煤礦井下復(fù)雜頂板巷道支護(hù)工藝研究與應(yīng)用

郝 宏 偉

（山西煤炭運銷集團(tuán)簸箕掌煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同037000）

0 引 言

復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖巷道頂板支護(hù)技術(shù)一直是煤礦井下巷道掘進(jìn)支護(hù)所面臨的重點問題之一[1]。新村煤業(yè)現(xiàn)主采的3#煤層，煤層直接頂和直接底均為泥巖，其中直接頂巖層厚度平均4.9m，最巖層厚度達(dá)到8.8m，因直接頂泥巖層較厚，巷道掘進(jìn)期間采用錨網(wǎng)索支護(hù)時經(jīng)常出現(xiàn)錨固力達(dá)不到要求，支護(hù)效果非常差。以13111 工作面回風(fēng)巷為例，在巷道施工2～3個月后，巷道頂板出現(xiàn)了嚴(yán)重破碎變形，局部甚至出現(xiàn)了頂板離層、垮落現(xiàn)象。為解決巷道支護(hù)難題，現(xiàn)從理論研究、取樣分析、現(xiàn)場測試等方面進(jìn)行研究，在此研究的基礎(chǔ)上對巷道支護(hù)工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)現(xiàn)場實測情況觀察，取得的效果比較好，具有很大的推廣應(yīng)用價值。

1 工程概況

1.1 煤層賦存特征

13111 工作面位于新村煤業(yè)13 采區(qū)東翼，其掘進(jìn)的回風(fēng)順槽北部為13111 上底抽巷，南鄰已回采結(jié)束的13091 工作面，西部為23 采區(qū)軌道下山，東部為邊界保護(hù)煤柱。13111 回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，設(shè)計斷面為矩形斷面，巷道凈寬4.2m，凈高2.8m，設(shè)計走向長1 560m，該巷道主要用于13111 工作面回風(fēng)、運料及行人等。工作面埋深+439.7～+475.9m，平均457.3m，煤層賦存厚度2.5～4.8m，平均3.6m，煤層傾角5°～12°，平均8°。掘進(jìn)區(qū)域煤層疏松，屬于典型的松軟不穩(wěn)定煤層，煤層呈黑色，塊狀、粉末狀、鱗片狀，具玻璃光澤，半亮型煤。煤層變異指數(shù)60.7%，煤層可采性指數(shù)為1，煤層內(nèi)夾矸為泥巖，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差（煤層頂?shù)装鍘r性見表1）。

表1 13111 工作面煤層頂?shù)装鍘r性情況表

1.2 水文地質(zhì)特征

通過對煤層頂?shù)装搴畬淤x水性、臨近老空區(qū)積水、斷層水、鉆孔水、地表水等地質(zhì)情況勘察和分析，13111 掘進(jìn)工作面水文地質(zhì)條件為中等型，工作面受頂板水、底板水、老空水、封孔不良鉆孔水影響較小，不受斷層水、地表水、陷落柱水影響。

1.3 巷道支護(hù)情況

13111 掘進(jìn)巷道采用錨桿索、錨網(wǎng)、鋼筋梯子梁進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，頂部錨桿采用規(guī)格為Ф20mm×2 000mm 高強度錨桿，錨桿間排距為800 mm×900mm。巷道頂部錨索呈“2-2”布置，間排距1 600 mm×1 000mm，錨索采用Ф18.9mm×5 200mm 鋼絞線。巷道幫部錨桿采用規(guī)格為Ф20mm×2 000mm 高強度錨桿，錨桿間排距為900mm×900mm。

1.4 巷道圍巖變化情況

根據(jù)現(xiàn)場觀測和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，13111 掘進(jìn)工作面在采取原支護(hù)方式時，在掘進(jìn)2～3 個月以后，巷道頂部巖層開始產(chǎn)生裂隙，出現(xiàn)頂板離層、破碎、脫落等礦壓顯現(xiàn)顯現(xiàn)，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)錨桿、錨索斷裂、脫落，頂板大面積下沉、垮落現(xiàn)象，給井下掘進(jìn)作業(yè)帶來重大安全隱患。

2 頂板巖性特征分析

13111 掘進(jìn)工作面直接頂板為泥巖，通過利用X射線衍射圖譜對頂板巖石特征進(jìn)行分析可知，該礦井頂板泥巖結(jié)構(gòu)成分中，石英石、高嶺石等礦物成分占比較大，如圖1 所示。

圖1 巷道頂板泥巖試樣X 射線衍射圖譜

為試驗頂板泥巖遇水和風(fēng)化作用后變化特征，選取頂板泥巖試樣進(jìn)行試驗，通過連續(xù)充水-風(fēng)干4 個循環(huán)的破壞作用，產(chǎn)生了如圖2 所示的崩解過程。圖2（a）為頂板泥巖的初始狀態(tài)，在經(jīng)過2 個循環(huán)的充水-風(fēng)干作用以后，巖石結(jié)構(gòu)開始發(fā)生了如圖2（b）所示的變化，開始出現(xiàn)破裂、脫落現(xiàn)象；在經(jīng)過3 個循環(huán)的破壞作用后，將近有一半的巖層出現(xiàn)全部崩裂離體現(xiàn)象，如圖2（c）；在經(jīng)過第4 個循環(huán)的作用之后，整個巖石試樣全部出現(xiàn)破碎、崩裂現(xiàn)象，如圖2（d）所示。

圖3 為使用電鏡圖掃描頂板泥巖試樣產(chǎn)生的圖像，由圖3 中可以看出，高嶺石、綠脫石和伊利石在泥巖中所占成分最多，它們之間相互穿插、毫無規(guī)則的堆積和分布，整個巖石結(jié)構(gòu)體已經(jīng)沒有一定的定向性，且其中產(chǎn)生了明顯的裂隙。

圖2 頂板泥巖試樣破壞變化過程

圖3 巖石泥巖電鏡掃描圖

通過以上研究分析，13111 掘進(jìn)巷道頂板巖層中高嶺石、石英石等黏土類礦物質(zhì)含量較大，該類礦物質(zhì)易吸水，且吸水后極易出現(xiàn)膨脹變形，對泥巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂隙發(fā)育。當(dāng)巷道掘進(jìn)施工后，巷道圍巖受掘進(jìn)破壞影響造成應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致巷道頂板泥巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂隙增多，并發(fā)生擴(kuò)展、貫通，從宏觀上顯示為泥巖內(nèi)部產(chǎn)生明顯裂隙。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化

由以上分析研究可知，巷道整體結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)主要原因是由于巷道頂部泥巖層的不穩(wěn)定性造成的[2]，頂板泥巖層的松軟、易破碎的特性造成錨網(wǎng)支護(hù)時巷道頂板錨桿性較差，巷道圍巖結(jié)構(gòu)強度弱，抗拉能力差，同時因泥巖層吸水性強，且遇水發(fā)生膨脹變形，因此出現(xiàn)了巷道支護(hù)體失效，巷道出現(xiàn)破壞變形現(xiàn)象[3-4]，急需對原巷道支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化以控制巷道圍巖變形，保證安全生產(chǎn)。

3.1 巷道斷面設(shè)計優(yōu)化

對原巷道設(shè)計斷面尺寸4 200mm×2 800mm 進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整為4 400mm×3 000mm，即將原巷道兩幫各刷寬100mm，巷道高度增加200mm，從而為巷道掘進(jìn)后噴漿預(yù)留出足夠的空間。同時，由于3#煤層巷道頂板還存在400～600mm 厚的偽頂，其極為破碎，掘進(jìn)支護(hù)過程中極難控制，而且巷道直接底板也是泥巖層，其也具有遇水膨脹、裂隙發(fā)育明顯等特征，因此，將原設(shè)計巷道沿底掘進(jìn)改為破偽頂和破底板巖層進(jìn)行施工。

3.2 巷道頂板支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

1）噴漿護(hù)表。為防止巷道掘進(jìn)巖層裸露后風(fēng)化侵蝕變形，采取在巷道掘進(jìn)后滯后迎頭15～20m 對巷道頂部和幫部巖層表面噴射混泥土進(jìn)行封閉保護(hù)，噴漿厚度要求巷道頂部50mm，幫部上方200mm，中間及下部50mm。

2）支護(hù)體優(yōu)化。采取增加錨桿直徑和增長錨索長度的方式增加巷道整體支護(hù)強度。采用Ф22mm×2 400mm 左旋無縱筋錨桿代替原 Ф20mm×2 000mm 高強度錨桿。同時為加強巷道幫角處圍巖控制，將巷道兩幫肩窩處的錨桿角度均傾斜25°。將巷道頂部原采用的Ф18.9mm×5 200mm 錨索更換成Ф18.9mm×7 200mm 的錨索進(jìn)行支護(hù)，巷道頂部兩邊的錨索角度由垂直方向更改為向左右兩幫傾斜20°布置。將原采用的鐵絲網(wǎng)更換為Ф6.5mm×1 000mm×2 000mm 的鋼筋點焊金屬網(wǎng)，支護(hù)體優(yōu)化后支護(hù)圖如圖4。

圖4 巷道支護(hù)設(shè)計對比圖

4 巷道支護(hù)工藝優(yōu)化效果分析

4.1 試驗數(shù)值分析

如圖5，為13111 掘進(jìn)巷道采用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，巷道圍巖破裂變形及所受的剪切力變化過程。由圖中可見，在巷道剛開始成形階段，錨桿和錨索所承載的剪應(yīng)力成均勻分布，巷道整體變形比較協(xié)調(diào)，巷道支護(hù)體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，對巷道圍巖變形能夠產(chǎn)生有效控制作用；當(dāng)壓力增大到10MPa 后，巷道兩幫頂角開始出現(xiàn)受力變形，產(chǎn)生了一定的裂隙；當(dāng)壓力增大到15MPa 時，巷道頂部錨索對圍巖剪應(yīng)力仍然能夠起到承載作用，并能夠?qū)⑾锏绹鷰r上部頂角的塑性變形線切斷，從而在巷道頂板上部形成一個對巷道圍巖剪應(yīng)力具有一定承載能力和影響范圍的巷道承載體結(jié)構(gòu)。因此，采用優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計方案對巷道圍巖變形能夠起到很好的控制作用。

圖5 巷道圍巖破裂變形演變過程

4.2 工程實測分析

在13111 上順槽掘進(jìn)巷道采用優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計方案后，在工作面回采過程中，對上順槽巷道圍巖變化情況進(jìn)行了現(xiàn)場實測，通過現(xiàn)場實時動態(tài)觀測情況，繪制如下圖6 曲線。

圖6 13111 工作面巷道圍巖受力變形監(jiān)測曲線圖

由圖6 可以看出，在工作面推進(jìn)過程中，工作面距離測點40m 以外時，巷道頂部和幫部移近量不明顯；在工作面距離測點40m 位置時，巷道頂部及幫部圍巖移近量開始出現(xiàn)急劇增大現(xiàn)象；當(dāng)工作面推進(jìn)至測點位置時，巷道頂板下沉量共計達(dá)到375mm，巷道兩幫移近量共計達(dá)到255mm。由以上觀測情況可知，采用優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計方案后，巷道圍巖移近量未超出規(guī)定值，巷道能夠滿足安全回采需要。同時，通過現(xiàn)場實測和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，工作面巷道整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，頂板未出現(xiàn)冒頂、垮落現(xiàn)象，巷道返修率大大降低，從而極大提高了礦井回采效率，降低了成本投入。

5 結(jié) 語

1）頂板泥巖層結(jié)構(gòu)內(nèi)富含黏土類礦物質(zhì)成分，極易遇水發(fā)生膨脹變形且裸露表層極易受風(fēng)化侵蝕，圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育增大。

2）通過對巷道施工斷面、支護(hù)參數(shù)、支護(hù)工藝等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出了合理的巷道支護(hù)設(shè)計方案用于控制巷道圍巖變形。

3）采用優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計方案后，13111 巷道在掘進(jìn)和回采過程中，巷道圍巖變形在可控范圍之內(nèi)，巷道結(jié)構(gòu)整體性較好，確保了工作面安全高效回采。