馬蘭礦10505工作面低抽巷松散軟弱圍巖控制技術(shù)研究

崔海軍

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭礦,山西 太原 030205)

我國是以煤炭為主要消費能源的產(chǎn)煤大國，煤炭支撐著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，隨著煤炭開采強(qiáng)度的持續(xù)增加，國內(nèi)中東部淺埋、易采煤層已逐漸開采殆盡，煤炭開采面臨的條件日益復(fù)雜化[1]。長期以來，礦井瓦斯事故一直是礦井災(zāi)害中發(fā)生頻率、傷害程度最大的[2]。目前，瓦斯抽采成為我國高瓦斯礦井、煤與瓦斯礦井工作面開采前的首要工作，其中，工作面布置低抽巷進(jìn)行瓦斯作為一項治理瓦斯的手段應(yīng)用較為廣泛[3]。

隨著煤炭開采條件的惡化，深井巷道、軟巖巷道圍巖大變形情況日益突出[4-5]，其中，軟巖巷道具有自穩(wěn)時間短、持續(xù)、快速大變形等特點，巷道維護(hù)相對困難。而低抽巷圍巖穩(wěn)定能夠有效保障其持續(xù)安全抽采瓦斯，保障工作面安全正常生產(chǎn)，因此，礦井對底抽巷斷面尺寸要求、圍巖表面收斂情況都有著明確規(guī)定和要求[6]。馬蘭礦10505工作面低抽巷圍巖松散軟弱，易大變形，為保障試驗巷道服務(wù)期間，其斷面尺寸、變形發(fā)育情況滿足瓦斯抽采要求，本文以10505工作面低抽巷松散軟弱圍巖為研究對象，通過分析軟巖巷道變形規(guī)律，揭示軟巖巷道失穩(wěn)及穩(wěn)定控制路徑，開發(fā)馬蘭礦10505工作面低抽巷松散軟弱圍巖控制技術(shù)，研究成果可為類似條件巷道圍巖控制提供借鑒。

1 工程背景

馬蘭礦位于山西古交(圖1)，位于低山區(qū)，整體呈西南高、東北低，年產(chǎn)400萬t。10505工作面回采山西組02煤層，平均厚度2.00 m；上部存在0.2 m偽頂；直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，遇水易變軟，厚度在2.2～4.7 m之間，平均3.4 m；基本頂為強(qiáng)度較大的粉砂巖，平均厚度3.1 m；基本底為2.6 m的細(xì)砂巖，瓦斯含量較高，為此，馬蘭礦計劃布置低抽巷進(jìn)行10505工作面瓦斯抽采，10505低抽巷布置在松散軟弱圍巖，屬軟巖巷道，斷面寬4.8 m，高2.8 m。

圖1 馬蘭礦地理位置圖

2 軟巖巷道變形規(guī)律特征

軟巖巷道包括工程軟巖巷道和地質(zhì)軟巖巷道，該類巷道圍巖具有明顯的流變現(xiàn)象，易失穩(wěn)，支護(hù)不當(dāng)極可能導(dǎo)致巷道大變形，在提出軟巖巷道圍巖控制技術(shù)之前，首先進(jìn)行分析軟巖巷道的變形特征，圖2給出了幾條軟巖巷道現(xiàn)場變形照片，從圖中可以看出軟巖巷道圍巖變形情況十分嚴(yán)重。

下面總結(jié)了幾條軟巖巷道變形特征：

(1)自穩(wěn)時間短：巷道掘出后，若不及時進(jìn)行支護(hù)，幾個小時、甚至幾十分鐘巷道就開始失穩(wěn)。

圖2 軟巖巷道現(xiàn)場變形照片

(2)持續(xù)、快速大變形：軟巖巷道具有變形時間長、速度快、變形大等特點，普遍存在持續(xù)變形時間高達(dá)半年以上、變形量高達(dá)1 m以上、變形速度高達(dá)50 mm/d以上。

(3)底鼓劇烈：劇烈底鼓誘發(fā)巷道兩幫出現(xiàn)臺階式變形，頂板冒落，最終導(dǎo)致巷道失穩(wěn)災(zāi)變，因此軟巖巷道底板支護(hù)尤其關(guān)鍵。

(4)不適用剛性支護(hù)：由于變形量大，圍巖自身承載能力低，剛性支護(hù)易損壞。

由于剛性結(jié)構(gòu)支護(hù)的不適用，預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)成為目前軟巖巷道柔性支護(hù)的首選。

3 軟巖巷道控制技術(shù)

3.1 軟巖巷道穩(wěn)定控制原則

(1)協(xié)調(diào)變形原則：協(xié)調(diào)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載變形與圍巖變形完整性，降低碎脹變形量，適應(yīng)巷道來壓時的應(yīng)力變化。

(2)一體化原則：支護(hù)結(jié)構(gòu)-圍巖一體化，通過優(yōu)化設(shè)計支護(hù)參數(shù)，促使支護(hù)-圍巖形成整體承載結(jié)構(gòu)，一體化承載。

(3)局部強(qiáng)化原則：現(xiàn)場工程應(yīng)用時，局部薄弱區(qū)域，如斷層、褶曲等構(gòu)造附近，采用加強(qiáng)支護(hù)，避免局部誘發(fā)巷道整體災(zāi)變。

3.2 軟巖巷道穩(wěn)定控制思路

(1)強(qiáng)化軟巖巖體承載性能

圍巖注漿強(qiáng)化。采用水泥漿液(水灰比1：1.5)注漿提高軟巖巖體承載性能，形成高強(qiáng)度錨固體，降低巖體碎脹變形能力，選擇急增阻高承載中空注漿錨索實現(xiàn)錨注一體化，水泥漿液通過注漿芯管，滲透軟巖巷道圍巖裂隙，黏結(jié)松動圍巖，改善巷道圍巖條件，顯著提高其自承能力，能夠減少圍巖錨固力的衰減，實現(xiàn)一次強(qiáng)化圍巖。

(2)高強(qiáng)度護(hù)表+“三高錨桿”+預(yù)應(yīng)力錨索

“三高錨桿”(高強(qiáng)度、高剛度、高預(yù)緊力)進(jìn)一步強(qiáng)化思路(1)中形成的高強(qiáng)度錨固體，高強(qiáng)度護(hù)表材料約束巷道淺部圍巖碎脹變形(片幫、頂板局部脫落的現(xiàn)象)，限制破裂巖體的剪切滑移變形，實現(xiàn)二次強(qiáng)化圍巖；預(yù)應(yīng)力錨索將巷道淺部圍巖高強(qiáng)度錨固體與深部巖體錨固成一體，實現(xiàn)多次強(qiáng)化支護(hù)。

(3)混凝土厚噴層防風(fēng)化+支護(hù)結(jié)構(gòu)合理補(bǔ)償

混凝土厚噴層50 mm封閉圍巖，進(jìn)行巷道礦壓顯現(xiàn)觀測，進(jìn)行局部加強(qiáng)支護(hù)，采用大直徑錨索+三高錨桿及時修復(fù)所損壞的支護(hù)結(jié)構(gòu)，避免巷道出現(xiàn)大變形現(xiàn)象[7]。

3.3 控制技術(shù)

馬蘭礦10505工作面低抽巷松散軟弱圍巖控制技術(shù)主要包括圍巖注漿強(qiáng)化、高強(qiáng)度護(hù)表+“三高錨桿”+預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)、混凝土厚噴層封閉巖層3部分組成，具體如下：

(1)圍巖注漿強(qiáng)化

采用水泥漿液(水灰比1：1.5)注漿，注漿孔直徑30 mm，長度2 m，間排距1.4 m×1.8 m，急增阻高承載中空注漿錨索規(guī)格L4.3 m×Φ22 mm，配規(guī)格150 mm×150 mm、厚15 mm蝶形托盤，頂板間排距1.4 m×1.6 m。

(2)高強(qiáng)度護(hù)表+“三高錨桿”+預(yù)應(yīng)力錨索

①頂板支護(hù)：錨桿規(guī)格為L2.2 m×Φ22 mm左旋高強(qiáng)錨桿，間排距 0.8 m×0.8 m，配規(guī)格150 mm×150 mm、厚15 mm蝶形托盤，采用6 mm雙筋梯子梁鏈接；錨索規(guī)格為L6.3 m×Φ21.6 mm， 采用2-1-2布置，間距2.2 m，排距0.8 m，配規(guī)格300mm×300 mm、厚20 mm蝶形托盤，采用M型鋼帶連接(厚3 mm)，鋼筋網(wǎng)10#鋼筋編制而成，規(guī)格4.8 m×1 m搭接而成[8]。

②兩幫支護(hù)：錨桿規(guī)格為L2 m×Φ22 mm左旋高強(qiáng)錨桿，間排距 0.8 m×0.8 m，配規(guī)格150 mm×150 mm、厚15 mm蝶形托盤，采用6 mm雙筋梯子梁鏈接；錨索規(guī)格為L4.3 m×Φ21.6 mm，間距 1.2 m×1.6 m，配規(guī)格300 mm×300 mm、厚20 mm蝶形托盤，采用M型鋼帶連接(厚3 mm)，鋼筋網(wǎng)10#鋼筋編制而成，規(guī)格3.0 m×1 m搭接而成。

③底板支護(hù)：錨桿規(guī)格為L2.2 m×Φ22 mm左旋高強(qiáng)錨桿，幫部一排，距底板0.2 m，角度15°，底板一排，距底角0.2 m，間排距 0.8 m，角度45°。

(3)混凝土厚噴層50 mm封閉圍巖

圖3 巷道支護(hù)斷面

4 控制效果分析

馬蘭礦10505工作面低抽巷松散軟弱圍巖控制技術(shù)應(yīng)用后，進(jìn)行了巷道表面位移收斂情況觀測，圖4給出了巷道表面位移收斂與時間的變化曲線，從圖中可看到試驗巷道變形可分為迅速變形(平均變形速率2～3 mm/d)、緩慢變形(平均變形速率低于0.5 mm/d)兩個階段，其中巷道掘出后迅速變形約20 d后，巷道變形進(jìn)入緩慢變形階段，巷道左幫最大移近量約41 mm，右?guī)妥畲笠平考s44 mm，頂板最大移近量約57 mm，底板最大移近量約33 mm，總體來看，巷道底鼓相對嚴(yán)重，但試驗巷道在服務(wù)期內(nèi)并未出現(xiàn)大變形，滿足底抽巷服務(wù)要求，巷道圍巖穩(wěn)定控制效果較好[9]。

圖4 巷道表面移近量

5 結(jié) 論

(1)分析得到了軟巖巷道變形規(guī)律特征：自穩(wěn)時間短，持續(xù)、快速大變形，底鼓劇烈，剛性支護(hù)易損壞等特點；提出了軟巖穩(wěn)定控制3個原則：①協(xié)調(diào)變形原則，②一體化原則，③局部強(qiáng)化原則；基于此，形成了軟巖巷道穩(wěn)定控制思路：①強(qiáng)化軟巖巖體承載性能，②高強(qiáng)度護(hù)表+“三高錨桿”+預(yù)應(yīng)力，③錨索混凝土厚噴層防風(fēng)化+支護(hù)結(jié)構(gòu)合理補(bǔ)償[10]。

(2)開發(fā)了馬蘭礦10505工作面低抽巷松散軟弱圍巖控制技術(shù)：①圍巖注漿+中空注漿錨索強(qiáng)化圍巖形成高強(qiáng)度錨固體；②高強(qiáng)度護(hù)表+“三高錨桿”+預(yù)應(yīng)力錨索二次強(qiáng)化圍巖，促使淺部-深部巖體一體化；③混凝土厚噴層封閉圍巖防風(fēng)化+支護(hù)結(jié)構(gòu)合理補(bǔ)償。目前，該控制技術(shù)已成功應(yīng)用于馬蘭礦10505低抽巷，礦壓監(jiān)測顯示，試驗巷道松散軟弱圍巖控制效果良好，可為類似軟巖巷道、低抽巷圍巖控制提供參考。