高地應(yīng)力切頂留巷圍巖快速控制技術(shù)研究

李?lèi)?ài)軍，王

(1.永城煤電控股集團(tuán)有限公司 陳四樓煤礦，河南 永城 476600；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

沿空留巷能極大程度上減少工作面煤柱損失，解決上隅角瓦斯超限、采掘抽接替緊張等問(wèn)題。切頂留巷是何滿潮院士[1]以“切頂短臂梁”理論為指導(dǎo)提出的無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，成功解決了沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的問(wèn)題，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

切頂留巷的核心是“切的開(kāi)、拉的住、下的來(lái)、護(hù)的住”，主要采用雙向聚能拉伸爆破頂板預(yù)裂切斷頂板應(yīng)力傳遞；恒阻大變形錨索在恒定支護(hù)阻力下實(shí)現(xiàn)巷道“緩變性”破壞；超后擋矸支護(hù)滿足初期控制采空區(qū)側(cè)幫變形需求[2-6]。圍繞以上核心技術(shù)，切頂留巷工法在白皎煤礦復(fù)合頂板、嘉陽(yáng)煤礦破碎頂板、唐山溝煤礦堅(jiān)硬頂?shù)葪l件下進(jìn)行了成功應(yīng)用[6-11]。然而，隨著我國(guó)近年來(lái)煤炭開(kāi)采向深部轉(zhuǎn)移，受深部“三高一擾動(dòng)”及地質(zhì)構(gòu)造的影響，切頂留巷維護(hù)更加困難[12-15]。

陳四樓煤礦21702工作面埋深約800m，屬于深部開(kāi)采工作面。工作面由于埋深大、推進(jìn)速度快，留巷受到高地應(yīng)力、復(fù)雜構(gòu)造、工作面后方礦壓和接替工作面超前支承壓力疊加作用的影響，巷道變形速率快，變形量大，頂板及兩幫破碎；在高應(yīng)力環(huán)境下，U型鋼棚或工字鋼擋矸時(shí)，易在矸石側(cè)向壓力下發(fā)生剪切破壞，無(wú)法有效擋矸?；诖?，采用一種新型速凝、早強(qiáng)的無(wú)機(jī)雙液注漿材料對(duì)切頂留巷破碎圍巖注漿加固，快速有效地控制巷道變形；同時(shí)提出柔性擋矸自成墻體的巷幫擋矸技術(shù)進(jìn)行巷幫支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)主、被動(dòng)結(jié)合的切頂留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式，保障高應(yīng)力區(qū)切頂留巷圍巖得到有效控制。

1 切頂留巷工程概況及變形機(jī)理分析

1.1 切頂留巷地質(zhì)條件

切頂留巷在陳四樓煤礦十七采區(qū)21702工作面實(shí)施，煤層埋深700～820m，傾角平均為15°。煤層賦存穩(wěn)定，煤厚變化小，最小為1.3m，最大為2.9m，平均2.43m。21702工作面運(yùn)輸巷為留巷巷道，原巷道幾何尺寸為寬×高：4400mm×2800mm。工作面直接頂板為灰黑色泥巖，平均厚度3.10m；基本頂為細(xì)砂巖、粉砂巖、粗粒砂巖；直接底為深灰色砂質(zhì)泥巖，平均厚度為1.2m。切頂爆破深度為8.5m，切縫角度為15°。沿空留巷參數(shù)如圖1所示。

圖1 沿空留巷參數(shù)示意圖

1.2 留巷變形機(jī)理分析

沿回采工作面推進(jìn)方向，巷道上方應(yīng)力隨著與工作面的距離和時(shí)間不同而發(fā)生變化，將其分成三個(gè)應(yīng)力區(qū)：未受采動(dòng)影響的原巖應(yīng)力區(qū)、受采動(dòng)影響的應(yīng)力增高區(qū)、采動(dòng)影響后趨向穩(wěn)定的應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，如圖2所示。

Ⅰ—垮落帶；Ⅱ—裂隙帶；Ⅲ—彎曲下沉帶；A—原巖應(yīng)力區(qū)；B—應(yīng)力增高區(qū)；C—應(yīng)力降低區(qū)圖2 采空區(qū)沿空留巷應(yīng)力分布

根據(jù)切頂留巷的地質(zhì)條件，以及沿空留巷圍巖應(yīng)力分布模型，并通過(guò)初期對(duì)留巷的觀測(cè)可知，該切頂留巷有以下變形破壞特征：

1)高垂直應(yīng)力作用下，直接頂和直接底在沒(méi)有任何加強(qiáng)措施情況下，頂?shù)装逡平吭龃螅徊煽諈^(qū)垮落充分時(shí)，采空區(qū)成為應(yīng)力降低區(qū)或無(wú)壓區(qū)；臨近采空區(qū)10m范圍內(nèi)成為高應(yīng)力區(qū)，而沿空留巷在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。

2)沿空留巷在采動(dòng)應(yīng)力以及圍巖自重疊加的高應(yīng)力作用下，巷內(nèi)3.10m的直接頂板巖層節(jié)理裂隙不斷擴(kuò)張，巷內(nèi)煤幫5.0m范圍內(nèi)變得更加松散破碎，圍巖的自身承載能力變差。

綜上可知：留巷變形破壞程度與采空區(qū)垮落充分、工作面動(dòng)壓(初次來(lái)壓、周期來(lái)壓)影響范圍、巷內(nèi)頂板巖性、巷內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度等息息相關(guān)，故而巷道支護(hù)應(yīng)該根據(jù)這些問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)對(duì)性的設(shè)計(jì)。

2 高應(yīng)力區(qū)切頂留巷工藝及主要問(wèn)題

2.1 切頂爆破參數(shù)

預(yù)裂切縫高度HF臨界設(shè)計(jì)公式如下：

HF=(HM-HK-HG)/(K-1)

(1)

式中，HM為煤層開(kāi)采高度，取最大煤層厚度2.9m；HK為頂板下沉量，由于直接頂為泥巖，故而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.15m；HG為底鼓量，底板為砂質(zhì)泥巖，底鼓量大，故而取0.2m；K為碎脹系數(shù)，直接頂板為3.1m厚層狀泥巖，碎漲系數(shù)小，取1.3。

代入以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得切縫高度8.5m。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和裝藥施工難易程度，采高M(jìn)與預(yù)裂鉆孔角度α(鉛垂方向偏向采空區(qū))存在一定關(guān)系：①當(dāng)開(kāi)采高度M≤1m時(shí)，預(yù)裂鉆孔角度α取20°；②當(dāng)1m

陳四樓煤礦21702工作面平均采高為2.9m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)裂鉆孔角度α取15°。

21072工作面巷道預(yù)裂切縫孔孔徑為48mm，深度為8500mm，切縫孔間距為600mm，切縫孔與頂板鉛垂線夾角為15°，切縫孔距離工作面?zhèn)让簬蜑?00mm，所有切縫孔均布置在一條平面上。

爆破炸藥選用礦用三級(jí)乳化炸藥，外徑Ф32mm，長(zhǎng)200mm。由于基本頂板為砂巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，故而每個(gè)切縫孔裝藥結(jié)構(gòu)為“四三二一”方式，同時(shí)為了保障工作面安全，所有切頂爆破工程均在超前工作面100m處進(jìn)行。

2.2 煤幫支護(hù)方案

煤幫錨網(wǎng)帶-錨索桁架聯(lián)合支護(hù)。煤幫支護(hù)形式：“Φ22mm×2500mm高強(qiáng)錨桿+M鋼帶+金屬網(wǎng)”，錨桿間排距設(shè)計(jì)為700mm×700mm，M鋼帶規(guī)格：厚5mm、寬160mm、長(zhǎng)1600mm，鋼帶沿巷道方向布置，鋼帶與鋼帶前后搭接；金屬網(wǎng)規(guī)格：6#鋼筋焊接、寬1000mm、長(zhǎng)2000mm、網(wǎng)目70mm×70mm。采用錨索桁架加強(qiáng)煤幫支護(hù)，頂角錨索(Φ18.9mm×6300mm)錨固在頂板內(nèi)，巷幫中間錨索(長(zhǎng)Φ18.9mm×4500mm)錨固在煤層里，底角錨索(長(zhǎng)3500mm)錨固在底板內(nèi)，錨索桁架排距設(shè)計(jì)為1400mm。巷道斷面支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 巷道斷面支護(hù)示意圖(mm)

2.3 恒阻大變形錨索主動(dòng)支護(hù)

爆破切頂后，為了控制頂板的下沉，立即采用恒阻大變形錨索進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)，恒阻錨索沿頂板布置，選用Φ21.6mm×8000mm，每根錨索配有一個(gè)恒阻大變形器(變形量為350mm)；錨索梁為18#槽鋼梁，長(zhǎng)度為2000mm，“一梁三索”，恒阻錨索的間距為1600mm，錨索梁距離工作面煤墻400mm，錨索梁均布置在一條直線上，錨索預(yù)緊力要求28t。

2.4 采動(dòng)超前預(yù)防性支護(hù)

單體支柱規(guī)格：DW-3.15/100，π型梁長(zhǎng)為4000mm。“一梁兩柱”，單體支柱距離梁端200mm，排距為800mm，單體支柱初撐力不小于11.5MPa。在巷中布置雙排ZQL2×3200/16/32液壓超前支架，支架初撐力不小于24MPa，等壓力穩(wěn)定后開(kāi)始前移，超前支架前移后，“一梁兩柱”變成“一梁三柱”支護(hù)。

2.5 主要問(wèn)題

在現(xiàn)有沿空留巷支護(hù)作用下，初期留巷圍巖變形量較大，根據(jù)分析為以下兩方面原因：

1)沿空留巷的頂板和兩幫圍巖破碎。由于沿空留巷處于高應(yīng)力集中區(qū)，工作面推進(jìn)速度快，工作面后方礦壓和接替工作面超前支承壓力疊加擾動(dòng)頻繁，致使巷道圍巖破碎，受采動(dòng)影響錨桿錨索不能完全發(fā)揮作用，導(dǎo)致圍巖變形量大。

2)U型鋼棚、M鋼帶等剛性擋矸支護(hù)不適應(yīng)高應(yīng)力區(qū)的幫部支護(hù)。采空區(qū)矸石在高垂直應(yīng)力作用下擠壓向巷道，而U型鋼棚、M鋼帶等剛性支護(hù)能有效抵擋圍巖垂直應(yīng)力作用，但對(duì)于矸石的側(cè)向壓力抵抗能力低，易發(fā)生剪切破壞，無(wú)法發(fā)揮擋矸作用。

3 高應(yīng)力區(qū)沿空留巷圍巖控制補(bǔ)強(qiáng)方案

根據(jù)上述分析，對(duì)于高應(yīng)力去沿空留巷圍巖進(jìn)行以下兩個(gè)方式的補(bǔ)強(qiáng)：①對(duì)巷道圍巖進(jìn)行注漿加固。選用快速凝結(jié)，早期強(qiáng)度高的新型無(wú)機(jī)雙液注漿材料對(duì)留巷圍巖進(jìn)行注漿加固，快速提高圍巖的整體穩(wěn)定性；②增設(shè)鋼絲繩柔性擋矸支護(hù)，使冒落的矸石能夠壓住預(yù)留的金屬網(wǎng)自成墻體，提供柔性讓壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3.1 留巷圍巖注漿加固

3.1.1 注漿材料性能

雙液注漿材料由A和B兩種組份構(gòu)成，性能主要表現(xiàn)為快凝、早強(qiáng)、高滲透性、結(jié)石率高等特性，凝結(jié)時(shí)間和膠結(jié)強(qiáng)度可調(diào)，能適應(yīng)工作面推進(jìn)速度快，巷道受到采空區(qū)應(yīng)力及接替工作面超前支承應(yīng)力疊加擾動(dòng)頻繁的工程需求。

具體如下：①兩種漿液在混合前，6h內(nèi)漿液不凝固、不泌水；②兩種漿液混合后，0～5min失去流動(dòng)性，5～15min完全固化；③結(jié)石體2h的強(qiáng)度能達(dá)到3～12MPa以上。不同水灰比條件下凈漿固結(jié)強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 雙液注漿材料不同水灰比強(qiáng)度特征

3.1.2 注漿鉆孔布置方案

巷道全斷面布置5個(gè)鉆孔，如圖4所示。

圖4 留巷注漿鉆孔布置示意圖(mm)

1)在巷道頂板布置兩排鉆孔，鉆孔間距2m，排距3m，孔深6m，孔徑30mm(孔口1.5m范圍擴(kuò)孔至42mm)，鉆孔向兩幫傾斜10°。

2)巷道工作面?zhèn)让罕谟捎谟衅?，僅施工一排鉆孔，開(kāi)孔高度距底板1.5m，方向垂直于煤壁；煤柱側(cè)三花眼布置，下排孔開(kāi)孔高度距底板1.5m，垂直于煤壁布置，上排孔距底板2.5m，仰角10°布置。兩幫鉆孔孔徑42mm，孔深6m。

3.1.3 注漿工藝及參數(shù)

注漿系統(tǒng)如圖5所示。系統(tǒng)有兩個(gè)QB260氣動(dòng)攪拌桶，兩個(gè)成漿桶，可以采用鐵桶加工，一臺(tái)氣動(dòng)雙液注漿泵2ZBQ50/19，以及相應(yīng)管路和混合器組成。

圖5 注漿系統(tǒng)連接示意圖

注漿工藝參數(shù)設(shè)計(jì)：

1)注漿水灰比：正常注漿水灰比0.8～1.2∶1，漏漿嚴(yán)重時(shí)可適當(dāng)減低水灰比，最低控制在0.7∶1。

2)注漿壓力：注漿壓力也是影響注漿效果的關(guān)鍵參數(shù)，一般情況下注漿壓力4～6MPa，淺層注漿時(shí)，由于圍巖破碎，漏漿嚴(yán)重時(shí)可適當(dāng)減低注漿壓力，可調(diào)整為1～2MPa。

3)注漿量：注漿原則上需一直注至壓力上限為止，如果注漿時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，注漿量過(guò)大，應(yīng)檢查是否存在漏漿通道，注漿結(jié)束時(shí)應(yīng)穩(wěn)壓至6MPa。

3.2 柔性擋矸支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)

將工作面最后一臺(tái)支架調(diào)整成距離工作面煤墻200mm。在支架的掩護(hù)下，采用菱形網(wǎng)、金屬網(wǎng)與原巷道頂板金屬網(wǎng)搭接400mm，將菱形網(wǎng)落到底板并預(yù)留300mm。采用廢舊的直徑為18.5mm的鋼絲繩作為擋矸支護(hù)，鋼絲繩的兩端通過(guò)錨桿分別固定在巷道頂板、底板內(nèi)，鋼絲繩間距為600mm。

當(dāng)工作面回采支架前移時(shí)，支架后上方頂板隨即垮落，垮落的矸石壓住預(yù)留在底板的菱形網(wǎng)，在鋼絲繩的防護(hù)下形成自然墻體。自成矸石墻體柔性支護(hù)如圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)如圖7所示。

圖6 成矸石墻體柔性支護(hù)

圖7 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)

4 留巷效果分析

在工作面回采期間，通過(guò)對(duì)留巷巷道加強(qiáng)支護(hù)后，巷道尺寸完全滿足工作面回采時(shí)通風(fēng)、行人、運(yùn)輸?shù)纫螅粝锵锏涝诠ぷ髅嫱七M(jìn)10m后開(kāi)始變形，隨著工作面推進(jìn)，每推進(jìn)10m觀測(cè)一次當(dāng)日的巷道變形量。整體來(lái)看，回采初期，巷道整體變形速率增大，回采30m時(shí)巷道變形量速率最快，當(dāng)日板下沉量為42mm，兩幫位移量為123mm，底鼓量76mm，隨后巷道變形速率逐漸降低，工作面推進(jìn)60m后巷道變形速率趨于穩(wěn)定。工作面推進(jìn)不同距離留巷變形速率特征如圖8所示。

圖8 回采期間留巷變形特征

為了檢驗(yàn)沿空留巷的效果，在巷道內(nèi)建立礦壓觀測(cè)站，對(duì)巷道頂板下沉量以及兩幫位移量進(jìn)行觀測(cè)。礦壓觀測(cè)站每隔30m設(shè)立一組，留巷期間頂板及兩幫的移近量如圖9所示。由圖9可知，巷道圍巖變形在60d后趨于穩(wěn)定，其中頂板下沉量穩(wěn)定在105mm，兩幫變形量穩(wěn)定在212mm，底鼓量最大為326mm。可見(jiàn)，采用該支護(hù)技術(shù)方案后，巷道圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，有效保證了巷道的安全正常使用。

圖9 沿空留巷后巷道變形規(guī)律

5 結(jié) 論

1)陳四樓礦十七采區(qū)21702工作面切頂留巷處于高應(yīng)力區(qū)，工作面后方礦壓和接替工作面超前支承壓力疊加擾動(dòng)頻繁，留巷頂板及兩幫破碎，現(xiàn)有的支護(hù)無(wú)法有效控制留巷圍巖變形。

2)通過(guò)對(duì)巷道基本支護(hù)參數(shù)分析，提出切頂留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。即采用一種新型速凝、早強(qiáng)的無(wú)機(jī)雙液注漿材料對(duì)切頂留巷破碎圍巖注漿加固，快速提高巷道圍巖整體性；同時(shí)設(shè)計(jì)柔性擋矸自成墻體的巷幫擋矸措施，實(shí)現(xiàn)主、被動(dòng)耦合的支護(hù)方式的切頂留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)。

3)在回采期間對(duì)切頂留巷巷道變形量進(jìn)行觀測(cè)，留巷巷道在二次采動(dòng)應(yīng)力作用下，頂板下沉量最大為147mm，兩幫位移量最大為335mm，底板底鼓量最大為402mm。結(jié)果表明，深部開(kāi)采切頂留巷巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)能有效控制留巷，為類(lèi)似工程提供了借鑒。