千米深井孤島工作面軟巖巷道支護技術(shù)試驗

李冰冰

（中煤新集能源股份有限公司口孜東礦，安徽 阜陽 236153）

孤島工作面回采是煤礦生產(chǎn)面臨的一項嚴峻的技術(shù)挑戰(zhàn)[1]。目前，針對孤島工作面巷道支護許多學(xué)者進行了大量的研究，取得了一定的研究成果[2-3]?？谧螙|礦是千米深井薄基巖厚松散層礦井，巷道圍巖呈現(xiàn)典型的軟巖特性，巷道支護也一直是制約礦井安全高效生產(chǎn)的主要難題。為此進行了大量探索與實踐[4-5]，但都是針對巖巷的支護形式進行研究，對工作面兩巷的煤巷支護研究相對較少，因此孤島工作面巷道支護技術(shù)研究迫在眉睫。

1 概況

1.1 工程概況

口孜東礦位于安徽省阜陽市穎東區(qū)楊樓鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計生產(chǎn)能力5.0Mt/a，服務(wù)年限60.2a。礦井采用立井開拓，目前開采第一水平，埋深994.7m。井田地處淮河沖積平原，煤系地層為石炭二疊系，覆蓋于煤系地層以上的新生界松散層平均厚度591.60m。礦井主要巷道揭露的巖層以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。

2014 年迫于采掘接替緊張，形成了121302孤島工作面。1213采區(qū)共4個工作面，前3個工作面已回采結(jié)束，剩余最后一個121302工作面。121302工作面南側(cè)鄰近一組開拓大巷，北、東、西面分別為111304工作面采空區(qū)、121301工作面采空區(qū)及121303工作面采空區(qū)，三面采空區(qū)收作日期分別為2015年4月25日、2016年10月5日和2017年8月9日。如圖1所示。

121302 工作面為傾斜長壁工作面，工作面長332m，可采傾斜長1010.9m，煤層平均厚度4.8m，可采儲量218萬t，煤層傾角6°～12°，平均傾角約9°。121302工作面頂板柱狀圖及鉆孔窺視顯示：頂板21.7m范圍為裂隙發(fā)育的泥巖層，21.7～37.5m范圍內(nèi)為泥巖和砂巖交互的復(fù)合巖層，37.5～45.7m范圍為堅硬的細砂巖。

圖1 121302孤島工作面布置圖

1.2 巷道變形破壞特征

（1）煤柱幫部內(nèi)擠變形突出?？谧螙|礦埋藏深，地壓大，巷道軟巖特征突出，煤體在高應(yīng)力作用下破碎，整體性降低，破碎煤體加劇了風(fēng)化程度，導(dǎo)致煤柱煤體碎漲變形突出，部分區(qū)域表現(xiàn)為向巷道空間內(nèi)整體內(nèi)擠。

（2）強烈底鼓。巷道底鼓是口孜東礦井普遍存在的問題，部分巷道需要反復(fù)多次臥底才能滿足生產(chǎn)需要。

（3）支護構(gòu)件破壞嚴重。由于存在煤幫內(nèi)擠變形以及強烈底鼓特征，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)承載了較大的作用力。錨索是巷道錨桿支護的關(guān)鍵承載體，但是錨索延展率低，難以滿足圍巖大變形的要求，導(dǎo)致錨索破斷、鋼帶撕裂等現(xiàn)象，在一定程度上加劇了巷道圍巖的變形失穩(wěn)。如圖2所示。

圖2 采空區(qū)側(cè)幫部鼓出、底鼓、錨索破斷、鋼帶斷裂

2 類比法確定孤島工作面兩巷煤柱參數(shù)

與口孜東礦相鄰的劉莊煤礦一般沿空掘巷煤柱按10m留設(shè)，孤島工作面最小煤柱按20m留設(shè)。劉莊煤礦120502孤島工作面風(fēng)巷煤柱留設(shè)20m、機巷留設(shè)30m的實踐證明，效果較好。在121302孤島工作面之前，口孜東礦有兩條巷道為沿空掘巷，參照劉莊煤礦留設(shè)煤柱寬均為10m。

121302 工作面埋深較這兩條風(fēng)巷更深，故121302工作面煤柱應(yīng)大于原來的沿空掘巷煤柱。參照劉莊煤礦120502孤島工作面煤柱留設(shè)，考慮111304工作面采空區(qū)積水位于121302孤島工作面切眼斜上方，故煤柱留設(shè)應(yīng)相對保守，即采用30m煤柱。由于與111304工作面存在一定角度，煤柱形狀為梯形，寬度為30～90m，則風(fēng)機巷按20m留設(shè)。再結(jié)合機巷側(cè)121301工作面采空區(qū)壓實期較長，煤柱適當減小，取10m和20m的中間值，即15m煤柱。綜上所述，121302孤島工作面切眼煤柱30m，風(fēng)巷煤柱20m，機巷煤柱15m。

3 掘進時兩巷支護

121302 工作面兩巷采用直墻半圓拱形斷面，巷道凈寬×巷中高=5800×4100mm，凈面積20.16m2，如圖3所示，采用錨桿、錨網(wǎng)、錨索、M鋼帶、H鋼帶聯(lián)合支護方式。錨桿為Φ22mm×2500mm的左旋無縱筋高強螺紋鋼，間排距700×700mm，每排19根；錨桿托盤為150×150×12mm鋼板；錨索為Φ21.8mm鋼絞線，頂部錨索間排距1200×1400mm，每排7根9200mm錨索，幫部錨索排距1400mm，每幫各3根6200mm錨索；錨索托盤為300×300×14mm和150×150×14mm大小兩塊鋼板，支護時大在上、小在下；錨固劑為MSZ2850型樹脂錨固劑，每根錨桿配用3支錨固劑，每根錨索配用4支錨固劑，攪拌時間20～35s；錨網(wǎng)為Φ6×1000×2000mm鋼筋網(wǎng)；鋼帶采用Φ12mm圓鋼焊接而成，根據(jù)現(xiàn)場需要配有1.9m、2.5m、3.04m、3.6m等不同規(guī)格。

圖3 121302工作面兩巷支護斷面圖

當巷道頂板圍巖巖性較差、易片幫時，采用超前鋼筋作為超前支護，巷道頂板圍巖巖性較好、膠結(jié)性好、不易片掉時，采用戴帽點柱作為臨時支護。

4 注漿加固煤柱

4.1 注漿加固原理

（1）對于易風(fēng)化煤巖體，注漿材料在高壓下進入風(fēng)化破碎帶以及裂隙內(nèi)，形成膠結(jié)體粘結(jié)破碎帶，封堵圍巖裂隙，隔絕空氣與內(nèi)部圍巖之間的接觸，避免其風(fēng)化，抑制煤巖體自身強度的降低。

（2）注漿材料擠壓到鉆頭端頭深處圍巖裂隙中，擴大漿液的擴散范圍，與破碎圍巖膠結(jié)后形成整體結(jié)構(gòu)，改變了破碎煤巖體結(jié)構(gòu)，提高了煤巖體整體黏聚力和抗拉、抗壓強度，改善支護結(jié)構(gòu)的受力條件。

（3）對煤巖體中的裂隙進行充填，使松散煤巖體的破壞機制得到改善，使圍巖的彈性模量和強度大大提高。

（4）加固漿液注入到圍巖縱橫交貫的裂隙中，形成新的網(wǎng)格骨架結(jié)構(gòu)，提高圍巖的殘余破壞強度，使其在受到較大的應(yīng)力時不會破壞，從而延緩了變形破壞進程，改善了巷道維護狀態(tài)。

4.2 煤柱側(cè)注漿加固方案

孤島工作面兩巷在掘進時巷道局部變形，尤其以煤柱側(cè)變形為重。為此，在掘進后不久，即開始對煤柱側(cè)進行噴漿、注漿，同時安排一支隊伍專門進行反復(fù)注漿，確保注漿效果。

4.2.1 掘進超前注漿

首先在121302機巷進行超前注漿，每循環(huán)布置兩個注漿孔。巷道掘進方向為上山，角度10°，注漿孔1距離底板1m，長度11m，仰角3°，垂直煤柱往里偏轉(zhuǎn)36°；注漿孔2距離底板1.5m，長度8m，仰角12°，垂直煤柱往里偏轉(zhuǎn)64°。

因121302工作面機巷是分臺階施工，在綜掘機掘進完、迎頭支護時，在確保安全的前提下，同時進行注漿。超前注漿試驗了50m巷道，但注漿效果不佳，主要原因是巷道剛剛掘進，圍巖裂隙較小，吃漿量較小。因此改為掘進后滯后迎頭注漿，滯后距離50～150m。

4.2.2 滯后注漿

（1）注漿順序

在巷道完成表面噴漿的情況下，從外向里，先幫部底腳后肩窩，先淺孔后深孔，深、淺孔縱向交替布置，逐根打眼、注漿。注漿孔布置如圖4所示。

（2）表面噴漿

噴漿強度C20，配合比（重量比）為水∶水泥∶黃砂∶瓜子片=0.45:1:2:2，速凝劑摻入量為水泥重量的4%，噴漿厚度以注漿時不漏漿為準。

（3）淺孔注漿

注漿以單液水泥漿為主，水灰比為0.7～1:1。若單孔吃漿量過大，而達不到設(shè)計終壓時，可增加漿液濃度。采用P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，漏漿時采用黃泥、錨固劑、玻璃水等封堵。

注漿排號為單排號，間排距1.6×3.2m，每排布置2個孔，淺孔孔深4m，淺孔終壓為3.5MPa。巷道底腳注漿錨桿錨注管與巷道底板成30°～45°角，距離底板不大于300mm，其余孔口管均與巷道周邊輪廓成垂直布置，最小角度不得小于75°，嚴格按孔深要求，孔深誤差控制在±50mm范圍內(nèi)。

（4）深孔注漿

淺孔注漿20m后，在淺孔之間按排距3.2m布置深孔，注漿排號為雙排號。每排布置1個孔，與淺孔形成五花布置，深孔孔深6m，深孔注漿終壓4.5MPa，錨注管加鍍鋅鋼管累計長4m。

注漿錨桿采用管徑DN20mm無縫鋼管制作而成，規(guī)格有3m、2m、1m三種，搭配使用，兩頭套絲，注漿鋼管之間用束結(jié)連接。在端部使用1根桿體帶眼的注漿鋼管或加工尖頭開眼的鍍鋅鋼管，以防安設(shè)注漿管時端頭被堵塞而不能出漿。

5 現(xiàn)場試驗

按照上述注漿設(shè)計方案，121302工作面機巷共計注漿201t，后期進行復(fù)注，但是單孔吃漿量減小，說明采空區(qū)側(cè)煤柱裂隙明顯減少，停止注漿。為了分析注漿支護效果，在注漿段巷道布置了測點，對巷道圍巖變形與支護結(jié)構(gòu)受力情況進行監(jiān)測與分析。

5.1 巷道變形分析

在非注漿巷道和注漿巷道滯后迎頭100m處各布置觀測點，均觀測4個月。巷道變形主要體現(xiàn)在底鼓，主要原因是回采巷道服務(wù)期短，底板一般是無支護狀態(tài)，且巷道底板留有2～3m底煤，加大了底板變形量。在觀測期內(nèi)，底鼓較為突出，其次是煤柱側(cè)幫內(nèi)擠變形大于回采側(cè)幫部的內(nèi)擠變形，兩幫呈現(xiàn)非對稱變形，頂板下沉量相對較小。注漿前，底鼓量1956mm，煤柱側(cè)幫位移694mm，回采側(cè)幫部位移428mm，頂板下沉量190mm。注漿后，底鼓量1199mm，煤柱側(cè)幫位移505mm，回采側(cè)幫部位移365mm，頂板下沉量122mm。注漿效果明顯，巷道表面位移明顯減小，底鼓量減少39%，煤柱側(cè)位移減少27%。

5.2 支護構(gòu)件受力分析

在注漿前由于煤體破碎，錨桿與錨索錨固基礎(chǔ)薄弱，難以達到較高的預(yù)緊力與承載能力。在觀測期內(nèi)，注漿前，煤柱側(cè)錨桿受力均不超過100kN，其中煤柱肩窩錨桿受力僅20kN，煤柱側(cè)拱頂錨索受力158kN，回采側(cè)拱頂錨索受力302kN。注漿后，錨桿受力都超過130kN，煤柱側(cè)幫錨桿受力156kN，頂板錨桿206kN，回采側(cè)錨桿135kN；煤柱側(cè)錨索受力明顯提高，達229kN，提高了45%，回采側(cè)拱頂錨索受力也有所提高，達到335kN，起到了較好的注漿加固效果。如圖5所示。

圖5 121302工作面機巷注漿后錨桿（索）受力變化曲線

通過深淺孔交替注漿后，煤柱穩(wěn)定程度大大提高，減少了回采期間對煤柱的修護處理，煤柱變形程度小，鄰近采空區(qū)的密閉墻穩(wěn)定性好，減少了保護煤柱和密閉墻漏氣，消除了鄰近采空區(qū)瓦斯和自燃發(fā)火事故隱患，提高了巷道支護效果并為工作面安全回采奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

（1）對比鄰近礦井和口孜東礦之前回采的工作面，再根據(jù)采空區(qū)壓實期的時間長短，最終得出121302孤島工作面切眼煤柱30m、風(fēng)巷煤柱20m、機巷煤柱15m。實踐證明，煤柱留設(shè)寬度滿足安全要求，保證了工作面順利回采。

（2）在煤柱側(cè)噴漿處理后再進行深淺孔交替注漿加固，有效保證了巷道圍巖的整體穩(wěn)定性，減小了裂隙與結(jié)構(gòu)風(fēng)化。監(jiān)測結(jié)果顯示，相比以往，回采巷道變形量、巷道表面位移明顯減小，煤柱側(cè)位移減少50%以上，頂板下沉量和回采側(cè)位移也均有減少。

（3）注漿為錨桿與錨索提供了穩(wěn)定的錨固基礎(chǔ)，錨桿與錨索承載力普遍較大，在觀測期內(nèi)受力狀態(tài)比較穩(wěn)定，表明注漿加固后巷道圍巖整體性好。在觀測期內(nèi)錨桿受力都超過130kN，錨索受力也有所提高，達到335kN，起到了較好的注漿加固效果。