堅(jiān)硬頂板煤巷合理支護(hù)方式探討

李云

（山西長(zhǎng)治經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

山西長(zhǎng)治經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司位于國(guó)家規(guī)劃礦區(qū)沁水煤田長(zhǎng)治礦區(qū)東南區(qū)[1]，現(xiàn)階段主采15#煤層，現(xiàn)有回風(fēng)大巷的支護(hù)方式主要按照采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行理論分析[2]，同時(shí)結(jié)合相鄰礦井開(kāi)拓巷道支護(hù)方式進(jìn)行工程類比的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)初步設(shè)計(jì)提供的開(kāi)拓巷道支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)，沒(méi)有及時(shí)結(jié)合本礦井的工程實(shí)際及時(shí)修改巷道支護(hù)參數(shù)。

根據(jù)山西長(zhǎng)治經(jīng)坊莊子河煤礦在掘進(jìn)15#煤層開(kāi)拓巷道時(shí)實(shí)際揭露其直接頂為石灰?guī)r，同時(shí)依據(jù)長(zhǎng)治礦區(qū)其它煤礦 15#煤石灰?guī)r堅(jiān)硬頂板時(shí)的開(kāi)拓巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)[3]，通過(guò)對(duì)山西長(zhǎng)治經(jīng)坊莊子河煤礦15#煤層頂板進(jìn)行詳細(xì)的巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試工作，及現(xiàn)場(chǎng)窺視確定15#煤層頂板巖層裂隙分布，為經(jīng)坊莊子河煤業(yè)15#煤層開(kāi)拓巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供所需的基礎(chǔ)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)合理的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，保證山西長(zhǎng)治經(jīng)坊莊子河煤礦開(kāi)拓巷道高效、安全使用，同時(shí)有效降低支護(hù)成本，提高掘進(jìn)工作現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度[4]。

焦積潤(rùn)等[5]學(xué)者通過(guò)工程類比的方法，從經(jīng)濟(jì)合理性與工程施工進(jìn)度等方面出發(fā)，針對(duì)華陽(yáng)煤業(yè)厚石灰?guī)r頂板下15#煤層軌道大巷支護(hù)方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。常江陽(yáng)[6]等學(xué)者利用理論分析、數(shù)值模擬的方法，分析了厚堅(jiān)硬頂板條件下大斷面巷道圍巖破壞情況與應(yīng)力分布，優(yōu)化了關(guān)嶺山煤業(yè)15#煤層回風(fēng)大巷的最優(yōu)支護(hù)方案和支護(hù)參數(shù)。

很多學(xué)者對(duì)堅(jiān)硬頂板下的開(kāi)拓巷道合理支護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了研究[7]，但對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖破壞情況及裂隙發(fā)育研究甚少，從巷道圍巖本身破壞情況出發(fā)的巷道支護(hù)優(yōu)化研究幾乎沒(méi)有。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)窺視及工程類比的研究方法對(duì)堅(jiān)硬頂板下經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司15#煤層回風(fēng)大巷支護(hù)方式與支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

山西長(zhǎng)治經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司位于山西省長(zhǎng)治市，主可采煤層為15#煤層，位于太原組下部，直接頂為K2石灰?guī)r，底板為砂質(zhì)泥巖或泥巖。15#煤層平均厚度3.60 m，一般含0～1層夾矸，局部含2～3層夾矸，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，全區(qū)穩(wěn)定可采。

井田受區(qū)域構(gòu)造影響，總體上是以寬緩的褶曲為主，在此基礎(chǔ)上發(fā)育了次一級(jí)的褶曲和小斷裂，伴有少量陷落柱，未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入。構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類。

15#煤層回風(fēng)大巷設(shè)計(jì)為矩形斷面，寬度為5.8 m，高度為4.3 m，頂板石灰?guī)r厚度穩(wěn)定，完整性好，巖性堅(jiān)硬，是一層穩(wěn)定的巖層，是阻止上覆地層壓力下傳的關(guān)鍵巖層。

2 圍巖穩(wěn)定性確定

查閱相關(guān)資料，確定利用WQCZ-56型鉆孔觸探儀，在回風(fēng)井附近，布置4個(gè)測(cè)站，對(duì)15#煤層回風(fēng)大巷圍巖進(jìn)行原位巖石力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試。觀測(cè)巷道采用CXK-12型礦用鉆孔成像儀對(duì)進(jìn)行圍巖破壞范圍與裂隙發(fā)育程度進(jìn)行觀測(cè)。在測(cè)量時(shí)，應(yīng)選取遠(yuǎn)離構(gòu)造帶的區(qū)域，盡量避開(kāi)巷道群，具有良好的通風(fēng)、供水、供電、運(yùn)輸條件以及巷道幾何參數(shù)滿足打鉆要求的巷道。測(cè)站位置見(jiàn)圖1。

圖1 回風(fēng)井井底1至4號(hào)窺視孔布置

2.1 圍巖強(qiáng)度確定

對(duì)經(jīng)坊莊子河15#煤層回風(fēng)大巷圍巖力學(xué)測(cè)定，并進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)整理，可得到其圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

匯總四個(gè)測(cè)站巷道圍巖鉆孔成像資料，圖2（a）、（b）為1號(hào)窺視孔窺視截圖，在巷道頂板上方6.323 m處存在破碎夾層，7.144 m處存在較大裂隙；圖2（c）、（d）為2號(hào)窺視孔窺視截圖，在巷道頂板上方4.045 m處存在橫向裂隙，6.659 m處存在傾斜裂隙；圖2（e）、（f）為3號(hào)窺視孔窺視截圖，在巷道頂板上方5.562 m處存在傾斜裂隙，6.960 m處存在傾斜裂隙；圖2（g）、（h）為4號(hào)窺視孔窺視截圖，在巷道頂板上方3.122 m處存在豎向裂隙，6.089 m處存在較大豎向裂隙。

通過(guò)鉆孔窺視影像分析可知，15#煤層回風(fēng)大巷巷道直接頂為4.04～6.91 m的K2石灰?guī)r。本層石灰?guī)r厚度變化不大，巖層有較強(qiáng)的完整性，巖層巖石力學(xué)參數(shù)穩(wěn)定且比較堅(jiān)硬，巖層原位抗壓強(qiáng)度達(dá)到了63.2 MPa，抗拉強(qiáng)度為3.41 MPa，空隙率僅為2.27%，綜合判斷為不易軟化性巖石，是一層穩(wěn)定的巖層，是阻止上覆地層壓力下傳的關(guān)鍵巖層；K2石灰?guī)r之上為灰黑色泥巖或砂質(zhì)泥巖，巖層賦存為層狀，砂狀泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，并隨著孔深增大含砂質(zhì)顆粒增加，局部變化為粉砂巖。厚度變化起伏不大，一般為0.824 m。自然抗壓強(qiáng)度為22.1 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.92 MPa。通過(guò)鉆孔窺視影像分析，這層巖層出現(xiàn)較多的裂隙、節(jié)理、離層帶和破碎帶，說(shuō)明受礦壓影響較大，自身殘余強(qiáng)度較低，由于其下巖層為厚度較大的致密K2石灰?guī)r，該石灰?guī)r強(qiáng)度大，穩(wěn)定性完整好，能夠有效控制這層破碎帶。泥巖之上為灰色-灰白色砂巖，主要由粉砂巖、細(xì)砂巖和中砂巖組成，砂質(zhì)顆粒結(jié)構(gòu)，厚度穩(wěn)定，完整性好，巖性堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度為60 MPa。

2.3 15#煤層回風(fēng)大巷錨桿支護(hù)原則

根據(jù)前面的分析以及15#煤層回風(fēng)大巷實(shí)際條件，確定巷道頂板支護(hù)應(yīng)采用彈塑性穩(wěn)定狀態(tài)的原則，巷道兩幫支護(hù)應(yīng)采用松動(dòng)性穩(wěn)定狀態(tài)的原則。其具體錨桿支護(hù)原則如下：

（1）頂板錨桿支護(hù)原則：根據(jù)頂板巖性特征，采用組合梁理論和擠壓加固理論相結(jié)合的方法，確定合理的支護(hù)方案。利用錨桿、金屬網(wǎng)、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)的形式，使巷道圍巖形成組合梁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)頂板承載能力，保障圍巖穩(wěn)定。

（2）兩幫錨桿支護(hù)原則：根據(jù)兩幫圍巖較為破碎的實(shí)際情況，兩幫的錨桿支護(hù)采用擠壓加固理論和整體錨固理論相結(jié)合的方法。利用錨桿、金屬網(wǎng)、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)的形式，使兩幫圍巖形成整體結(jié)構(gòu)，減小兩幫變形，防止出現(xiàn)片幫等安全事故。

圖2 鉆孔窺視成像截圖

2.4 15#煤層回風(fēng)大巷巷道支護(hù)參數(shù)確定

根據(jù)前面的分析結(jié)果，應(yīng)當(dāng)充分利用經(jīng)坊莊子河煤業(yè)15#煤層回風(fēng)大巷巷道頂板賦存的厚層堅(jiān)硬石灰?guī)r巖層，通過(guò)錨桿、金屬網(wǎng)、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)的形式，確保頂板巖層處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)強(qiáng)化表面整體支護(hù)手段。確定支護(hù)參數(shù)為：

頂板支護(hù)：采用Φ20mm×2000mm的M22螺紋鋼錨桿，間排距為頂1000mm×1000mm，每排布置6根，兩側(cè)錨桿向兩幫傾斜10°，其余垂直頂板布置，無(wú)錨索，采用Φ6鋼筋焊接網(wǎng)，網(wǎng)片尺寸為5.8 m×1.1 m，噴射強(qiáng)度為C20的混凝土，噴射混凝土厚度為150mm。

兩幫支護(hù)：采用Φ20mm×2000mm的M22螺紋鋼錨桿，間排距為頂900mm×1000mm，每幫每排布置5根，頂部錨桿距離頂板300mm，向頂板傾斜10°，底部錨桿距離底板400mm，向底板傾斜10°，其余垂直巷幫布置，采用Φ6鋼筋焊接網(wǎng)，網(wǎng)片尺寸為4.2 m×1.1 m，噴射強(qiáng)度為C20的混凝土，噴射混凝土厚度為150mm。

巷道支護(hù)斷面見(jiàn)圖3。

圖3 巷道支護(hù)方案

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)經(jīng)坊莊子河煤業(yè)實(shí)際地質(zhì)情況，利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和理論分析的方法，對(duì)其回風(fēng)大巷圍巖控制進(jìn)行分析研究，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)鉆孔窺視影像分析可知，15#煤層回風(fēng)大巷巷道直接頂為4.04～6.91 m的K2石灰?guī)r，巖層有較強(qiáng)的完整性，巖層巖石力學(xué)參數(shù)穩(wěn)定且比較堅(jiān)硬，巖層原位抗壓強(qiáng)度達(dá)到了63.2 MPa，抗拉強(qiáng)度為3.41 MPa，綜合判斷為不易軟化性巖石，是一層穩(wěn)定的巖層，是阻止上覆地層壓力下傳的關(guān)鍵巖層

2）充分利用15#煤層上覆堅(jiān)硬頂板高強(qiáng)度及穩(wěn)定性，給出合理的支護(hù)參數(shù)為：錨桿Φ20mm×2000mm的螺紋鋼錨桿，間排距為頂900mm×1000mm，無(wú)錨索，噴射混凝土強(qiáng)度為C20，噴射混凝土厚度為150mm。

〔1〕黃岑麗.潞安礦區(qū)煤炭開(kāi)采對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響的研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2013.

〔2〕任春星.耿村礦失穩(wěn)巷道耦合加固技術(shù)研究[J].中州煤炭，2016（7）：85-88+124.

〔3〕鞠文君，付玉凱.我國(guó)煤礦巷道支護(hù)的難題與對(duì)策[J].煤礦開(kāi)采，2015，20（6）：1-5.

〔4〕李占彪.大斷面永久硐室支護(hù)技術(shù)研究[J].陜西煤炭，2015，34（4）：37-39.

〔5〕焦積潤(rùn)，趙 雷.華陽(yáng)煤業(yè)開(kāi)拓巷道支護(hù)實(shí)例研究與分析[J].山東煤炭科技，2016（3）：38-39.

〔6〕常江陽(yáng)，張東峰.堅(jiān)硬頂板大斷面巷道的破壞機(jī)理及合理支護(hù)研究[J].煤炭技術(shù)，2014，33（7）：109-112.

〔7〕劉 三，查文華，張 亮，等.堅(jiān)硬頂板下巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析[J].煤炭技術(shù)，2017，36（1）：84-85.