三元煤礦皮帶巷過圍巖破碎帶支護(hù)技術(shù)研究

宋志強(qiáng)

（山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

井工開采是我國對(duì)煤炭資源進(jìn)行回采的主要形式[1]，需要在地下深部布置大量的巷道，隨著賦存條件較好的煤炭資源日益枯竭，賦存條件較差的煤炭資源逐漸成為了人類開采的主要對(duì)象[2]。巷道在掘進(jìn)過程中容易受到鄰近采空區(qū)、圍巖破碎帶以及斷層的影響[3-4]，若支護(hù)不當(dāng)，巷道圍巖中的節(jié)理裂隙等弱面會(huì)進(jìn)一步被破壞，甚至誘發(fā)巷道產(chǎn)生大范圍的變形，直接影響礦井的正常安全生產(chǎn)[5-6]。因此，在復(fù)雜地質(zhì)條件下對(duì)巷道圍巖進(jìn)行及時(shí)有效的支護(hù)已成為了當(dāng)前諸多學(xué)者的主要研究課題。

三元煤礦南翼主皮帶巷在掘進(jìn)過程中揭露圍巖破碎帶，在破碎帶的影響下，巷道圍巖變形量較大，先掘后修的現(xiàn)象頻繁，嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)效率。探究該巷道的破壞原因并對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化已成為了當(dāng)前急需解決的主要任務(wù)。

1 工程概況

三元煤礦南翼皮帶巷屬于南翼采區(qū)運(yùn)煤巷道，位于二疊系下統(tǒng)山西組下部的3#煤層，周圍有1302 采空區(qū)和南翼總回風(fēng)大巷。巷道在掘進(jìn)的過程中沿3#煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)總長(zhǎng)度2190 m。巷道采用矩形斷面，掘進(jìn)寬度為4.2 m，掘進(jìn)高度為3.1 m，采用錨桿+鋼帶+網(wǎng)+錨索對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。具體的支護(hù)形式為頂錨桿采用等間距布置，每排6 根，間距0.7 m，排距1 m，其中4 根垂直頂板布置，兩肩角錨桿垂線方向外斜20°布置，分距煤幫350 mm。頂錨索采用二二支護(hù)，分別布置在距巷道中線左右兩側(cè)1.3m 處，排距為1 m，幫錨桿每排每幫布置4 根，間距800 mm（靠頂板兩根錨桿間距600 mm），排距1 000 mm。幫上部錨桿水平方向上斜20°布置，距頂400 mm；幫下部錨桿水平布置，距底500 mm。如圖1 所示。錨桿選用Φ20×2400 mm 的螺紋鋼，預(yù)緊力45 kN，錨索選用Φ17.8 mm 七股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線（長(zhǎng)度6.4 m），預(yù)緊力為100 kN。

圖1 巷道斷面支護(hù)圖

當(dāng)巷道掘進(jìn)至1056 m 處時(shí)揭露圍巖破碎帶，在現(xiàn)有支護(hù)形式下巷道發(fā)生了嚴(yán)重的變形破壞現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為：

（1）明顯的頂板下沉、兩幫片幫現(xiàn)象，巷道圍巖表面表現(xiàn)出了較強(qiáng)的整體收斂和破壞。

（2）巷道圍巖變形速度較快，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

（3）巷道變形破壞的位置支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均勻，特別是頂板鋼帶，出現(xiàn)了嚴(yán)重的彎曲變形。

（4）頂板大量的錨桿（索）被拉斷。

2 圍巖原位探測(cè)

2.1 巷道圍巖力學(xué)參數(shù)測(cè)試

巷道頂?shù)装鍘r層的分布狀況以及各巖層的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性具有重要影響。為了探究該巷道的破壞原因，在巷道掘進(jìn)至圍巖破碎帶處(距巷道開口位置1204 m 處)的頂?shù)装暹x取合適的位置進(jìn)行打鉆取芯，對(duì)所取巖芯進(jìn)行加工、密封后將其帶回實(shí)驗(yàn)室，使用巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)各巖層試塊的力學(xué)參數(shù)展開測(cè)試，將最終的測(cè)試結(jié)果以及圍巖賦存狀況列于表1 中。

表1 巷道頂?shù)装鍑鷰r力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表1 可知南翼皮帶巷底板為3#煤，該煤層密度較低，抗壓強(qiáng)度較弱，頂板有一層約為0.6 m 的偽頂。經(jīng)測(cè)試結(jié)果顯示，該偽頂?shù)闹饕煞譃榉凵皫r，強(qiáng)度較低且層間粘聚力較弱，在掘進(jìn)擾動(dòng)等因素影響下易于垮落。偽頂之上為3.4 m 的粗砂巖和2.6 m的粉砂巖，這兩層巖層的抗壓強(qiáng)度低于同類巖層，且圍巖內(nèi)部裂隙較為發(fā)育。細(xì)砂巖之上則為粉砂巖，該巖層的圍巖完整性相對(duì)較好，抗壓強(qiáng)度較高。

2.2 頂板圍巖原位窺視

為了掌握巷道頂板圍巖內(nèi)部的破碎情況，在頂板選取合適的位置布置窺視孔并使用巖層鉆孔探測(cè)儀對(duì)其展開窺視。在窺視過程中累計(jì)窺視深度達(dá)到了10 m。圖2 為巷道頂板的窺視結(jié)果。

圖2 巷道頂板圍巖窺視結(jié)果

從圖中可以看出，巷道頂板1.6 m 深處圍巖較為破碎，出現(xiàn)了嚴(yán)重的塌孔現(xiàn)象；頂板2.4 m 深處縱向裂隙發(fā)育，且有著較為明顯的離層；3.4 m 處出現(xiàn)了一條環(huán)向裂隙且裂隙張開度較大；而5.6 m處孔壁較為粗糙，微小裂隙較多，圍巖完整性相對(duì)較差。距頂板表面6.6 m 深處以上的圍巖完整性較好，這與頂板圍巖的力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果相一致。

2.3 頂板圍巖可錨性測(cè)試

巷道掘進(jìn)至圍巖破碎帶處，由各巖層的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試及窺視結(jié)果可知，巷道頂板較淺部巖層強(qiáng)度較低且圍巖內(nèi)部較為破碎。為了確定該段巷道頂板的可錨性，在頂板布置6 根錨桿并對(duì)其錨固力展開測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示這6 根錨桿的錨固力均大于75 kN，由此可知處于圍巖破碎帶處的巷道仍具有較強(qiáng)的可錨性。

3 巷道破壞原因

（1）巷道在掘進(jìn)過程中揭露圍巖破碎帶，距頂板表面6.6 m 范圍內(nèi)的圍巖強(qiáng)度整體偏低，且內(nèi)部裂隙發(fā)育，局部地區(qū)圍巖破碎較為嚴(yán)重。

（2）處于破碎帶處的巷道頂板錨桿的錨固力大于75 kN，具有較強(qiáng)的可錨性，而在實(shí)際過程中錨桿預(yù)緊力僅為45 kN,不能對(duì)頂板圍巖形成有效的支護(hù)，上覆巖層的重量逐漸向兩幫轉(zhuǎn)移，進(jìn)而造成兩幫片幫現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）巷道支護(hù)時(shí)所采用的錨桿、錨索強(qiáng)度偏低，在強(qiáng)大的頂板壓力下容易發(fā)生破斷，巷道圍巖變形較大的現(xiàn)象得不到有效遏制。

（4）巷道附近為采空區(qū)，靠近采空區(qū)一側(cè)的煤柱側(cè)向支撐壓力較大，且在掘進(jìn)擾動(dòng)的影響下，該巷道的圍巖穩(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步變差。

4 優(yōu)化支護(hù)

根據(jù)南翼皮帶巷變形破壞的原因，對(duì)原支護(hù)方案做出如下優(yōu)化：

（1）巷道頂板以及幫部錨桿間排距不變，錨桿選用Φ22×2400 mm 的螺紋鋼，距巷道頂板中心左右0.7 m 處分別安裝1 根Φ20×2400 mm 注漿管，將頂板錨索改用為Φ22×6400 mm 的注漿錨索，第一排在距巷道中線左右兩側(cè)1.3 m處分別布置一根，第二排在巷中布置一根，依次循環(huán)。

（2）在錨桿安裝的過程中將預(yù)緊力統(tǒng)一提升至80 kN，錨索預(yù)緊力統(tǒng)一提升至145 kN。

（3）注漿材料選用水泥-水玻璃漿液，其中水灰比為1:1，依據(jù)巷道頂板圍巖的裂隙發(fā)育程度以及圍巖破碎狀況，設(shè)定的注漿壓力不超過2 MPa。優(yōu)化后的巷道斷面支護(hù)如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后的巷道斷面支護(hù)圖

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

巷道采用優(yōu)化方案治理后，對(duì)其圍巖變形量展開了為期一個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。

從圖中曲線可以看出，在原支護(hù)方案的治理下巷道圍巖變形量較大，其中頂?shù)装迨諗苛窟_(dá)到了231 mm，兩幫移近量達(dá)到了332 mm，而使用優(yōu)化方案對(duì)巷道進(jìn)行治理后，巷道頂?shù)装迨諗苛?、兩幫移近量分別驟減至38 mm 和57 mm，與原支護(hù)方案相比分別減少了83.5%和82.8%，巷道圍巖穩(wěn)定性得到了較好的控制。

圖4 巷道圍巖變形隨監(jiān)測(cè)時(shí)間變化曲線

6 結(jié)論

（1）南翼皮帶巷圍巖破碎帶處頂板6.6 m 范圍內(nèi)圍巖強(qiáng)度較低且完整性較差，再加上掘進(jìn)擾動(dòng)，所選用的錨桿（索）強(qiáng)度較弱，支護(hù)強(qiáng)度整體偏低，在這些因素的共同影響下，巷道圍巖變形嚴(yán)重。

（2）依據(jù)巷道破壞原因提出采用增加錨桿（索）直徑+加大支護(hù)強(qiáng)度+頂板圍巖注漿的聯(lián)合支護(hù)措施對(duì)其進(jìn)行治理。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在該優(yōu)化方案的治理下巷道圍巖穩(wěn)定性得到了較大提高。