基于掘錨一體化特厚頂煤巷道快速掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)

李軍

（山西魯能河曲電煤開發(fā)有限責(zé)任公司 上榆泉煤礦， 山西 忻州 036504）

隨著我國煤炭開采機(jī)械化水平的提高，高產(chǎn)高效礦井對巷道的掘進(jìn)效率提出了更高的要求。而我國煤礦巖巷掘進(jìn)中的地質(zhì)條件、成本和效益等因素決定了其主要掘進(jìn)方法。因此，掘進(jìn)中的各項工藝效率，采用科學(xué)的工藝、設(shè)計合理的支護(hù)方案是實現(xiàn)煤礦高效掘進(jìn)的重要保障。煤礦集團(tuán)公司在開采特厚煤層，如某煤礦主采10#煤層，平均厚度為11.7 m，不僅煤層厚度大，而且煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如10#煤層有火成巖侵入，侵入煤層處發(fā)生變質(zhì)甚至硅化，使煤層在垂直向上由原來單一的正常煤層形成了包含煌斑巖、硅化煤、混煤和正常煤等多種成份的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。混煤結(jié)構(gòu)疏松并且性脆易碎，成碎塊狀甚至粉末狀，極易冒落。鑒于特厚煤層綜放工作面巷道條件，采用傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)形式難以控制特厚頂煤巷道圍巖大變形，必須研究新的支護(hù)方法與技術(shù)，以解決這一支護(hù)難題。

一、特厚頂煤巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)特性及可錨性測試

（一）煤層強(qiáng)度

采用兩種方法對煤層強(qiáng)度進(jìn)行了測量：一是現(xiàn)場取樣，在實驗室進(jìn)行煤樣的壓縮試驗；二是采用鉆孔觸探法，在進(jìn)行巷道鉆孔中測試煤層單軸抗壓強(qiáng)度。

（1）實驗室試驗。在煤礦1002回風(fēng)順槽頂板對10#煤層現(xiàn)場取樣，加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行單軸和不同圍壓下的三軸加載試驗。試驗采用MTS815 GT巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)。加載達(dá)到峰值以前采用軸向載荷控制方法，加載速率30 kN/min；接近峰值時采用橫向變形控制方法。

首先進(jìn)行圍壓為0時的單軸壓縮試驗，得出煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度為15.0 MPa-24.6 MPa，平均為19.8MPa。然后進(jìn)行圍壓下的煤樣壓縮試驗，圍壓分別為3.2 MPa、16 MPa和22.4 MPa，圍壓加載速率為3 MPa/min。試驗結(jié)果如圖所示。

從圖中可以看出：隨著圍壓增加，煤樣抗壓強(qiáng)度不斷增加。圍壓為3.2 MPa時，煤樣抗壓強(qiáng)度增加到38.3 MPa，接近單軸抗壓強(qiáng)度的2倍；圍壓增大至16 MPa時，煤樣抗壓強(qiáng)度超過60 MPa，圍壓增大至22.4 MPa時，煤樣抗壓強(qiáng)度超過100 MPa，達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度的5倍以上。在低圍壓下，煤樣整體表現(xiàn)為脆性破壞特征；隨著圍壓增加，脆性破壞特征減弱，塑性變形顯著增加，對比煤樣在不同圍壓下的壓縮試驗結(jié)果可知，煤體在單軸壓縮時抗壓強(qiáng)度最小，當(dāng)處于三向受力狀態(tài)時，較小的圍壓也能顯著提高煤體抗壓強(qiáng)度。因此，對于特厚頂煤巷道，開挖后及時給圍巖表面提供一定的約束力，可顯著改善圍巖受力狀態(tài)，提高圍巖的穩(wěn)定性。

（2）井下試驗。采用鉆孔觸探法在井下巷道鉆孔中進(jìn)行了煤層強(qiáng)度原位測試［1］。在頂板中部垂直向上、巷幫中部水平方向各布置1個深度10 m的鉆孔，采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測試裝置測量頂板及幫部煤層抗壓強(qiáng)度。煤礦輔運(yùn)大巷測試結(jié)果為：頂板鉆孔煤層抗壓強(qiáng)度平均值為10.1 MPa，巷幫煤層抗壓強(qiáng)度平均值為12.7 MPa；1002回風(fēng)順槽測試結(jié)果為：頂板鉆孔煤層抗壓強(qiáng)度平均值為12.4 MPa，巷幫鉆孔煤層抗壓強(qiáng)度均值為13.4 MPa。將實驗室試驗結(jié)果與井下原位測試結(jié)果對比分析可知，井下原位測試數(shù)據(jù)明顯低于實驗室數(shù)據(jù)。主要原因是實驗室煤樣測出的是完整煤塊的強(qiáng)度，而井下原位測量得出的結(jié)果更接近煤體的強(qiáng)度。

（二）煤層結(jié)構(gòu)

該礦區(qū)特厚煤層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，以煤礦10#煤層為例，受火成巖侵入影響，3-5#煤層在垂直方向上結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，強(qiáng)度變化大。硅化煤強(qiáng)度較大，而混煤結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度極低，。在塔山煤礦的膠帶大巷、輔運(yùn)大巷、回風(fēng)大巷及首采工作面順槽中，采用KDVJ-400型礦用電子鉆孔窺視儀進(jìn)行了圍巖結(jié)構(gòu)觀察。巷道頂煤結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果如圖。

觀察結(jié)果很直觀地反映了巷道頂板的結(jié)構(gòu)分布狀況。頂煤中發(fā)育著各種層理與橫向裂隙、縱向、斜交節(jié)理與裂隙，淺部的煤體比較破碎，一些位置發(fā)生了明顯的離層。這些結(jié)構(gòu)對巷道頂板的完整性與穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。

（三）地應(yīng)力

由于煤層強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)比較破碎，在煤層中進(jìn)行地應(yīng)力測量非常困難。為了解特厚煤層周圍原巖應(yīng)力狀態(tài)，在該煤礦煤層頂板巖石中進(jìn)行了地應(yīng)力測量。采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量裝置［2］，在煤礦輔運(yùn)大巷、1002順槽進(jìn)行了測點的地應(yīng)力測量結(jié)果表明：

（1）3個測點最大水平主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，地應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢。

（2）最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值為1.02-1.09，兩者相差不大。最大、最小水平主應(yīng)力的比值為1.49-1.86，兩者相差較大，說明水平應(yīng)力具有明顯的方向性。

（3）3 個測點的最大水平主應(yīng)力方向均為NNE向，測量結(jié)果比較一致，說明測量區(qū)域受NNE向的構(gòu)造應(yīng)力作用。

（4）3 個測點最大水平主應(yīng)力的平均值為12.3MPa，該值大于井下原位測試煤層單軸抗壓強(qiáng)度平均值12.2 MPa，但兩者很接近，說明原巖應(yīng)力已經(jīng)超過煤層強(qiáng)度。

（四）煤層可錨性

如錨桿、錨索支護(hù)是厚及特厚煤層綜放開采工作面回采巷道有效的支護(hù)方式，但能否采用該種支護(hù)方式的關(guān)鍵是巷道頂煤的可錨性，即錨桿、錨索在煤層中的錨固力必須滿足設(shè)計要求。為此，在井下進(jìn)行了錨桿、錨索拉拔試驗。煤礦10#煤層錨桿、錨索拉拔試驗結(jié)果表明：在較硬、較完整的頂煤部位，錨桿采用一支K2335型、一支Z2360 型樹脂錨固劑錨固后，錨固力能夠達(dá)到150 kN以上；錨索采用一支K2335型、兩支Z2360型樹脂錨固劑錨固后，錨固力可達(dá)250 kN。但是，在火成巖侵入影響的破碎煤體中錨桿、錨索錨固力較低，錨索錨固力小于100 kN，不符合錨桿、錨索錨固力設(shè)計要求。在煤礦厚頂煤中也進(jìn)行了錨索錨固力試驗，錨索在煤層中錨固力能達(dá)到250 kN。由此可以得出：在較硬、較完整的頂煤部位，錨桿、錨索錨固力可滿足設(shè)計要求，而在松軟破碎的煤層部位，錨桿、錨索的可錨性差，錨固力低。因此，在特厚頂煤巷道中采用錨桿、錨索支護(hù)時，必須選擇合理的錨固位置，通過全長或加長錨固保證錨桿、錨索的錨固性能。

二、特厚頂煤巷道錨桿支護(hù)原理與方法

（一）特厚頂煤巷道支護(hù)原理

（1）煤頂巷道變形主要包括兩部分：一是煤體結(jié)構(gòu)面離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形；二是煤體彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形。合理的煤頂巷道支護(hù)應(yīng)大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度，有效控制煤體擴(kuò)容變形，保持頂煤的完整性。同時支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率，允許第二種變形發(fā)生，使高應(yīng)力得以釋放。

（2）錨桿與錨索預(yù)應(yīng)力對支護(hù)效果起決定性作用，根據(jù)煤頂巷道條件，將錨桿、錨索錨固到合理的位置，并施加合理的預(yù)應(yīng)力，且使預(yù)應(yīng)力有效擴(kuò)散到圍巖中是支護(hù)設(shè)計的關(guān)鍵。

（3）錨索在煤頂巷道中的作用主要有兩方面：其一是將錨桿支護(hù)在頂煤中形成的承載結(jié)構(gòu)與深部煤體相連，提高承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，條件是錨索必須錨固到較硬、較完整的煤層中；其二是錨索施加較大預(yù)應(yīng)力，與錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)組合成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主動支護(hù)圍巖。

（4）對于特厚煤頂巷道，應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿與錨索支護(hù)，實現(xiàn)巷道服務(wù)期間一次支護(hù)，盡量避免二次支護(hù)和巷道維修。

（二）特厚頂煤巷道支護(hù)方法

根據(jù)特厚頂煤巷道特點及上述的支護(hù)原理，確定特厚頂煤巷道的支護(hù)方式為：高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度樹脂加長錨固錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)，在圍巖破碎地段，可進(jìn)行注漿加固。錨桿與錨索支護(hù)參數(shù)的設(shè)計采用動態(tài)信息設(shè)計法。該設(shè)計方法有兩大特點：其一，設(shè)計不是一次完成的，而是一個動態(tài)過程；其二，設(shè)計充分利用每個過程中提供的信息，實時進(jìn)行信息收集、信息分析與信息反饋。該設(shè)計方法包括五部分：巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估、初始設(shè)計、井下監(jiān)測、信息反饋與修正設(shè)計。初始設(shè)計一般采用數(shù)值模擬結(jié)合已有的經(jīng)驗提出。初始設(shè)計實施于井下后進(jìn)行詳細(xì)的圍巖位移和錨桿、錨索受力監(jiān)測；根據(jù)監(jiān)測結(jié)果判斷初始設(shè)計的合理性，必要時修正初始設(shè)計。正常施工后應(yīng)進(jìn)行日常監(jiān)測，保證巷道安全。

結(jié)論

（1）礦區(qū)特厚煤層綜放工作面回采巷道的特點主要表現(xiàn)為：頂煤厚度大，火成巖侵入后煤體破碎、強(qiáng)度變化劇烈；為滿足大型設(shè)備運(yùn)輸和通風(fēng)需求，巷道斷面大；頂板巖石強(qiáng)度高，采動影響強(qiáng)烈。這些特點為回采巷道支護(hù)帶來一系列難題，對支護(hù)技術(shù)要求較高。

（2）特厚煤頂巷道變形主要由煤體結(jié)構(gòu)面離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形引起。合理的煤頂巷道支護(hù)應(yīng)大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度，有效控制煤體擴(kuò)容變形，保持頂煤的完整性。

（3）特厚頂煤巷道錨桿、錨索全部錨固于煤層中。錨桿、錨索支護(hù)的關(guān)鍵是根據(jù)煤層強(qiáng)度和完整性確定合理的錨桿、錨索錨固位置，通過全長、加長錨固甚至注漿加固提高錨桿、錨索錨固性能，并施加高預(yù)應(yīng)力對圍巖變形實施主動控制。