開(kāi)拓煤礦大傾角“三軟”煤層巷道支護(hù)評(píng)價(jià)

武晉文

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司二礦，山西 陽(yáng)泉 045000)

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

某煤礦202工作面開(kāi)采二- 2煤層，該煤層厚度1.5～9.2m，平均5.6m，厚度變化較大。煤巖類(lèi)型以半亮型及半暗型為主，含鏡煤及絲炭條帶，具不明顯的線理狀結(jié)構(gòu)，瀝青～弱玻璃光澤，內(nèi)生節(jié)理不發(fā)育，中夾數(shù)層暗煤薄層，厚0.3～0.5m，其中：半亮型煤煤質(zhì)軟，易呈碎塊及粉末狀；半暗型及暗淡型煤煤質(zhì)堅(jiān)硬，呈塊狀。

該煤層直接頂為黑色泥巖，有滑面，含鏡煤條帶，與薄層狀粉砂巖交替出現(xiàn)，平均3.51m，含植物化石碎片，節(jié)理發(fā)育，較軟，易沿滑面及裂隙冒落，不易支護(hù)；偽頂為黑色泥巖、灰黑色～灰白色粉砂巖，含鏡煤條帶，厚度0～2.1m；頂板巖石按飽和抗壓強(qiáng)度分類(lèi)屬軟弱巖石，按軟化系數(shù)分類(lèi)屬軟化巖石。

煤層直接底為深灰、灰黑色細(xì)砂巖，中間夾灰黑色泥巖、粉砂巖，平均厚度3.2m；偽底為深灰、灰黑色泥巖與炭質(zhì)泥巖交替沉積，巖石松散有滑面，厚度0～1.45m；老底為淺灰、深灰色砂巖，厚度5.35m。由于二- 2煤層頂?shù)装鍘r石總體屬極軟～軟巖類(lèi)，其巷道容易發(fā)生冒頂或片幫，對(duì)掘進(jìn)速度影響較大。

1.2 巷道圍巖特性分析

(1)煤層的整體性較差。二- 2煤層層理發(fā)育較為明顯，且內(nèi)有數(shù)層軟硬薄夾層交替出現(xiàn)，軟夾層成粉末狀、硬夾層成塊狀，掘進(jìn)后巷道成形差。由于煤層軟，易導(dǎo)致錨桿、錨索的錨固力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，尤其是隨著巷道服務(wù)期的延長(zhǎng)，其后期錨固力失效問(wèn)題嚴(yán)重[1～2]。

(2)煤層頂板為復(fù)合軟巖頂板，穩(wěn)定性較差。二- 2煤層直接頂為黑色泥巖，有滑面與薄層狀粉砂巖交替出現(xiàn)，不同巖層強(qiáng)度差異大可導(dǎo)致軟弱巖層的脫層，易發(fā)生頂板冒頂事故。

(3)煤層及頂?shù)装鍘r層傾角較大。由于傾角大，在自重應(yīng)力的作用下巖層之間容易發(fā)生巖層錯(cuò)動(dòng)，從而導(dǎo)致巷道頂板破碎，兩幫片幫等現(xiàn)象。

(4)頂板裂隙水對(duì)巷道支護(hù)影響較大。由于頂?shù)装鍘r性的泥質(zhì)含量高，其遇水后將出現(xiàn)明顯的巖石變軟、泥化現(xiàn)象，巷道容易發(fā)生整體變形，尤其是底板底鼓嚴(yán)重。

(5)煤層表面風(fēng)化碎裂。巷道掘進(jìn)后，煤層表面受風(fēng)化影響，強(qiáng)度將明顯降低，易出現(xiàn)圍巖碎裂現(xiàn)象。

2 原支護(hù)方式巷道穩(wěn)定性分析

2.1 原錨網(wǎng)噴支護(hù)方式

原巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)+錨索+噴漿聯(lián)合支護(hù)形式[3]。

(1)錨桿支護(hù)系統(tǒng)。錨桿采用φ22mm×2 400mm左旋無(wú)縱筋普強(qiáng)錨桿，配置125mm×125mm×100mm穹形金屬?zèng)_壓墊片、半球墊、尼龍減摩墊片和M24快裝螺母，外加200mm×200mm×60mm木托板。錨桿按間排距700mm×700mm矩形布置。每根頂錨桿使用1節(jié)CK2335和2節(jié)Z2360型樹(shù)脂藥卷錨固，幫錨桿使用2節(jié)Z2360型樹(shù)脂藥卷錨固。

(2)表面支護(hù)。采用φ12mm鉛絲編織的菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格30mm×30mm，網(wǎng)片采用長(zhǎng)、短邊搭接的連接方式，搭接長(zhǎng)度為50mm。

(3)錨索輔助支護(hù)。采用φ17.8mm×7 300mm鋼絞線錨索，每隔2.8m在巷道頂部打2根。錨索采用3節(jié)Z2360型樹(shù)脂藥卷錨固。錨索托板使用300mm×300mm×80mm木托板加200mm×200mm×16mm鐵托板，鐵托板中孔直徑20mm。

(4)噴漿。巷道施工后對(duì)巷道進(jìn)行噴漿處理，噴漿厚度不小于100mm。

2.2 原錨網(wǎng)噴支護(hù)方式穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

巷道在初次支護(hù)90 d后進(jìn)行了第一次整體維修，第一個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間為2017年9月。采用數(shù)理分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)巷道頂?shù)装逡平恳约白冃嗡俣炔捎煤瘮?shù)進(jìn)行擬合。根據(jù)擬合函數(shù)在時(shí)間趨于無(wú)限大時(shí)進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷巷道的穩(wěn)定性。其中頂?shù)装逡平亢晚數(shù)装遄冃嗡俣扔^測(cè)分析如表1和圖1。

表1 巷道頂板位移量及變形速度統(tǒng)計(jì)表

圖1 巷道頂?shù)装逦灰屏考白冃嗡俣惹€

根據(jù)回歸分析理論，采用最小二乘法[4～5]對(duì)巷道頂?shù)装逡平壳€進(jìn)行擬合[4～5]。

設(shè)巷道移近量函數(shù)的形式為：

u=AtB

(1)

兩邊取對(duì)數(shù)：

y=logu=log(AtB)=logA+Bt

(2)

設(shè)t=x，logA=C，得到線性函數(shù)：

y=C+Bx

式中：u——頂板下沉量，mm；

t——時(shí)間，d；

A、B——待定常數(shù)。

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析得知目前采用的錨網(wǎng)噴支護(hù)是不適宜的。圖2反映了原巷道的基本變形情況。

圖2 井下巷道整體變形圖

3 原支護(hù)存在的問(wèn)題

(1)錨桿的實(shí)際安裝扭矩小，低錨桿預(yù)緊力不利于實(shí)現(xiàn)錨桿的主動(dòng)支護(hù)作用。盡管《巷道掘進(jìn)作業(yè)規(guī)程》中要求的錨桿安裝扭矩為350N·m，但由于頂板錨桿鉆機(jī)的輸出額定扭矩僅為130N·m，從目前的施工準(zhǔn)備來(lái)看，不借助輔助裝置僅采用鉆機(jī)施工實(shí)現(xiàn)350N·m的安裝扭矩幾乎是不可能的。

(2)木托盤(pán)對(duì)錨桿預(yù)緊力的施加和保持的負(fù)面影響很大。盡管木托盤(pán)的受力面積較大，但由于其抗壓強(qiáng)度低，當(dāng)圍巖變形時(shí)木托盤(pán)就會(huì)產(chǎn)生低位讓壓現(xiàn)象，如圖3，使得錨桿受力滯后且無(wú)法快速獲得支護(hù)圍巖所需的阻力(待其承力時(shí)，圍巖已經(jīng)變形很大)，造成圍巖變形進(jìn)一步增大，極大地影響了錨桿的初期工作效率(現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫的變形較大，但錨桿受力很低)。

圖3 圍巖應(yīng)力和巷道變形特性曲線

從錨桿支護(hù)系統(tǒng)整體支護(hù)效果看，木托盤(pán)是支護(hù)系統(tǒng)中的薄弱點(diǎn)。由于煤質(zhì)較松軟，巷道掘進(jìn)后的初期變形較大，所以控制住圍巖的初期變形是巷道支護(hù)的關(guān)鍵之一。在初期系統(tǒng)受力時(shí)，原支護(hù)系統(tǒng)首先發(fā)生變形的為木托盤(pán)，當(dāng)系統(tǒng)受力增大時(shí)木托盤(pán)易發(fā)生劈裂或鐵托盤(pán)壓入現(xiàn)象，支護(hù)系統(tǒng)受力迅速降低。當(dāng)錨桿受力時(shí)由于初期變形大，巷道圍巖裂隙向深部擴(kuò)展速度加快，一段時(shí)間后很容易造成支護(hù)系統(tǒng)失效，錨桿支護(hù)系統(tǒng)將隨巷道變形一起內(nèi)移，巷道將出現(xiàn)整體變形。

(3)表面支護(hù)強(qiáng)度低，錨桿的外部支托條件很差。對(duì)于巷道表面破碎的松軟煤巷，表面支護(hù)應(yīng)作為支護(hù)的重點(diǎn)。巷道掘進(jìn)后，通過(guò)采用高強(qiáng)度的表面支護(hù)配合錨網(wǎng)索及時(shí)支護(hù)，能有效地防止巷道表面破壞向深部發(fā)育，同時(shí)給支護(hù)系統(tǒng)提供良好的外部著力點(diǎn)，有利于錨桿預(yù)緊力的保持和錨桿支護(hù)系統(tǒng)的受力穩(wěn)定或正常增加。

(4)針對(duì)性設(shè)計(jì)存在缺陷。原201工作面回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)僅為常規(guī)設(shè)計(jì)，適用于條件較為簡(jiǎn)單的情形，缺乏針對(duì)性的設(shè)計(jì)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)錨桿受力及巷道變形觀測(cè)情況，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，巷道左肩窩與右底角部位的圍巖所受水平應(yīng)力明顯大于巷道其它部位，支護(hù)設(shè)計(jì)必須考慮到其受力特點(diǎn)。

(5)在圍巖產(chǎn)生碎漲變形時(shí)，錨桿錨固力保持性能差，后期支護(hù)效率低。巷道圍巖強(qiáng)度較低，特別是巷道兩幫(煤層)，錨桿的后期錨固力降低明顯，有的甚至完全喪失，所以必須采取措施保持錨桿、錨索的錨固力的長(zhǎng)期穩(wěn)定，確保錨桿、錨索受力不隨時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯降低。

(6)錨桿施加預(yù)緊力滯后時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法做到及時(shí)支護(hù)。由于圍巖初期變形較大，錨桿預(yù)緊力施加滯后不利于巷道圍巖的穩(wěn)定維護(hù)，嚴(yán)重影響錨桿的初期工作效率及最終工作效率。因此，必須選擇快裝錨桿及合適的錨固劑，實(shí)現(xiàn)及時(shí)早期支護(hù)。

(7)巷道底鼓量大，返修次數(shù)將隨著時(shí)間延長(zhǎng)增加。加強(qiáng)幫部支護(hù)強(qiáng)度，降低底鼓量。必要時(shí)對(duì)底板采取針對(duì)性治理措施。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)圍巖特性分析，煤巖層自身傾角較大、整體性較差；煤層頂?shù)装鍨槟噘|(zhì)軟巖，在水或風(fēng)的作用下強(qiáng)度急劇下降，該種“三軟”圍巖特性不利于巷道圍巖的穩(wěn)定維護(hù)。

(2)從受力的角度考慮，大傾角“三軟”回采巷道在巷道肩窩和底板處為應(yīng)力集中點(diǎn)，一般其應(yīng)力集中區(qū)首先發(fā)生破壞，進(jìn)而影響整個(gè)斷面，誘發(fā)整體動(dòng)態(tài)變形。

(3)通過(guò)對(duì)原巷道變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析可知，在時(shí)間趨近無(wú)窮大時(shí)，位移為發(fā)散的，而變形速度趨近于常數(shù)0.081，也就是說(shuō)原巷道支護(hù)方式不能有效改變圍巖的流變特性，變形速度不為零，圍巖變形也就不會(huì)停止，直至巷道最終破壞失穩(wěn)。

(4)從巷道圍巖特性、力學(xué)特征及原支護(hù)系統(tǒng)巷道變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析可以看出，原有的支護(hù)方案在開(kāi)采大傾角“三軟”煤層回采巷道中是不適用的。