風(fēng)氧化帶下軟巖大斷面切巷的施工及支護(hù)方式選擇

王杜虎

(霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司， 山西 呂梁 033199)

近年來，我國煤礦智能化建設(shè)步伐不斷加快，山西作為煤炭大省，智能化回采工作面的建設(shè)也已全面鋪開。2019年，木瓜礦順利實(shí)現(xiàn)了山西焦煤集團(tuán)首批智能化回采工作面的應(yīng)用，其后期的智能化連續(xù)開采任務(wù)任重道遠(yuǎn)。該礦10-201工作面作為大采高智能化工作面的銜接面，兩條順槽的后段掘進(jìn)工作一直在風(fēng)氧化帶下進(jìn)行，給切巷的施工及支護(hù)管理帶來難度。因此，需研究出適用于該工作面的施工支護(hù)方案。

1 工程背景

1.1 工作面概況

10-201工作面位于940 m水平，處于礦井二盤區(qū)準(zhǔn)備巷道南翼的末端，臨近井田邊界，以北為二盤區(qū)3條準(zhǔn)備大巷，以西為實(shí)體煤，以東、以南均靠近風(fēng)氧化帶，其上部均為實(shí)體煤巖層，所開采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組的(9+10)#煤(合并層)，煤層均厚5.8 m.

1.2 切巷支護(hù)存在難點(diǎn)

1) 切巷斷面大。10-201工作面切巷設(shè)計(jì)高度為4.4 m，寬度為8.5 m，巷道斷面大，中部張拉應(yīng)力大、頂角剪應(yīng)力較大，泥巖巖體強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力差，泥巖厚度大，無穩(wěn)定的上位巖層供錨桿懸吊使用，錨固劑錨固強(qiáng)度被弱化。

2) 頂板地層變化復(fù)雜。10-201運(yùn)輸順槽與回風(fēng)順槽在掘進(jìn)過程的后期均遭遇了風(fēng)氧化帶，巷道圍巖頂板多為灰白色或黃色泥巖，風(fēng)氧化程度嚴(yán)重。所取頂板泥巖樣品強(qiáng)度低，可用手掰碎，且遇水后極易軟化，變?yōu)槟酀{。在鉆孔窺視過程中多次出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，巷道原錨網(wǎng)梁(索)支護(hù)方式已不能滿足支護(hù)的安全需要，變更為錨索+架棚的支護(hù)方式。

2 方案的提出

2.1 數(shù)值模擬

針對(duì)該工作面地質(zhì)情況，采用巖土工程領(lǐng)域常用的FLAC3D軟件建立宏觀采場數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸沿煤層傾向?yàn)?0 m，沿煤層走向?yàn)?0 m，高度為45 m. 模型的頂部施加均布載荷，大小為6.5 MPa；模型四周采用水平位移約束，模型底面采用豎直方向位移約束，重力加速度取10 m/s2，側(cè)壓力系數(shù)取1.2. 為模擬注漿對(duì)巷道頂板圍巖的加固作用，通過頂板圍巖強(qiáng)度系數(shù)的增加模擬圍巖強(qiáng)度的提高。選取的巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1.

根據(jù)工程實(shí)際開采范圍，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行賦值。在計(jì)算中，各巖層均采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，參考以往工程實(shí)例[1-5],分“一次性開挖大斷面”和“分段開挖小斷面成巷”兩種方案來進(jìn)行切巷的優(yōu)化施工。同時(shí)在施工技術(shù)上分別模擬了3種支護(hù)方案：1) 切巷無支護(hù)。2) 切巷頂板注漿。3) 頂板注漿+錨索支護(hù)。不同開挖方案下巷道變形量與塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果見圖1.

表1 模擬試驗(yàn)巖石物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 不同開挖方式巷道變形對(duì)比圖

從圖1可以得出，裸巷全斷面頂板最大變形量達(dá)740.85 mm、頂板塑性區(qū)高度達(dá)8 000 mm，分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)頂板最大變形量為593.18 mm，頂板塑性區(qū)高度為5 000 mm；注漿后全斷面頂板最大變形量為575.1 mm、頂板塑性區(qū)高度為6 000 mm，注漿后分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)頂板最大變形量為480.69 mm，頂板塑性區(qū)高度為5 000 mm；注漿+支護(hù)后全斷面頂板最大變形量為324.19 mm、頂板塑性區(qū)高度為5 000 mm，注漿+支護(hù)后分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)頂板最大變形量為249.97 mm，頂板塑性區(qū)高度為3 000 mm. 注漿后塑性區(qū)高度顯著降低，分?jǐn)嗝骈_挖的變形量也顯著小于全斷面掘進(jìn)，由于裸巷全斷面最大塑性破壞區(qū)高達(dá)8 000 mm，故巷道的加固區(qū)高度需大于8 000 mm，且在分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)時(shí)頂板變形量最大區(qū)域?yàn)樗U(kuò)線偏導(dǎo)硐部分，此處應(yīng)重點(diǎn)加固。

2.2 頂板注漿加固設(shè)計(jì)方案

1) 超前注漿孔布置和孔深。

切巷與10-201回風(fēng)順槽巷道交叉點(diǎn)處注漿孔間距為3 m，排距為3 m. 進(jìn)入切巷后，注漿孔排距為3.0 m，間距為2～3 m，間距隨頂板巖層條件變動(dòng)，在切巷開口15 m內(nèi)為三二布置，后期可根據(jù)頂板巖層條件調(diào)整為二二布置。注漿鉆孔設(shè)計(jì)孔深為6～9 m， 超前注漿孔仰角45°～70°，孔徑為28 mm，孔深可隨頂板巖層情況在6～9 m內(nèi)浮動(dòng)變化，注漿孔剖面布置圖見圖2. 刷擴(kuò)區(qū)注漿鉆孔沿刷擴(kuò)幫頂交匯處向刷擴(kuò)區(qū)頂板注漿，排距為1.5 m，深淺孔交錯(cuò)布置，深孔孔深為6～9 m，淺孔孔深為5 m，注漿孔仰角為45°～75°.

圖2 超前注漿孔剖面布置圖

2) 注漿施工機(jī)具。

采用ZBQS-8.4/12.5型煤礦用雙液注漿泵，注漿孔施工時(shí)采用MQT-120/2.7C型氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)配合1.0 m空心六棱鋼組合鉆桿加d32 mm合金鋼鉆頭。

3) 注漿材料及配比。

綜合考慮頂板地層條件和現(xiàn)場實(shí)施工藝等因素，注漿材料采用普通硅酸鹽水泥漿加水玻璃，其中普通硅酸鹽水泥水灰比為0.5∶1～0.8∶1，可根據(jù)注漿情況現(xiàn)場調(diào)整最佳水灰比，但不能大于0.8∶1. 水玻璃的添加量為10%～20%，不能超過20%.

4) 注漿壓力。注漿壓力通過現(xiàn)場注漿試驗(yàn)或試驗(yàn)段注漿試驗(yàn)，注漿需要一定壓力克服裂隙阻力以便漿液滲入圍巖，壓力又不能太大，以免破壞圍巖。設(shè)計(jì)超前預(yù)注漿壓力為0.2～0.5 MPa，最大不超過0.5 MPa.

5) 注漿量。為保證巷道圍巖裂隙被充填密實(shí)，注入的漿液盡量保證裂隙充填滿，原則上注到不吃漿為止。注漿量可按下述公式進(jìn)行估算[6]：

Q=πR2LKαβ

式中：

Q—注漿量，m3；

π—圓周率，取3.14；

R—影響半徑，m，取1.5；

L—孔深，m，取10；

K—孔隙率，%，取0.07；

α—填充系數(shù)，取0.9；

β—損失系數(shù)，取1.15.

經(jīng)測算，注漿壓力為0.2 MPa時(shí)，單孔注漿量約為4 t.

6) 封孔長度。

封孔長度1.5 m，封孔40 min 后，進(jìn)行注漿。

2.3 切巷支護(hù)設(shè)計(jì)方案

在注漿基礎(chǔ)上，切巷頂板采用長短錨索加W鋼帶支護(hù)形式，導(dǎo)硐部分巷寬5 600 mm，最右側(cè)錨索距采空區(qū)側(cè)300 mm，其余間距1 000 mm；擴(kuò)刷部分巷寬2 900 mm，最左側(cè)錨索距煤壁側(cè)300 mm，其余間距1 150 mm，錨索排距1 m，錨索鋼絞線d18.9 mm，巷道中部5根錨索長度9 000 mm，兩側(cè)共4根錨索長度7 300 mm，錨索預(yù)緊力不小于180 kN. 工作面后方幫部采空區(qū)側(cè)幫采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，煤壁側(cè)采用玻璃鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，間距為1.5 m，排距為1 m，配合150 mm×150 mm×8 mm高強(qiáng)度方形帶拱托盤使用。頂、幫網(wǎng)均采用1 100 mm×1 500 mm的鋼筋片網(wǎng)(長×寬)，網(wǎng)孔規(guī)格為80 mm×80 mm，頂網(wǎng)豎鋪，幫網(wǎng)橫鋪。巷道斷面支護(hù)示意圖見圖3.

圖3 巷道斷面支護(hù)示意圖

3 切巷礦壓監(jiān)測

礦壓監(jiān)測主要利用KGE30B型頂板離層儀、MCL-60型錨桿(索)測力計(jì)、測線十字布點(diǎn)的方式進(jìn)行。頂板離層儀用于監(jiān)測巷道頂板在錨固范圍之內(nèi)與錨固范圍之外的離層情況，便于盡早發(fā)現(xiàn)頂板失穩(wěn)征兆，避免冒頂事故發(fā)生，巷道內(nèi)每30 m布置一個(gè)，共9個(gè)。錨索測力計(jì)用于對(duì)錨索所受載荷進(jìn)行監(jiān)測，便于及時(shí)掌握錨索工作狀態(tài)及鋼絞線與托盤的相對(duì)位移，巷道內(nèi)隨頂板離層儀每30 m布設(shè)一組，共9組。測線“十字”布點(diǎn)用于巷道表面位移監(jiān)測，便于對(duì)兩幫相對(duì)移近量、頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、頂板下沉量、底鼓等進(jìn)行分析，巷道內(nèi)每10 m 布設(shè)一組，共25組。

切巷施工共計(jì)用時(shí)57天，除了2#、5#、7#錨索測力計(jì)在初始安裝的2天內(nèi)數(shù)值有所升高外，頂板離層量、巷道位移量均沒有明顯變化，而錨索測力計(jì)在此后的數(shù)值也趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為錨索測力計(jì)數(shù)值變化是受注漿壓力、采動(dòng)影響共同作用的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案可以有效控制頂板、提供可靠的支護(hù)強(qiáng)度，保證切巷的順利施工。

4 結(jié) 語

對(duì)于大斷面的切巷施工，先小斷面掘進(jìn)，再進(jìn)行擴(kuò)刷是比較通行的做法，尤其是在風(fēng)氧化頂板下的巷道掘進(jìn)，“安全第一”是作為考量的首要因素。上覆巖層無穩(wěn)定層位供錨桿懸吊使用，只能通過注漿的方式人工構(gòu)筑穩(wěn)定層，再以長短組合錨索梁支護(hù)，以保障支護(hù)效果，維護(hù)礦井安全生產(chǎn)。