含泥巖夾層巷道圍巖控制技術(shù)

崔世榮

(山西呂梁中陽付家焉煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000)

在煤炭的形成過程中，由于受到外部條件的影響，往往難以形成單一穩(wěn)定的煤層，常常會出現(xiàn)不同的地質(zhì)構(gòu)造、煤巖互層現(xiàn)象，直接影響煤炭的安全高效生產(chǎn)[1-3]。其中煤炭中含泥巖現(xiàn)象最為常見，不但會降低礦井整體效益，而且會對巷道圍巖穩(wěn)定性造成影響，易出現(xiàn)巷道片幫、幫鼓甚至層位錯動等現(xiàn)象，威脅到礦井的安全生產(chǎn)[4-5]。

1 工程概況

某礦主采5-2煤，煤層平均厚度6.2 m，傾角1～3°，在5-2煤層中下部存在1層軟弱的泥巖夾層，厚度50～200 mm。煤層的頂板巖性以砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，少量為粉砂巖、細(xì)粒砂巖和中粒砂巖;底板主要以細(xì)粒砂巖、粉砂巖為主，煤層與頂?shù)装迕黠@接觸。85203回采工作面位于該礦八盤區(qū)，工作面采用三巷布置，相鄰工作面為85201。85203回風(fēng)巷寬度為5.8 m，高度為4.4 m，斷面面積25.52 m2，其中巷道頂部采用直徑18 mm的鋼筋托梁+鋼筋網(wǎng)片+錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)，幫部采用直徑18 mm的鋼筋托梁+鋼塑復(fù)合網(wǎng)+玻璃鋼錨桿聯(lián)合支護(hù)。工作面回采過程中發(fā)現(xiàn)回風(fēng)巷變形破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)了幫鼓、錯動、脫錨等現(xiàn)象，如圖1所示，嚴(yán)重影響了礦井安全生產(chǎn)。

圖1 巷道破壞形態(tài)

2 軟弱夾層礦物成分分析

為了掌握5-2煤層中的黃色泥巖夾層的礦物成分，從正在回采的85203工作面中提取夾層巖樣，進(jìn)行礦物成分X衍射分析。采用型號D/max-2500的X衍射儀，采用基本強度對比法對礦物成分進(jìn)行分析，試驗條件選擇實驗室溫25 ℃、濕度52%、電壓40 kV、電流200 m。礦物成分如表1所示。由X衍射礦物成分分析表可知，85203工作面煤層里的夾層泥巖蒙脫石含量達(dá)55%以上，高嶺石含量達(dá)24%。該夾層是以蒙脫石和高嶺石為主要成分的粘土礦物泥巖。根據(jù)礦物特性，高嶺石具有吸水軟化性和可塑性，蒙脫石具有很強的遇水膨脹性和軟化性。正是由于這兩種礦物的存在，在巖層長期受到巷道潮濕環(huán)境的影響下，將為發(fā)生巷幫錯動、片幫等變形現(xiàn)象提供有力的外部條件。

表1 X衍射礦物成分含量

3 巷道圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與破壞范圍測定

3.1 窺視鉆孔布置

為了進(jìn)一步掌握巷道的變形破壞特征，在85203工作面回風(fēng)巷內(nèi)選取觀測點對巷道圍巖進(jìn)行了窺視。在巷道頂板及兩幫內(nèi)共布置9個窺視鉆孔，其中頂板1～3號鉆孔深度為10 m，1號、3號鉆孔與巷道軸線夾角60°，2號鉆孔垂直頂板，兩幫4～9號鉆孔深度為3 m，6號和9號鉆孔與巷道軸線夾角30°，具體鉆孔布置如圖2所示。

圖2 窺視鉆孔布置

3.2 窺視結(jié)果分析

由于篇幅限制，圖3選取了不同鉆孔典型的窺視圖進(jìn)行分析。1～3號鉆孔窺視表明，孔內(nèi)軸向裂隙實際上是巷道圍巖內(nèi)部的垂直裂隙。巷道頂板距孔口0～3 m，圍巖內(nèi)部裂隙逐步開始發(fā)育;在距孔口3～6 m范圍內(nèi)，圍巖內(nèi)部垂直裂隙發(fā)育程度比較高，3號孔發(fā)育程度明顯高于1號孔;距孔口6～8 m，圍巖內(nèi)部垂直裂隙有收斂閉合的趨勢，說明巷道頂板破壞區(qū)高度在8 m范圍以內(nèi)。

圖3 鉆孔窺視

巷道正幫進(jìn)行窺視鉆孔施工時，出現(xiàn)了塌孔和潰孔現(xiàn)象，導(dǎo)致7～9號鉆孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞無法觀測。巷道副幫4～6號鉆孔在1～2.5 m范圍內(nèi)巷道破壞明顯，出現(xiàn)了明顯的裂隙，但是大于2.5 m以后的圍巖未見明顯破壞?？紤]到巷道兩幫破壞的對稱性，巷道幫部破壞范圍為0～2.5 m，巷道破壞范圍如圖4所示。

圖4 巷道破壞范圍示意

4 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)以上分析結(jié)果，決定采取“泥巖表面封閉防止軟化+深部加固阻滑”支護(hù)方案，對該礦5-2煤工作面回風(fēng)巷支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，如圖5所示。由于巷道頂板采用D17.8 mm×6 000 mm錨索，間排距2 m×3 m，采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿D20 mm×2 400 mm+D6.5 mm焊接鋼筋網(wǎng)；巷道回采幫采用玻璃鋼錨桿+塑料復(fù)合網(wǎng)支護(hù)，玻璃鋼錨桿D27 mm× 2 400 mm；巷道非回采幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿D20 mm×2 400 mm + D6.5 mm焊接鋼筋網(wǎng)+D16 mm焊接鋼筋梁+夾層補強支護(hù)螺紋鋼錨桿D22 mm×4 000 mm。補強支護(hù)：由夾層附近塑性區(qū)達(dá)3 m，設(shè)1排長度4 m、間距2 m的長錨桿加強支護(hù)。每2根長錨桿中間補1根2.4 m的錨桿，配套1條橫向鋼筋梁，加強對夾層附近變形的整體控制。另外對巷道內(nèi)夾層采取噴射混凝上或防滲抗裂砂漿進(jìn)行封閉。

圖5 巷道支護(hù)設(shè)計(mm)

5 應(yīng)用效果分析

為了大斷面含泥巖夾層巷道支護(hù)效果，對85205回風(fēng)巷進(jìn)行了圍巖移近量監(jiān)測，觀測斷面布置于工作面前方100 m，工作面每天推進(jìn)8 m，共能持續(xù)觀測13 d，巷道圍巖變形得到了很好的控制，頂?shù)装逡平孔畲?27 mm，兩幫移近量最大148 mm，未見巷道錯動變形、明顯片幫、玻璃鋼錨桿斷裂等破壞現(xiàn)象，巷道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 巷道超前100 m圍巖移近量變化

6 結(jié) 語

1) 泥巖夾層中所含礦物成分特性影響、甚至決定著巷道的穩(wěn)定性。5-2煤軟弱夾層中主要有高嶺石和蒙脫石礦物，與水充分接觸，泥巖逐漸軟化，受壓后產(chǎn)生流變，在外部條件作用下，以泥巖為分界，巷幫極易發(fā)生錯動變形。

2) 通過對巷道圍巖進(jìn)行窺視，確定巷道頂板破壞深度為0～8 m，兩幫破壞深度為0～2.5 m。

3) 確定了“泥巖表面封閉防止軟化+深部加固阻滑”的支護(hù)優(yōu)化方案，現(xiàn)場應(yīng)用后，頂?shù)装逡平孔畲?27 mm，兩幫移近量最大148 mm，未出現(xiàn)明顯巷道破壞現(xiàn)象，巷道圍巖變形得到了很好的控制。