麻地梁礦509膠帶順槽支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究

吳勁松

（內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 017100）

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的增長(zhǎng)，不斷加強(qiáng)煤炭開(kāi)采深度，導(dǎo)致深部巷道圍巖變形問(wèn)題引起的災(zāi)害事故愈加嚴(yán)重[1]。為了保證礦井安全生產(chǎn)，提高社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)加強(qiáng)煤巖體結(jié)構(gòu)觀察，分析頂板各種層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育情況，判斷頂板完整性和穩(wěn)定性，并在地下開(kāi)采活動(dòng)中使用錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)以加強(qiáng)巷道圍巖穩(wěn)定控制[2]。

鉆孔窺視技術(shù)能得到鉆孔臂的完整圖像，通過(guò)監(jiān)測(cè)屏幕實(shí)時(shí)觀測(cè)鉆孔結(jié)構(gòu)，觀測(cè)結(jié)果直觀、清晰、立體感強(qiáng)等特點(diǎn)，并得到煤礦廣泛運(yùn)用[3]。侯朝炯、勾攀峰等[4]通過(guò)深入研究提出了錨桿"圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論"，該理論認(rèn)為錨桿支護(hù)實(shí)質(zhì)是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)；康紅普等[5]在分析錨桿支護(hù)作用機(jī)制的基礎(chǔ)上,提出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論,強(qiáng)調(diào)錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散的決定性作用，指出對(duì)于復(fù)雜困難巷道,應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞；綜上研究可知，錨桿錨索同排協(xié)同支護(hù)技術(shù)的日趨成熟和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，為解決復(fù)合頂板巷道支護(hù)問(wèn)題提供了新的途徑。本文以麻地梁礦高水平應(yīng)力東翼509掘進(jìn)巷道為工程背景，采用鉆孔窺視與圍巖監(jiān)測(cè)相結(jié)合方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)頂板破碎以及周邊圍巖完整性程度進(jìn)行分析，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際上覆巖層實(shí)際情況提出對(duì)509工作面膠帶機(jī)順槽有針對(duì)性的錨桿錨索同排協(xié)調(diào)支護(hù)方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)際性實(shí)踐，可為同類型巷道支護(hù)提供一定有益參考。

1 工程概況

1.1 鉆孔地質(zhì)概況

麻地梁礦509綜放工作面位于井田東翼盤(pán)區(qū)的中部，工作面西部為副斜井、5煤膠帶機(jī)巷；南部緊鄰507工作面未回采區(qū)域；東部臨近井田邊界，走向長(zhǎng)度約為3322m，傾向長(zhǎng)度約為250m，509綜放工作面兩順槽均布置在5#煤層當(dāng)中，沿煤層底板掘進(jìn)，且與507膠帶機(jī)順槽留設(shè)30m窄煤柱護(hù)巷；2019年9月509工作面回撤聯(lián)巷掘進(jìn)結(jié)束，2019年10月中旬掘進(jìn)至509工作面膠帶機(jī)順槽。如圖1所示。

圖1 509工作面位置關(guān)系圖

5煤層直接頂為深灰色泥巖，平均厚度1.6m，塊狀，局部為細(xì)砂巖；老頂為平均厚度8.12m的粗砂巖，灰色～灰白色，平行層理；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度4.79m，深灰色泥巖或砂質(zhì)泥巖；老底為平均厚度10.96m的粗砂巖。本礦井509工作面附近的M10、47這2個(gè)鉆孔做過(guò)較為詳細(xì)的巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，現(xiàn)根據(jù)該資料將5煤層頂?shù)装鍘r石物理、力學(xué)性質(zhì)測(cè)試成果如表1：

表1 煤層頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)

2 圍巖內(nèi)部裂隙演化規(guī)律

2.1 鉆孔地質(zhì)概況

巷道圍巖結(jié)構(gòu)及受力狀態(tài)直接影響到支護(hù)效果，如能更清楚的了解巷道圍巖（頂板、兩幫）裂隙發(fā)育情況，對(duì)于支護(hù)方案設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義。因此為獲得509輔助運(yùn)輸順槽、509工作面回撤聯(lián)巷頂板和兩幫內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育情況，結(jié)合礦方提供的巷道地質(zhì)資料、509工作面掘進(jìn)進(jìn)度以及現(xiàn)場(chǎng)巷道的支護(hù)狀況，于509工作面輔助運(yùn)輸順槽（507檢修巷）、509工作面回撤聯(lián)巷以及回撤聯(lián)巷和509工作面膠帶機(jī)順槽交叉處共布置6個(gè)測(cè)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，測(cè)站布置如圖2。

圖2 巷道測(cè)站布置圖

2.2 鉆孔窺視

為了了解509膠帶機(jī)順槽的圍巖變形、錨桿受力特征以及松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律等情況，根據(jù)測(cè)站位置布置鉆孔深度，第一測(cè)站和第六測(cè)站分別布置一個(gè)鉆孔，鉆孔位于巷道中部。其余4個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站包括3個(gè)測(cè)孔，均在頂板布置，距兩幫各1m處分別布置一個(gè)，巷道中心位置布置一個(gè)，頂煤厚度L，鉆孔深度為L(zhǎng)+2m（穿過(guò)頂煤層厚度以上2m），鉆孔直徑42mm，對(duì)509工作面膠帶機(jī)順槽外端頂板進(jìn)行鉆孔窺視，根據(jù)掘進(jìn)進(jìn)度及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。VI測(cè)站部分孔段的鉆孔圖像如圖3所示。

圖3 VI部分鉆孔窺視結(jié)果

鉆孔窺視錄像顯示：頂板0～4.82m為煤，4.82～7.2m為巖石。4.28m左右頂煤有少量夾矸，1.58～2.54m頂煤有一條連續(xù)的、明顯的豎向裂隙，2.84～4.69m范圍內(nèi)頂煤存在多條豎向裂隙；發(fā)現(xiàn)頂板巖性差異性不大，巖石段完整性較好，但是不同層位夾矸與裂隙，呈非線性，非均勻分布，巖石內(nèi)部無(wú)較大破碎帶及塌孔現(xiàn)象出現(xiàn)，但是在5.70m左右存在突兀豎向裂隙痕跡，主要由于該位置是直接頂和復(fù)合頂板交界處，巖石內(nèi)部含有少量夾矸導(dǎo)致存在多個(gè)弱面產(chǎn)生，巖石之間內(nèi)聚力和摩擦系數(shù)降低導(dǎo)致內(nèi)部裂隙發(fā)育。

3 巷道支護(hù)方案優(yōu)化及效果分析

3.1巷道支護(hù)方案優(yōu)化

在煤礦巷道錨固支護(hù)中，頂板采用錨桿錨索同排協(xié)同支護(hù)，實(shí)現(xiàn)錨桿錨索對(duì)巷道圍巖淺部加固和深部錨固耦合作用，使錨桿錨索對(duì)圍巖周邊加固區(qū)應(yīng)力疊加，同時(shí)改善圍巖深部應(yīng)力分布，發(fā)揮錨桿錨索同排協(xié)同支護(hù)良好效[6]。

從鉆孔窺視圖片中可知，在509回撤聯(lián)巷頂板2m處有明顯縱向裂隙以及5m左右頂板巖層含有夾矸，含有一定橫向裂隙弱化面，根據(jù)工程類比法的經(jīng)驗(yàn)公式，錨索一般錨入穩(wěn)定巖層至少1m以上，因此509工作面膠帶順槽錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為6.3m，由于頂板直接頂較為破碎、左旋螺紋鋼錨桿螺紋段長(zhǎng)度限制等導(dǎo)致頂板錨桿失效。因此在直接頂較為破碎地段可考慮將頂板錨桿改為高強(qiáng)度右旋全螺紋錨桿，所以優(yōu)化后的支護(hù)方案錨索參數(shù)為Ф17.8×6300 mm，間排距為1400×2000 mm，巷道頂板布置6根Φ22×2500 mm高強(qiáng)左旋錨桿、兩幫布置4根Φ20×2000 mm全螺紋右旋錨桿，頂板錨桿間排距為1100×1000 mm，兩幫錨桿間排距均為1000×1000 mm，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案圖

3.2 效果分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化方案后的效果，在麻地梁礦509工作面膠帶順槽優(yōu)化錨桿錨索同排協(xié)同支護(hù)方案后，在 509膠帶順槽頂板 3個(gè)測(cè)點(diǎn)（1#、2#、3#）錨桿端部安設(shè)液壓枕對(duì)錨桿受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)如圖5所示，在掘進(jìn)開(kāi)始0～5天階段，巷道原巖應(yīng)力受到掘進(jìn)擾動(dòng)影響，周邊圍巖應(yīng)力從新分布，錨桿承受周邊圍巖壓力變化速率極速增大，部分液壓枕峰值可達(dá)到4.3MPa,然后隨著掘進(jìn)天數(shù)推移，錨桿受力先有少量下降的過(guò)程，然后在掘進(jìn)8～10天左右趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的值較初始值變化不大說(shuō)明支護(hù)優(yōu)化效果良好，頂板錨固范圍圍巖無(wú)較大變形。

圖5 支護(hù)優(yōu)化后錨桿液壓枕變化趨勢(shì)圖

根據(jù)麻地梁地質(zhì)覆存條件，在工作面巷道布置了光纖光柵頂板離層儀在線隨時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)掘進(jìn)509工作面膠帶順槽掘進(jìn)速度情況，在509工作面膠帶順槽布置222測(cè)站和226測(cè)站，頂板離層儀器深基點(diǎn)固定在鉆孔深部7m穩(wěn)定老頂中，淺基點(diǎn)固定在鉆孔2.2m處，每個(gè)測(cè)站都有四個(gè)測(cè)試通道，從圖6可知，222測(cè)點(diǎn)在509巷道掘進(jìn)前10天，頂板下沉量變化波動(dòng)較大，掘進(jìn)25天后，222測(cè)點(diǎn)和226測(cè)點(diǎn)頂板變化波動(dòng)變緩，且222測(cè)點(diǎn)、226測(cè)點(diǎn)通道頂板下沉量變化范圍10mm左右，錨桿錨索協(xié)調(diào)同排支護(hù)很好保證巷道穩(wěn)定性，也側(cè)面驗(yàn)證液壓枕后期數(shù)值逐漸下降結(jié)果。

圖6 支護(hù)優(yōu)化后頂板沉降量變化曲線圖

4 結(jié) 論

1）巷道在掘進(jìn)時(shí)改變巖體周邊的原巖應(yīng)力，引起巷道應(yīng)力從新分布，特別在埋深高的高應(yīng)力巷道中圍巖具有塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍大，掘進(jìn)時(shí)對(duì)上覆巖層造成二次擾動(dòng)，且巷道斷面拐角處有較大應(yīng)力集中，更容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，引起巷道兩幫圍巖向內(nèi)側(cè)滑落。

2）通過(guò)巷道布置測(cè)站進(jìn)行鉆孔窺視方式，確定509膠帶順槽頂板2m左右存在縱向裂隙，頂板巖性差異性不大，巖石內(nèi)部無(wú)較大破碎帶及塌孔現(xiàn)象出現(xiàn)，巖石頂板完整性較好，提出了錨桿錨索同排協(xié)同支護(hù)方案參數(shù)設(shè)計(jì)方案。

3）為了驗(yàn)證優(yōu)化方案后的效果，對(duì)509膠帶順槽頂板錨桿液壓枕數(shù)據(jù)以及頂板離層進(jìn)行監(jiān)測(cè)，綜上所述，509采煤工作面膠帶順槽錨桿的軸向載荷在開(kāi)掘后10天后已基本保持穩(wěn)定，錨固范圍內(nèi)幫部巖體穩(wěn)定性好，頂板離層整體下沉量范圍在10mm，圍巖變形得到有效控制，支護(hù)效果好。