汾源煤業(yè)“三軟”巷道掘進(jìn)穩(wěn)定性控制技術(shù)

（霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)有限公司，山西 靜樂 034000）

1 工程背景

汾源煤業(yè)為重組整合礦井，主要可采煤層為2#和5#煤層。5-102工作面位于井田一采區(qū)南翼，南部、西部為未開采實體煤，工作面煤層走向S9°E～S8°W，傾向W8°N～W9°S，地面標(biāo)高為+1582～+1644m，井下標(biāo)高為+1180～+1260m，見圖1。煤層偽頂為1.0 m厚的較軟泥巖，直接頂為5.1～8.8m的含粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)的泥質(zhì)灰?guī)r與砂質(zhì)泥巖，巖層強度不大、易風(fēng)化脫落，基本頂為14.2m的中粒砂巖，包含大量方解石條塊。煤層直接底為2.1m的泥巖，塊狀且裂隙發(fā)育，植物化石豐富、易吸水膨脹出現(xiàn)底鼓，基本底為5.2m的均質(zhì)層理細(xì)砂巖。5#煤層中部有3層0.5 m厚的夾矸，煤質(zhì)疏松易破碎，厚度平均為15.5m，平均傾角為25°。

5-1021巷道埋深為378～410m，掘進(jìn)設(shè)計長度632m，斷面設(shè)計為矩形斷面，斷面寬度為4.4m、高度為3.1m，斷面面積為13.64 m2，沿5#煤層頂板掘進(jìn)，垂直于巷道方向煤層傾角為25°，左幫為煤，右?guī)突緸槟鄮r，頂板為泥巖。由于5-1021巷道所處5#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差，同時頂?shù)装宥酁榱严栋l(fā)育的泥巖，易風(fēng)化破碎或膨脹變形，巷道所處的圍巖環(huán)境為典型的“三軟”不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，巷道掘進(jìn)過程中合理的支護(hù)控制措施是保證礦井正常生產(chǎn)接續(xù)的關(guān)鍵[1-2]。

2 5-1021巷道破壞機(jī)理分析

5-1021巷道掘進(jìn)斷面所處圍巖環(huán)境大部分為煤巷，頂板巖層裂隙發(fā)育、破碎程度高，掘進(jìn)易產(chǎn)生頂板脫落現(xiàn)象，底板巖層抗壓強度較低，易出現(xiàn)膨脹軟化導(dǎo)致扎底事故，同時煤層不穩(wěn)定系數(shù)較高、完整性較差。因此，研究“三軟”巷道的圍巖破壞機(jī)理對圍巖穩(wěn)定性控制分析十分重要[3-4]。

1）圍巖性質(zhì)軟弱

圖1 5-102工作面布置

采用巖石膨脹測試儀針對巷道圍巖進(jìn)行膨脹性測定，測定結(jié)果見表1。由測定結(jié)果可知，砂質(zhì)泥巖的軸向自由膨脹率比泥巖要高42%，側(cè)向膨脹壓力與軸向自由膨脹率成正比，與側(cè)向約束率成反比。根據(jù)膨脹性軟巖分級標(biāo)準(zhǔn)[5]，5-1021巷道屬于中等—強膨脹性巖層。圍巖自身性質(zhì)軟弱導(dǎo)致巷道掘進(jìn)后出現(xiàn)強烈的收斂變形，采取一般支護(hù)方式后，不能將圍巖控制成為整個承載體，掘進(jìn)斷面無法保證，影響后續(xù)生產(chǎn)工作的進(jìn)行。

表1 圍巖巖性膨脹性測定

2）圍巖結(jié)構(gòu)破碎

在5-1021掘進(jìn)迎頭進(jìn)行頂板鉆孔窺視，選取頂板1.0 m和6.3m處的窺視結(jié)果見圖2。由圖中可知，在頂板1.0 m和6.3 m位置處均存在明顯的裂隙發(fā)育，根據(jù)探測結(jié)果，巷道頂板及右?guī)蛶r石部分破壞范圍在1.6～4.7m，頂板平均破壞深度2.4m、右?guī)推骄茐纳疃葹?.2m，探測范圍內(nèi)的巷道圍巖完整性較差，容易在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)支護(hù)失效的問題。

圖2 鉆孔窺視結(jié)果

3）圍巖應(yīng)力環(huán)境惡劣

5-1021巷道平均埋深400m，地應(yīng)力約10.0MPa，加之相鄰工作面采用綜放開采，開采擾動較大，強烈的動壓影響可達(dá)到20.0～25.0MPa，“三軟”巷道受強烈采動應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力的影響，圍巖性質(zhì)進(jìn)一步產(chǎn)生流變化特點，表現(xiàn)為一定程度的蠕變特性，長期承載的強度很低，給巷道圍巖掘進(jìn)帶來了更大的控制問題。

3 5-1021巷道控制方案設(shè)計

根據(jù)上述“三軟”巷道圍巖破壞機(jī)理分析，需要從改善圍巖軟弱特性和提高主動支護(hù)效果的基礎(chǔ)上采取控制措施，為此選擇錨網(wǎng)索+注漿加固的聯(lián)合控制方案，使得控制效果能夠發(fā)揮最大化。其中確定的支護(hù)斷面見圖3。

1）注漿加固技術(shù)

注漿材料以水泥單液為主，采取的水灰比為0.4∶1，在遇到斷層或其他特別破壞的巷道段時，可以在漿液中添加水玻璃進(jìn)行性能調(diào)配。采取的注漿壓力為3.0MPa，鉆孔間距2500 mm、排距2500 mm、直徑為42 mm、為3000 m。加固部位主要位于頂板、右?guī)汀⒌装?，在遇到斷層或其它破碎情況嚴(yán)重的巷道時，可以適當(dāng)增加注漿量，提高注漿效果。

2）錨網(wǎng)索主動支護(hù)技術(shù)

圖3 支護(hù)斷面設(shè)計

頂板支護(hù)：頂板同一斷面布置5根錨桿，型號Φ20 mm的BHRB335 鋼筋桿體，按照1000 mm×1000 mm的間排距進(jìn)行施工，錨桿長度2000 mm，預(yù)緊扭矩、屈服力以及拉斷力的范圍分別不小于280 N·m、105 kN和154 kN，桿體整體延伸率為18%；樹脂錨固劑為1支CK2340和1支Z2360，錨固長度為1370 mm；托板尺寸為150 mm×150 mm×8 mm，形狀為拱形以加強整體承載能力；錨桿桿體之間以Φ12 mm鋼筋托梁連接，10#鐵絲編織的金屬網(wǎng)掛接在托梁上，網(wǎng)孔規(guī)格設(shè)計為50 mm的菱形孔。同一斷面錨索布置1根，按照2000 mm排距進(jìn)行施工，施工位置處在巷道頂板中部。索體型號為Φ17.8 mm的鋼絞線，長度8000 mm，張拉預(yù)緊力、張拉預(yù)緊力、承受最大力分別高于160 kN和353 kN，最大力總延伸率為4%，由于錨索錨固長度較長，采用樹脂錨固劑為2支CK2340和2支Z2360，錨固長度2192 mm；錨索托盤的型號采用300 mm×300 mm×12 mm。巷道頂部錨桿（錨索）的施工均垂直巷道頂板打設(shè)，巷肩施工困難部位可以允許有5°左右的誤差。

巷幫支護(hù)：由于巷道左幫、右?guī)蛶r層性質(zhì)不相同，采取的支護(hù)方式稍有差異。左幫同一斷面布置4根錨桿，型號為Φ20 mm鋼筋桿體，按照900 mm×1000 mm的間排距打設(shè)，長度2000 mm，樹脂錨固劑為1支CK2340和1支Z2360，設(shè)計錨固長度1370 mm；托板采用的型號為150 mm×150 mm×8 mm，W鋼護(hù)板為450 mm×280 mm×3 mm；左幫多為煤體，故采用1層10#鐵絲網(wǎng)和1層Φ6 mm鋼筋焊制的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行安設(shè)，網(wǎng)孔分別為50 mm×50 mm和100 mm×100 mm。右?guī)屯粩嗝娴腻^桿材料選擇和間排距設(shè)置與左幫相同，但金屬網(wǎng)只采用1層10#鐵絲網(wǎng)；由于右?guī)拖虏靠赡軙诿簩又芯蜻M(jìn)，當(dāng)揭露煤層高度大于600 mm時，錨桿需配套使用450 mm×280 mm×3 mm的W鋼護(hù)板。幫部的錨桿打設(shè)同樣以垂直巷幫打設(shè)為準(zhǔn)，在巷道底角等施工困難部位允許有5°的誤差。

4 5-1021巷道控制效果分析

5-1021巷道掘進(jìn)過程中按照上述措施進(jìn)行圍巖控制，在進(jìn)尺100 m后布置圍巖表面位移監(jiān)測站，監(jiān)測周期6 周，監(jiān)測結(jié)果曲線見圖4。監(jiān)測周期內(nèi)，巷道圍巖變形呈現(xiàn)階梯狀變化，說明巷道注漿和支護(hù)方式隨巷道所處應(yīng)力環(huán)境的惡化而不斷產(chǎn)生效果，巷道變形速率區(qū)域穩(wěn)定，兩幫移近最大值穩(wěn)定在47 mm、頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在28 mm，頂板下沉控制效果好，說明注漿加固對頂板整體完整性的控制較強，能夠使得錨桿索與完整巖體形成承載能力強的錨固體，降低了圍巖軟弱結(jié)構(gòu)的危險性，使錨網(wǎng)索起到了良好支護(hù)的作用，進(jìn)而控制了巷道圍巖的變形。

圖4 5-1021巷道表面位移監(jiān)測分析

5 結(jié)語

汾源煤業(yè)5-1021巷道處在“三軟”煤層環(huán)境中，頂?shù)装寮懊簩訌姸容^低，結(jié)構(gòu)破碎、完整性不強，加之所處地應(yīng)力及采動應(yīng)力影響較大，掘進(jìn)過程中易出現(xiàn)巷道收斂變形嚴(yán)重的問題。基于“三軟”巷道變形破壞特點，設(shè)計采用了錨網(wǎng)索+注漿加固的方式進(jìn)行“三軟”巷道掘進(jìn)過程的圍巖控制，應(yīng)用效果表明5-1021巷道收斂速率逐漸降低，變形破壞較為穩(wěn)定，能夠滿足礦井生產(chǎn)服務(wù)需求。