復(fù)合頂板托頂煤巷道錨噴注聯(lián)合控制技術(shù)

關(guān)玉祥，朱陽濤

(1.淮南市安全生產(chǎn)宣傳教育中心，安徽 淮南 232001；2.中煤新集能源股份有限公司口孜東礦，安徽 阜陽 236153)

0 引言

隨著淺部煤炭資源的逐漸減少甚至枯竭，越來越多的礦井將面臨嚴(yán)峻的深部開采問題。隨著礦井開采深度的不斷加深，也帶來諸多開采技術(shù)難題，其中巷道大變形問題最為突出。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者針對深部、托頂煤、復(fù)合頂板巷道控制已開展了大量研究，取得了較為豐碩的研究成果。康紅普等[1-2]針對華豐礦超千米巖巷蠕變大變形和強(qiáng)采動軟巖煤巷分別提出了全斷面高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿索及注漿聯(lián)合控制方案和“支護(hù)—改性—卸壓”協(xié)同控制理念與技術(shù)。何滿潮等[3]針對千米埋深復(fù)合頂板巷道，提出了錨網(wǎng)索耦合支護(hù)方案。柏建彪等[4]針對復(fù)合頂板極軟煤層巷道，提出了在頂板采用全長錨固高強(qiáng)度錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)方案。白杰等[5]針對復(fù)合頂板強(qiáng)動壓巷道，提出了全斷面高預(yù)應(yīng)力短錨索+雙層鋼筋網(wǎng)支護(hù)技術(shù)。王全明等[6]運(yùn)用超前深孔預(yù)注漿的方法解決了趙莊煤礦大采高復(fù)合頂板巷道易冒頂問題。張農(nóng)等[7]給出了對不同頂板軟弱夾層層位的煤巷分級強(qiáng)化控制對策。彭楊皓等[8]通過采取減少頂板跨度、頂煤厚度和加強(qiáng)錨索支護(hù)方案控制大斷面托頂煤巷道圍巖變形。王昊等[9]采用樹脂加長錨固高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿配合錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，解決了新安煤礦4 m托松軟頂煤的支護(hù)難題。魏夕合等[10]通用高強(qiáng)中空注漿錨桿-錨索技術(shù)，有效控制了平煤一礦深部高應(yīng)力軟巖巷道大變形難題。

綜上所述，國內(nèi)學(xué)者在解決部分深部、弱膠結(jié)復(fù)合頂板、托頂煤單一或者2個條件下的巷道支護(hù)問題方面進(jìn)行了大量研究，但對于千米深井弱膠結(jié)復(fù)合頂板托頂煤耦合條件下的巷道支護(hù)方面還鮮有研究。兩淮礦區(qū)千米深井軟巖條件下復(fù)合頂板托頂煤巷道，由于其地應(yīng)力高、頂板巖性復(fù)雜多變、頂煤易破碎，而導(dǎo)致的巷道圍巖控制困難問題尤為突出，亟待開展研究。據(jù)此，以淮南新集礦區(qū)口孜東礦140502工作面風(fēng)巷為工程研究背景，考慮過斷層時頂板巖層復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境條件，針對托頂煤，提出從減少巷道頂板橫跨角度方面的“密集錨索+工字鋼吊梁”的“噴漿+注漿”聯(lián)合控制技術(shù)方法，并開展現(xiàn)場試驗。

1 工程概況及巷道變形原因

1.1 巷道布置情況

口孜東礦位于安徽省阜陽市穎東區(qū)楊樓鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計生產(chǎn)能力5.0 Mt/a，服務(wù)年限60.2 a。礦井布置2個水平，一水平為-967 m，二水平-1 200 m，目前開采為第一水平，埋深1 000 m。礦井140502工作面為5號煤層首采面，煤厚6.5 m，煤層傾角6°～16°，平均11°?；仫L(fēng)巷設(shè)計長度1 434 m，南自140502工作面風(fēng)巷前段撥門，北至140502工作面切眼，西鄰24勘探線，東鄰DF23正斷層。巷道設(shè)計斷面為矩形，寬5.8 m，高4.6 m，凈面積23.07 m2，沿頂板掘進(jìn)，留底煤2 m，巷道在局部地段會出現(xiàn)少量淋水。

1.2 巷道圍巖地質(zhì)動力學(xué)參數(shù)

地應(yīng)力：采用小孔徑水壓致裂法在5號煤層頂板開展地應(yīng)力測試，垂直應(yīng)力24.94 MPa、最大水平應(yīng)力23.55 MPa、最小水平主應(yīng)力10.05 MPa，屬于典型的深井高地應(yīng)力水平。

頂板煤巖層結(jié)構(gòu)：在頂板巖層采用鉆孔窺視儀進(jìn)行窺視，并結(jié)合地層綜合柱狀圖，獲得頂板煤巖層結(jié)構(gòu)，頂板0～3 m為砂質(zhì)泥巖，裂隙較為發(fā)育，3～9 m為砂巖，比較完整。

煤巖層強(qiáng)度：運(yùn)用小孔徑強(qiáng)度測試儀在頂、幫開展煤巖層強(qiáng)度原位測量，實測出頂板0～1 m、1～3 m范圍內(nèi)泥巖強(qiáng)度分別為16.5 MPa、25 MPa，3 m以上的砂巖強(qiáng)度為40 MPa以上，頂板泥巖強(qiáng)度較低，屬于軟巖類別；巷幫0～0.8 m、0.8～4.4 m、4.4 m以上煤體強(qiáng)度分別為12.5 MPa、17.5 MPa、20 MPa以上。強(qiáng)度測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 頂板與巷幫原位實測強(qiáng)度曲線

1.3 巷道托頂煤情況

140502工作面風(fēng)巷施工至1 073 m位置時，揭露隱伏KF14-08斷層，斷層落差12 m，煤層抬升至巷道頂板，巷道頂板往上0～4.3 m為煤、4.3～6 m為泥巖、6～7.5 m為砂巖、7.5～9 m為泥巖，為保證后期回采時的頂板、煤質(zhì)管理，140502工作面風(fēng)巷繼續(xù)向前施工時，巷道坡度按照22°～25°上山施工，直至巷道頂板跟隨5號煤頂板后，繼續(xù)沿5號煤頂板掘進(jìn)。巷道過斷層托頂煤施工示意如圖2所示。

圖2 巷道過斷層托頂煤施工示意

1.4 巷道變形原因分析

基于井下測試參數(shù)與施工情況，巷道托頂煤條件下頂板變形，經(jīng)綜合分析，認(rèn)為主要有以下原因。

巷道地應(yīng)力高：140502工作面風(fēng)巷的埋深為1 000 m，井下實測得出地應(yīng)力為24.94 MPa，屬于典型的高地壓巷道，地應(yīng)力是驅(qū)使巷道圍巖發(fā)生變形的根本驅(qū)動力。巷道開掘后頂板巖層偏應(yīng)力增高，非常容易超過巖層的強(qiáng)度，導(dǎo)致巖層破壞，從而產(chǎn)生大變形。

煤巖層強(qiáng)度低：井下實測得出頂板煤強(qiáng)度為12 MPa，泥巖強(qiáng)度30 MPa，按照巖石分類，屬于典型的軟巖巷道，巷道圍巖承載能力弱，在較低的應(yīng)力作用下就易發(fā)生破壞，誘發(fā)頂板明顯下沉。

泥巖泥土礦物成分高：頂板頂煤以上均是泥巖，電鏡掃描實測口孜東礦所含高嶺石、伊利石等粘土礦物含量占礦物總含量60%左右[2]，極易發(fā)生膨脹軟化，破壞錨固體，大大削弱錨桿錨索支護(hù)作用。在風(fēng)的作用下，容易發(fā)生風(fēng)化，巷道圍巖力學(xué)性能不斷衰減，導(dǎo)致巷道頂板持續(xù)變形。

巖層破碎、膠結(jié)性差：頂板的巖層結(jié)構(gòu)為煤層、泥巖、砂巖互疊，且以煤、泥巖為主，泥巖比較破碎、膠結(jié)性差，巖芯RQD接近0，屬于極不穩(wěn)定巖層，自承能力比較小，頂板掘進(jìn)期間多次發(fā)生漏頂。

巷道斷面大：巷道掘進(jìn)寬度接近6 m，頂板跨度較大，巷道頂板正中易產(chǎn)生撓曲變形。同時，彎曲拉應(yīng)力范圍增加，頂板容易受拉破壞。

2 巷道聯(lián)合控制技術(shù)

2.1 技術(shù)方案

2.1.1 縮小斷面

基于以上對140502回風(fēng)巷過斷層時，頂板存在頂煤、破碎泥巖時變形的原因分析，提出巷道聯(lián)合控制技術(shù)方案。為減少巷道頂板的跨度，采用縮小斷面方法，斷面由原來的5 940 mm×4 600 mm(寬×高)縮小至4 600 mm×3 600 mm(寬×高)，斷面面積縮小40%，顯著降低了頂板控制難度。

2.1.2 鋼筋超前支護(hù)

巷道掘進(jìn)前，在頂板與肩窩處采用螺紋鋼筋進(jìn)行超前支護(hù)，鋼筋長3 m、直徑25 mm、500#螺紋鋼材，間距不超過200 mm，每次循環(huán)1.6 m支護(hù)一次。前部錨固到巖層，尾部采用錨桿+鋼筋梯梁固定，在巷道掘進(jìn)后，超前鋼筋與硬頂煤合力支撐起頂煤與破碎頂板，縮短頂板的縱向跨度，抑制了超前頂板撓曲變形的產(chǎn)生，有效防止頂板冒落。140502回風(fēng)巷過斷層托頂煤施工超前鋼筋圖,如圖3所示。

圖3 巷道過斷層托頂煤施工超前鋼筋

2.1.3 密集錨網(wǎng)索+錨索吊梁加強(qiáng)支護(hù)

施工方法：非托頂煤完整頂板巷道僅采用錨桿、錨索吊梁支護(hù)即可控制頂板，但對于該段復(fù)合頂板托頂煤巷道須采用密集“錨網(wǎng)索+錨索吊梁”加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)斷面如圖4所示。頂板破碎巖層深度超過錨桿錨固范圍，錨桿全部換為單體錨索，兩排錨索間用“錨索+工字鋼”組合的錨索吊梁加強(qiáng)支護(hù)，及時支護(hù)住淺部托頂煤與破碎巖層，在高強(qiáng)度、高剛度密集錨索與錨索吊梁支護(hù)下，不僅淺部破碎復(fù)合頂板與深部穩(wěn)定巖層連接在一起，而且錨索組合在一起。采用“柔性塑料網(wǎng)+雙層鋼筋網(wǎng)”護(hù)表，大幅提高頂板護(hù)表能力，達(dá)到全斷面整體支護(hù)，以避免頂板未支護(hù)區(qū)鼓包和掉渣現(xiàn)象。

圖4 140502回風(fēng)巷未過斷層托頂煤支護(hù)斷面

具體技術(shù)參數(shù)：單體錨索為φ21.8 mm的鋼絞線，長6.2 m或9.2 m(視頂板巖層情況)，間排距800 mm×1 000 mm，采用大+小平墊板護(hù)表，小墊板150 mm×150 mm×16 mm，大墊板300 mm×300 mm×16 mm，垂直頂板打設(shè)。錨索吊梁長3.5 m，一根12#礦用工字鋼匹配3根錨索，錨索間距每2根為一組，吊梁排距1 m、1.6 m循環(huán)布置，錨索長9.2 m，錨索材料性能相同，兩側(cè)錨索與頂板呈75°夾角打設(shè)，正中錨索垂直頂板。每根錨索均采用2支MSZ2850錨固劑，預(yù)緊力為160 kN。錨索及組合附件力學(xué)性能,見表1。

表1 錨索及組合附件力學(xué)性能

2.1.4 噴漿

巷道完成錨索吊梁支護(hù)后，及時在巷道頂板表面噴射混凝土封閉圍巖，材質(zhì)為C20混凝土，噴射厚度70 mm。主要有3個作用：一是有效抑制了風(fēng)流對頂板頂煤與破碎泥巖的風(fēng)化作用；二是對錨索與錨索吊梁支護(hù)進(jìn)行強(qiáng)化，提高了支護(hù)的整體性；三是提高了頂板表面支護(hù)的剛度，有效減少了頂板無支護(hù)區(qū)的撓曲下沉。噴漿材料成分與材質(zhì)見表2。

表2 噴漿材料成分與材質(zhì)

2.1.5 注漿

在以上支護(hù)作用下，局部巷道頂板依然比較破碎，膠結(jié)性較差，依然會出現(xiàn)頂板下沉，尤其是淋水段，泥巖很容易軟化，造成頂板劇烈下沉。對于此段巷道，必須采用注漿方法對頂板巖層進(jìn)行改性，強(qiáng)化頂板軟弱巖層的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合頂板各巖層間的膠結(jié)性能與完整性，提高其自承載能力，與支護(hù)相互作用，有效防止頂板下沉。注漿孔深10 m，每排2個孔，間排距3 m×10 m。采用水泥、玻璃水混合漿液，采用樹脂錨固劑封孔，封孔深度0.5 m。

2.2 控制效果驗證

在140502工作面回風(fēng)巷過斷層托頂煤頂板布置礦壓監(jiān)測站，監(jiān)測內(nèi)容包含：頂板離層、頂板位移與錨索受力。通過這3個指標(biāo)來說明聯(lián)合控制技術(shù)效果。

2.2.1 頂板離層

在頂板布置2個離層儀，每個離層儀包含深、淺2個基點(diǎn)，其中淺基點(diǎn)6 m、深基點(diǎn)9 m，分別監(jiān)測6.2 m、9.2 m離層(根據(jù)錨桿技術(shù)規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn))，離層監(jiān)測曲線如圖5所示。

圖5 頂板離層量-時間曲線

從離層量來看，2個離層儀離層量均比較小，說明頂板離層得到有效控制。1#、2#離層儀總量分別為23 mm、20 mm，其中淺部基點(diǎn)離層量在12～15 mm，深部離層基點(diǎn)離層量為8 mm，說明頂板離層量主要在淺部頂煤與破碎的泥巖段產(chǎn)生，深部完整的泥巖與砂巖段變形較小。從離層速度來看，頂板離層在15 d內(nèi)變化較大，尤其是7 d內(nèi)，15 d后增加速度明顯降低，在60 d頂板穩(wěn)定，頂板變形得到及時控制。

2.2.2 頂板下沉量

在托頂煤段巷道頂板布置2個位移測點(diǎn)，監(jiān)測曲線如圖6所示。從曲線來看，頂板下沉量較小，均在25 mm以下，沒有發(fā)生片漏；頂板在15 d以內(nèi)下沉速度快，15 d后增長量在3 mm左右，60 d左右保持穩(wěn)定，可充分說明錨噴注方案可顯著控制140502工作面回風(fēng)巷過斷層時托頂煤復(fù)合頂板巷道變形。

圖6 頂板下沉量-時間曲線

2.2.3 錨索受力

對巷道頂板單體錨索、吊梁錨索布置測力計，監(jiān)測支護(hù)后錨索受力變化，監(jiān)測曲線如圖7、8所示?？梢?，單體錨索受力增加近20 kN，吊梁錨索受力增加近10 kN，整體增加較小，間接說明頂板變形較小。此外，支護(hù)淺部泥巖的錨索受力比深部吊梁錨索大，頂板變形主要集中在淺部。單體與吊梁錨索受力曲線具有3段，快速增加段、緩慢增加段、穩(wěn)定段。在15 d受力增加較快，15～50 d內(nèi)錨索受力增速明顯降低，在60 d后保持穩(wěn)定。

圖7 單體錨索受力-時間曲線

圖8 吊梁錨索受力-時間曲線

3 結(jié)論

(1)口孜東礦140502工作面風(fēng)巷埋深1 000 m，屬于高地應(yīng)力水平，過斷層托頂煤，頂板為復(fù)合巖層，強(qiáng)度低、膠結(jié)性差，掘進(jìn)期間頂板出現(xiàn)片漏、下沉明顯。

(2)巷道托頂煤條件下頂板變形的原因為：地應(yīng)力高；埋深大；頂煤與巖層強(qiáng)度低；泥巖泥土礦物成分高，易風(fēng)化、膨脹；巖層破碎、膠結(jié)性差；巷道斷面大。

(3)采用縮小斷面掘進(jìn)、鋼筋超前支護(hù)、密集錨網(wǎng)索+錨索吊梁加強(qiáng)支護(hù)、及時噴漿、注漿，有效控制了千米深井口孜東礦140502工作面風(fēng)巷過斷層托頂煤下的頂板變形，為此類巷道頂板控制提供了一定的借鑒。