煤層回風(fēng)大巷支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

王 文

（霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)有限公司，山西 靜樂 035100）

隨著我國綜合機(jī)械化開采技術(shù)的發(fā)展，礦井的產(chǎn)能不斷提高，出現(xiàn)了一批單井產(chǎn)能超過兩千萬噸的井工開采煤礦。產(chǎn)能的提高以設(shè)備的大型化為保障。為滿足礦井運(yùn)輸及大型設(shè)備的安裝要求，大斷面煤層巷道越來越多。由于支護(hù)方式不合理，煤層大巷掘進(jìn)后變形嚴(yán)重，有些需要反復(fù)維修，不僅增大了支護(hù)成本，而且對生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響[1-4]。因此實(shí)現(xiàn)大斷面煤層巷道的穩(wěn)定控制，對煤礦的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

為加快掘進(jìn)速度，霍州煤電集團(tuán)金能煤礦的回風(fēng)大巷布置在2 號煤層中，沿煤層底板掘進(jìn)。巷道斷面為半圓拱形，規(guī)格為5.5 m×4.8 m（寬×高）。2 號煤的厚度為0.6～10.4 m，平均為5.2 m，煤層傾角7°～28°，平均16°。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1。

圖1 2 號煤層頂?shù)装鍘r性

2 煤層大巷變形特征

2.1 巷道原支護(hù)方式

巷道永久支護(hù)為錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，配球形墊圈，每根錨桿使用兩卷Z2835 樹脂錨固劑，錨桿間排距為800 mm×800 mm。

錨索為Φ21.6 mm×8200 mm 鋼絞線，每排布置5 根錨索，錨索間排距1200 mm×1600 mm，每根錨索使用4 根Z2360 和1 根CK2360 錨固劑，配400 mm×400 mm×16 mm 的托盤。

錨網(wǎng)索支護(hù)后對巷道進(jìn)行噴漿密閉，水泥:沙子:石子的比例為1:2:2，噴漿厚度≥120 mm，分兩次噴漿，間隔2 h。

2.2 巷道變形特征

回風(fēng)大巷掘進(jìn)斷面22 m2，為大斷面煤層巷道。巷道掘進(jìn)后出現(xiàn)劇烈變形，主要變形特征表現(xiàn)為：

（1）巷道頂板有網(wǎng)兜，下沉量大，部分區(qū)域頂板下沉量可達(dá)1000 mm，錨桿索被拉斷，托盤外翻，網(wǎng)兜及金屬網(wǎng)撕裂較嚴(yán)重。掘進(jìn)期間曾發(fā)生一次大面積冒頂，頂板冒落后，錨桿露出甚至整體掉下，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

（2）兩幫出現(xiàn)內(nèi)擠現(xiàn)象，擴(kuò)容明顯，最大幫鼓量達(dá)500 mm，兩幫移近量接近1000 mm，錨桿失效，托盤變形，金屬網(wǎng)被撕裂。

3 地應(yīng)力測量

3.1 測定方法

由于井下煤層賦存條件的特殊性，一般采用實(shí)測的方式確定某區(qū)域的地應(yīng)力。綜合比較各種測量方法，確定采用應(yīng)力解除法對2 號煤地應(yīng)力進(jìn)行測量[5-6]。

應(yīng)力解除法的原理為：當(dāng)試塊從巖體中取出時(shí)會發(fā)生膨脹變形，而變形量的大小取決于它最初的受力狀態(tài)。通過測量變形值，利用胡克定律即可計(jì)算出該試塊的原始受力大小，即為該位置的初始地應(yīng)力。

3.2 測量步驟

在回風(fēng)大巷中無斷層和破碎帶的區(qū)域取3 個(gè)點(diǎn)打鉆取芯進(jìn)行地應(yīng)力測量，應(yīng)力測試鉆孔的參數(shù)見表1，鉆孔布置如圖2。

圖 2 鉆孔布置圖

表1 應(yīng)力測試鉆孔參數(shù)

測量步驟為：

（1）導(dǎo)孔施工

在煤巖體表面以4°的仰角施工應(yīng)力解除孔，鉆孔的直徑為120 mm，鉆孔的深度為7.5～10.5 m。

（2）應(yīng)力計(jì)安裝孔施工

導(dǎo)孔施工完畢后，采用Φ36 mm 的鉆頭與導(dǎo)孔同圓心施工應(yīng)力計(jì)安裝孔，安裝孔深380 mm。

（3）安裝應(yīng)力計(jì)

將粘貼了三組、每組四片電阻應(yīng)變片制作的空心環(huán)氧樹脂應(yīng)力計(jì)安裝到Φ36 mm 的應(yīng)力計(jì)安裝孔中。

（4）取芯

待環(huán)氧樹脂固化后，一般不得小于24 h，將粘有應(yīng)變計(jì)的巖芯取出，取出過程中同步采集12 個(gè)電阻應(yīng)變片的變形數(shù)值。

（5）彈模測定

將取出的巖芯放入彈模率定儀中，測量巖芯的彈性模量和泊松比。

（6）應(yīng)力計(jì)算

利用地應(yīng)力計(jì)算軟件對變形量、彈性模量、泊松比等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到地應(yīng)力結(jié)果。

3.3 測量結(jié)果

根據(jù)應(yīng)力解除過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以得到不同距離的應(yīng)變變化，其中2 號測孔的曲線如圖3。

圖3 2 號孔應(yīng)力解除過程曲線

通過軟件的計(jì)算分析，得到三個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力值及關(guān)系見表2。

表2 地應(yīng)力測量結(jié)果

由地應(yīng)力測試結(jié)果可以看出，金能礦的原始應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，并且最大水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.08 倍，受一定的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，但影響較小。

3.4 巷道變形原因分析

結(jié)合地應(yīng)力測量結(jié)果，分析回風(fēng)大巷變形劇烈的原因主要有：

（1）地應(yīng)力方向

地應(yīng)力觀測結(jié)果表明，水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力，最大主應(yīng)力的方向與巷道掘進(jìn)方向的夾角為62.3°，相對較大，是造成頂板及兩幫變形嚴(yán)重的主要原因。

（2）巷道圍巖為煤體

回風(fēng)大巷沿2 號煤底板掘進(jìn)，頂板和兩幫均為煤體，采用鉆孔觸探法測得煤體原位單軸抗壓強(qiáng)度為6.8 MPa，為極軟煤層，自穩(wěn)能力差。

（3）部分支護(hù)參數(shù)不合理

2 號煤的頂板為泥巖和砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度相對較低，而選用8200 mm 的錨索錨固點(diǎn)位于砂質(zhì)泥巖中，極易出現(xiàn)離層，造成支護(hù)失效。

4 錨噴注控制機(jī)理及方案

4.1 控制機(jī)理

綜合回風(fēng)大巷的變形特征及原因分析，改變巷道方向或者重新掘進(jìn)巷道不僅影響煤礦正常的生產(chǎn)，而且經(jīng)濟(jì)上不合理，為此提出采用錨噴注聯(lián)合支護(hù)的強(qiáng)力支護(hù)方式。即首先對錨網(wǎng)之后的巷道進(jìn)行噴漿封閉，隔絕空氣，同時(shí)防止漏漿；其次對巷道進(jìn)行淺部注漿，進(jìn)一步封閉巷道淺部煤巖體中的裂隙，為錨桿提供穩(wěn)定的受力基礎(chǔ)，同時(shí)提高可注性，為深部注漿提供條件；最后對巷道進(jìn)行深部注漿，封閉錨索錨固范圍內(nèi)的裂隙，提高整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的整體性，使得錨桿索等永久支護(hù)體與煤巖體形成復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，解決軟弱煤巖體變形量大的問題。錨噴注的加固機(jī)理如圖4。

圖4 錨噴注加固機(jī)理示意圖

4.2 錨網(wǎng)噴支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)

改用BHRB500 鋼材制作的Φ22 mm×2400 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，屈服載荷500 MPa，拉斷載荷254 kN。配150 mm×150 mm×8 mm 的沖擊碟形墊片，預(yù)緊力矩≥300 N·m。

（2）增加錨索長度

將錨索長度由8200 mm 增加為12 000 mm，并且要求深入到頂板粉砂巖中的距離≥1.5 m，配4根Z2360 和2 根CK2360 錨固劑。

4.3 注漿加固

深淺孔的注漿設(shè)計(jì)如圖5。

圖5 深淺注漿設(shè)計(jì)（單位：mm）

注漿材料為水泥和水玻璃的雙液漿，體積比為1:0.2。深部注漿孔的深度為12 000 mm，淺部注漿孔的深度為2500 mm。注漿孔的間距應(yīng)小于2 倍的擴(kuò)散半徑，以此設(shè)計(jì)每排注漿孔的數(shù)量為11 個(gè)，其中深部注漿孔5 個(gè)，淺部注漿孔6 個(gè)。注漿孔設(shè)置在錨桿排之間，排距為800 mm。淺部注漿孔的壓力≤2 MPa，深部注漿孔的壓力≥5 MPa。注漿順序由下往上，先注底角及兩幫，最后位于巷道中間的深部注漿孔。

4.4 應(yīng)用效果監(jiān)測

采用錨噴注的支護(hù)方案后，在回風(fēng)大巷內(nèi)每隔50 m 設(shè)置一個(gè)測站，對巷道表面位移進(jìn)行觀測，連續(xù)3 d 變形值不超過5 mm 停止觀測。3 號測點(diǎn)的觀測結(jié)果如圖6。

圖6 3 號測點(diǎn)巷道表面位移觀測結(jié)果

由圖6 可以看出，采用新的支護(hù)方式后，巷道變形緩慢，變形速率小，兩幫移近量74 mm，頂板下沉量98 mm。巷道底板穩(wěn)定，最大底鼓30 mm，對生產(chǎn)影響較小。

5 結(jié)論

（1）錨噴注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可以提高軟弱煤層巷道支護(hù)系統(tǒng)的整體性，使得錨桿索等永久支護(hù)體與煤巖體形成復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，解決軟弱煤巖體變形量大的問題。

（2）回風(fēng)大巷采用錨噴注聯(lián)合網(wǎng)支護(hù)后，巷道變形量小，保證了礦井的正常生產(chǎn)，但成本相對較高，對服務(wù)年限較長的礦井開拓巷道和采區(qū)準(zhǔn)備巷道效果較好。