厚硬頂板回采巷道煤幫變形控制技術(shù)研究

曹育杰

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)神農(nóng)煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

國(guó)內(nèi)一般采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)厚煤層高產(chǎn)高效開(kāi)采，然而厚煤層回采巷道空間大，回采過(guò)程中受超前集中應(yīng)力等開(kāi)采擾動(dòng)影響，煤幫天然賦存的節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)弱面易進(jìn)一步發(fā)育延展，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)甚至出現(xiàn)煤幫片幫破壞現(xiàn)象。當(dāng)頂板賦存厚硬巖層時(shí)，煤幫成為圍巖承載結(jié)構(gòu)中較為薄弱的部分。針對(duì)回采巷道煤幫的穩(wěn)定與控制，專家學(xué)者已獲取大量的研究成果[1-4]。

本文基于對(duì)神農(nóng)煤業(yè)15101 工作面回風(fēng)順槽煤幫變形原因的分析，提出了煤幫錨索補(bǔ)強(qiáng)+注漿改性加固技術(shù)，并設(shè)計(jì)了支護(hù)參數(shù)，成功地抑制了巷道片幫，保證了工作面的安全高效回采。

1 工程背景

15101 工作面回風(fēng)順槽位于太原組15#煤層內(nèi)，巷道位于一采區(qū)軌道巷東部，井底變電硐室南部約90 m 處南部與15101 運(yùn)輸順槽相鄰。該順槽主要擔(dān)負(fù)15101 采煤工作面回風(fēng)任務(wù)。巷道斷面寬4.6 m，高3.2 m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度498.2 m，沿15#煤層頂板掘進(jìn)，巷道標(biāo)高+738～ +780 m，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高+993～+1000 m。15#煤位于太原組下部K2 灰?guī)r之下，平均厚3.20 m，煤質(zhì)較為松軟。煤層頂板為K2 灰?guī)r，平均厚度9.51 m；底部為細(xì)砂巖，平均厚7.22 m。

由于15101 工作面頂板為厚硬灰?guī)r，且15#煤煤質(zhì)較為松軟，回采期間受超前集中應(yīng)力作用，巷道煤幫發(fā)生破碎片幫，影響巷道通風(fēng)和行人運(yùn)料安全，亟需采取措施控制煤幫顯著變形。

2 煤幫變形控制技術(shù)

2.1 煤幫顯著變形原因分析

如圖1 為巷道開(kāi)挖后煤幫變形破壞示意圖。煤層上覆直接頂為厚硬K2 灰?guī)r，巷道頂板自身具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，抗采動(dòng)影響能力較強(qiáng)，巖層不易變形破壞。而煤體天然賦存分布著尺寸不一、形態(tài)多樣的節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)弱面。巷道開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力環(huán)境發(fā)生改變，由原始的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)，在卸荷拉應(yīng)力的作用下，煤體內(nèi)的結(jié)構(gòu)弱面進(jìn)一步發(fā)育、延展、貫通，其力學(xué)性能不斷劣化，當(dāng)破壞積累至一定程度時(shí)會(huì)展現(xiàn)出煤幫外鼓、剝落等現(xiàn)象。此時(shí)煤幫承載能力較差，由于淺部巷幫松軟破碎，巷道真實(shí)跨度增加。

圖1 煤幫變形破壞示意圖

2.2 煤幫變形綜合控制技術(shù)

針對(duì)巷道頂板為厚硬灰?guī)r且煤幫松軟破碎這一條件，為控制巷幫變形，提出采用錨索補(bǔ)強(qiáng)+注漿改性加固綜合控制技術(shù)保障巷道穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)改善煤幫承載性能、增強(qiáng)煤體整體完整性、抑制煤體片幫的效果。該技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)為以下幾個(gè)方面：

（1）提升煤幫支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度。通過(guò)設(shè)置高預(yù)緊力、加密支護(hù)來(lái)增加煤幫支護(hù)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)效果，提升煤幫結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，強(qiáng)化承載性能。同時(shí)，施加高預(yù)緊力對(duì)圍巖提供了主動(dòng)的作用力，使改善圍巖應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化，由平面恢復(fù)至三向狀態(tài)。錨桿（索）插入煤體內(nèi)部后，能夠貫穿內(nèi)部發(fā)育的結(jié)構(gòu)弱面，通過(guò)切向錨固力使煤體整體性加強(qiáng)，改善弱面的力學(xué)性質(zhì)，提高抗變形能力。原支護(hù)設(shè)計(jì)錨桿預(yù)緊力為50 kN，預(yù)緊力相對(duì)較小，現(xiàn)將錨桿預(yù)緊力調(diào)整為100 kN；原支護(hù)設(shè)計(jì)幫錨桿間排距為900 mm×1000 mm，兩幫各補(bǔ)打兩根錨索增加支護(hù)系統(tǒng)密度。

（2）提高煤幫自身強(qiáng)度。由于15#煤層煤體松軟破碎，承載能力差，受開(kāi)掘及開(kāi)采擾動(dòng)煤幫極易出現(xiàn)片幫破壞，因此需要采取注漿的方式改善煤幫承載性能。注漿能夠通過(guò)漿液封堵圍巖內(nèi)結(jié)構(gòu)弱面，將煤體與空氣隔絕，避免進(jìn)一步風(fēng)化劣化，能夠防止水對(duì)巖石的侵蝕。注漿后將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提升了煤幫的整體性，改善了煤體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等力學(xué)性能參數(shù)，煤幫抗擾動(dòng)能力加強(qiáng)，且能夠?qū)崿F(xiàn)利用本身作為支護(hù)系統(tǒng)的一部分。

2.3 控制方案與參數(shù)

根據(jù)巷道圍巖條件，結(jié)合巷道原支護(hù)參數(shù)（圖2），綜合上述分析與工程類比，確定了片幫控制方案及技術(shù)參數(shù)，如圖3。

原支護(hù)參數(shù)：錨桿型號(hào)Φ20 mm×L2000 mm，頂板錨桿間排距為800 mm×1000 mm，幫錨桿間排距為900 mm×1000 mm。

補(bǔ)強(qiáng)錨索參數(shù)：錨索選用規(guī)格為Φ21.6 mm×L7000 mm 普 通 錨 索， 配 備 規(guī) 格 為200 mm×200 mm×10 mm 的高強(qiáng)球形托盤。巷幫每排布置2 根錨索，在距底板630 mm 高位置打1 根錨索，錨索間排距為1800 mm×2000 mm。

注漿參數(shù)：在安裝錨索時(shí)，提前在孔內(nèi)放置Φ8 mm×L4000 mm 注漿銅管，用封孔材料封孔后，再?gòu)埨^索開(kāi)始注漿。選擇42.5 硅酸鹽水泥，注漿壓力不小于3 MPa。

煤幫錨索補(bǔ)強(qiáng)+注漿加固工作面需超前工作面100 m 以上開(kāi)展，遇見(jiàn)構(gòu)造等圍巖破碎區(qū)域，需采取補(bǔ)打單體柱等加固措施。

圖2 巷道原支護(hù)方案

圖3 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

3 應(yīng)用效果

采取錨索補(bǔ)強(qiáng)+注漿加固綜合控制技術(shù)對(duì)巷道煤幫進(jìn)行加固后，煤幫的力學(xué)性能及承載能力被改善和加強(qiáng)，能夠承受上覆巖層載荷，不發(fā)生片幫破壞。為驗(yàn)證補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果，對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行了觀測(cè)分析，巷道變形情況如圖4。

圖4 巷道變形量曲線

從圖4 中能夠發(fā)現(xiàn)：當(dāng)距離工作面75～100 m 時(shí)，此時(shí)屬于煤幫錨注加固初期，在采動(dòng)應(yīng)力作用下圍巖變形速率顯著，由于此時(shí)漿液尚未達(dá)到終凝強(qiáng)度，巷道圍巖仍持續(xù)變形；當(dāng)距離工作面30～70 m，此時(shí)屬于煤幫錨注加固終凝穩(wěn)定期，此時(shí)漿液達(dá)到終凝強(qiáng)度，抗變形能力強(qiáng)，圍巖變形較為緩慢；當(dāng)進(jìn)入采面前方30 m 范圍內(nèi)時(shí)，受超前集中應(yīng)力作用，圍巖變形呈加速趨勢(shì)。針對(duì)頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃吻闆r進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)煤幫變形量比頂?shù)装逡平扛鼮槊黠@，回采側(cè)變形量可達(dá)126 mm，非回采側(cè)煤幫變形量可達(dá)98 mm，而頂?shù)装逡平繛?8 mm。同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)注漿達(dá)到終凝強(qiáng)度后的抗變形能力強(qiáng)，采動(dòng)應(yīng)力對(duì)煤幫的擾動(dòng)破壞較小，盡管進(jìn)入采面前方30 m 內(nèi)后變形速率加快，但同注漿初期相比圍巖變形情況仍較緩和，表明綜合加固措施效果良好。針對(duì)注漿初期漿液未達(dá)到終凝強(qiáng)度，期間圍巖變形大的情況，可通過(guò)增大實(shí)施地點(diǎn)距工作面的距離增長(zhǎng)凝固時(shí)間。

基于上述對(duì)巷道變形觀測(cè)結(jié)果的分析，可以得出采取錨索補(bǔ)強(qiáng)+注漿加固綜合控制技術(shù)后能夠有效地對(duì)煤幫進(jìn)行加固，改善了煤幫承載性能，抑制巷道發(fā)生煤幫變形破壞現(xiàn)象，保證了巷道服務(wù)期間的通暢。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)15101 工作面回風(fēng)順槽煤幫變形破壞這一問(wèn)題，為抑制幫部變形，提出采取錨索補(bǔ)強(qiáng)+注漿加固綜合控制技術(shù)對(duì)煤幫進(jìn)行加固強(qiáng)化。

（2）采取加固措施后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明加固效果良好，改善了煤幫承載性能，控制了巷道變形，保障了巷幫穩(wěn)定。