿實(shí)施加長(zhǎng)錨固，采用注漿錨索實(shí)施注漿全長(zhǎng)錨固，提高錨桿和錨索的預(yù)緊力，提高組合構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，增加W形鋼帶和鋼筋網(wǎng)片等組合構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。

(2)考慮注漿錨索有效注漿半徑。由于注漿錨索可實(shí)現(xiàn)圍巖注漿錨固，在相同頂板條件下，單根注漿錨索的注漿范圍基本一定，將空間最大的平均料漿范圍作為有效注漿半徑r。當(dāng)注漿錨索為n根、巷道寬度為B時(shí)，注漿錨索的間排距為2r＝B／n時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頂板最大范圍的注漿控頂。一般情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，考慮生產(chǎn)成本時(shí)錨索數(shù)量是確定的，此時(shí)，按照間排距為B／n時(shí)，能夠獲得最佳注漿錨固效果。若B／n＞2r時(shí)，注漿范圍有重疊，從頂板一側(cè)到另一側(cè)，漿體與圍巖按照均勻注漿→重疊注漿→均勻注漿的方式排列，整體性相對(duì)較好；當(dāng)B／n＜2r時(shí)，漿體能夠?qū)崿F(xiàn)在頂板空間的最大注漿范圍。因此，從經(jīng)濟(jì)性考慮，注漿錨索間排距應(yīng)小于等于B／n，并沿巷道寬度方向均勻布置。

(3)提高巷道周圍煤巖體的整體性。由于受火成巖侵入影響，煤巖體完整性遭到破壞，松散破碎的煤巖體不利于錨固系統(tǒng)與煤巖體形成統(tǒng)一整體，需要提高巷道周圍煤巖體的整體性，改善其松散破壞的特性，避免錨固系統(tǒng)失效引起煤巖體動(dòng)力災(zāi)害。如上所述，按照B／n的間距沿巷道寬度方向均勻布置注漿錨索時(shí)，能實(shí)現(xiàn)最大注漿范圍。由于不同地質(zhì)條件下注漿范圍不同，頂板注漿錨固范圍也不能局限于巷道寬度范圍。在注漿錨索數(shù)量一定情況下，應(yīng)使得注漿范圍略向頂板肩角部?jī)A斜，從而提高頂板的整體性。

3 火成巖侵入?yún)^(qū)巷道支護(hù)技術(shù)

針對(duì)火成巖侵入?yún)^(qū)掘進(jìn)巷道頂部圍巖錨索錨固性能差等特點(diǎn)，結(jié)合本煤層火成巖的不規(guī)律侵入及施工條件，為提高巷道施工質(zhì)量，保證施工期間安全生產(chǎn)，同時(shí)避免巷道的重復(fù)翻修，5209運(yùn)輸巷過火成巖侵入?yún)^(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)作為基礎(chǔ)支護(hù)，采用中空注漿錨索作為補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，采用金屬支架作為臨時(shí)或加強(qiáng)支護(hù)。局部嚴(yán)重冒落區(qū)設(shè)計(jì)采用背板、U型金屬支架、羅克休泡沫充填的方法來維護(hù)巷道及圍巖的穩(wěn)定性。

3.1 工作面巷道基礎(chǔ)支護(hù)形式

工作面5209運(yùn)輸巷寬4.6m，高2.8m。根據(jù)組合梁、懸吊等理論，選用?22mm×2200mm的螺紋鋼錨桿和?17.8mm×8000mm的錨索聯(lián)合支護(hù)頂板，沿穩(wěn)定煤層施工。錨桿排距0.8m，間距0.8m，錨桿錨固深度1m，錨桿外露長(zhǎng)度0.1m。錨桿錨固力不低于8t，預(yù)緊扭矩不小于200N·m。錨索按兩排齊排布置，排距1.6m，間距為1.8m，錨固長(zhǎng)度1.6m，外露150～250 mm。角錨桿在兩幫肩角處施工，間距0.6m，傾角為75°。

巷道兩幫采用?22mm×2200mm的螺紋鋼錨桿，間距800mm，排距800mm，且最上端的錨桿距離頂板不超過200mm。所有錨桿均配合高強(qiáng)托板使用，頂板鋪設(shè)W鋼帶，幫部鋪設(shè)護(hù)幫網(wǎng)。具體的基礎(chǔ)支護(hù)形式如圖1所示。

圖1 工作面運(yùn)輸巷基礎(chǔ)支護(hù)形式

3.2 中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

離層注漿或注漿充填可有效改善圍巖的穩(wěn)定性，采用上巷注漿充填時(shí)可以不影響工作面的生產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)大范圍充填，但工序較為復(fù)雜，增加生產(chǎn)成本。中空注漿錨索結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是索體中空，自帶注漿芯管，把注漿錨固和樹脂錨固合二為一，通過提高注漿壓力 (最大注漿壓力可達(dá)到7～8MPa)，使?jié){液充滿鉆孔，實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固，可改變圍巖松散破碎結(jié)構(gòu)，使圍巖具有更好的整體性?？紤]注漿錨索的有效注漿半徑，在基礎(chǔ)支護(hù)形式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)侵入?yún)^(qū)巷道的中空注漿錨索排距為3.2m，間距2m。此時(shí)，注漿錨索的注漿范圍能夠在以巷道頂板為重心的基礎(chǔ)上略向頂板外緣延伸，能夠較好地提高支護(hù)效果。中空注漿錨索直徑22mm，長(zhǎng)度8000mm，安裝孔徑32mm，強(qiáng)度1760MPa，破斷力不小于420kN，樹脂錨固長(zhǎng)度1000～1500mm，中空注漿管內(nèi)徑7.5mm，外徑10 mm。由于錨索安裝后即能承載，因此可在掘進(jìn)頭后方一定距離內(nèi)將一定范圍內(nèi)的錨索一次性完成注漿，以提高支護(hù)速度。其支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 火成巖侵入?yún)^(qū)中空注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖

3.3 嚴(yán)重冒落區(qū)巷道加強(qiáng)支護(hù)

在嚴(yán)重冒落區(qū)，初期施工時(shí)采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)和梯形金屬支架的支護(hù)方法維護(hù)巷道圍巖的初期穩(wěn)定性，隨著巷道的向前推進(jìn)，采用中空注漿錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，注漿錨索支護(hù)穩(wěn)定后撤金屬支架。

由于掘進(jìn)形成的巷道毛斷面難以在短時(shí)間內(nèi)形成與支護(hù)體緊密接觸的光滑外形，不可避免地在支護(hù)體與巷道表面間形成空隙。特別是在圍巖破碎區(qū)域，金屬支架容易存在較大的空隙。對(duì)于部分區(qū)域頂板存在冒落嚴(yán)重的問題，設(shè)計(jì)采用背板、U型金屬支架、羅克休泡沫充填的方法加強(qiáng)支護(hù)嚴(yán)重冒落區(qū)。因此掘進(jìn)施工過程中，在冒頂區(qū)內(nèi)補(bǔ)打錨桿及鋼帶，以穩(wěn)定冒落區(qū)巷道頂板，使冒頂區(qū)不再擴(kuò)大；在冒落區(qū)使用U29支架上托背板、木板的方法進(jìn)行支架壁后充填；其中羅克休樹脂和催化劑的體積比為4∶1，風(fēng)動(dòng)氣泵風(fēng)壓為0.4～0.7MPa，流量為8.7L／min。羅克休泡沫注射到冒落區(qū)內(nèi)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)硬化，維護(hù)圍巖的整體性。

4 效果檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的支護(hù)方式在圍巖控制上的效果，對(duì)5209運(yùn)輸巷進(jìn)行了礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。選定5209運(yùn)輸巷內(nèi)150m火成巖侵入段為新型支護(hù)試驗(yàn)段，監(jiān)測(cè)兩幫收斂量、頂?shù)装逡平?。在巷道試?yàn)段設(shè)置1＃～5＃測(cè)站，1＃、5＃測(cè)站距試驗(yàn)段巷道開始處15m，2＃、3＃、4＃測(cè)站間距為30m。兩幫收斂量及頂?shù)装逡平糠謩e如圖3、圖4所示。

圖3 兩幫收斂量

圖4 頂?shù)装逡平?/p>

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在兩個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，兩幫收斂量最大為46mm，最大收斂速度為5mm／d；頂?shù)装逡平孔畲鬄?6mm，最大移近速度為14mm／d。監(jiān)測(cè)后期，巷道兩幫收斂量及頂?shù)装逦灰屏慷加兄饾u穩(wěn)定的趨勢(shì)，且越遠(yuǎn)離掘進(jìn)頭，巷道的變形量越小。礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，巷道施工期間試驗(yàn)段的頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛磕軌驖M足現(xiàn)場(chǎng)工程要求，說明所采用的基礎(chǔ)支護(hù)、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)的支護(hù)方案能夠較好地控制圍巖變形，解決因火成巖侵入而造成的頂板易冒落、巷道圍巖大變形等問題。

5 結(jié)論

(1)由于火成巖侵入影響，掘進(jìn)全煤巷道礦壓顯現(xiàn)主要有頂板突發(fā)斷裂和冒落、巷幫片幫嚴(yán)重和巷道破壞具有不均衡性3種特征。

(2)圍巖松散破碎引起錨固失效和錨桿支護(hù)系統(tǒng)失效應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì):提高單根錨桿和錨索的支護(hù)強(qiáng)度、預(yù)緊力；提高組合構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度；提高巷道周圍煤巖體的整體性；注漿錨索間排距應(yīng)小于等于巷道寬度與錨索數(shù)量的比值，并沿巷道寬度方向均勻布置。

(3)針對(duì)火成巖侵入?yún)^(qū)掘進(jìn)巷道存在的問題，5209運(yùn)輸巷過火成巖侵入?yún)^(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)采用基礎(chǔ)支護(hù)、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)的支護(hù)方案能夠較好地控制圍巖變形，解決因火成巖侵入而造成的頂板易冒落、巷道圍巖大變形等問題。

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