復(fù)雜條件下大斷面巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)研究

張妙生

(西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司 礦建分公司，山西 太原 030024)

隨著煤炭資源的不斷開采，當(dāng)前煤層地質(zhì)條件復(fù)雜程度不斷增大，煤層內(nèi)構(gòu)造、頂?shù)装鍡l件愈發(fā)復(fù)雜多變，巷道掘進(jìn)施工難度增大[1-2]。同時隨著礦井機(jī)械化水平的提高，井下巷道所需斷面不斷增大，圍巖應(yīng)力分布及承載情況也在不斷變化，巷道支護(hù)方式需進(jìn)一步優(yōu)化，以保證圍巖穩(wěn)定性，確保后期工作面回采時正常使用[3-5]。本文以山西斜溝煤礦18505工作面膠帶巷條件為基礎(chǔ)，采用理論分析、窺視分析、礦物成分鑒定方法，對復(fù)雜條件下大斷面巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對本礦其他相鄰地質(zhì)條件巷道支護(hù)技術(shù)有一定借鑒作用。

1 工程背景

斜溝煤礦18505工作面開采煤層為8號煤，煤層厚度平均為3.14 m，傾角平均為4°，埋深在160～390 m范圍內(nèi)，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塊狀條帶狀均有，內(nèi)含1～2層泥巖夾矸，其中上層夾矸較穩(wěn)定，厚度在0.1～0.3 m，下層夾矸不穩(wěn)定，煤層強(qiáng)度f約為2～3。18505工作面膠帶巷為主進(jìn)風(fēng)巷，斷面大小為5.5 m×3.6 m，工作面頂板綜合柱狀圖如圖1所示。18505膠帶巷巷道設(shè)計(jì)長度3 193 m，目前已施工199 m，施工過程中，巷道兩幫片幫情況嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)效率。

圖1 頂板綜合柱狀圖

2 巷道圍巖變形機(jī)理分析

2.1 頂板圍巖結(jié)構(gòu)窺視

為研究18505膠帶巷圍巖變形原因，分析覆巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)育情況，采用鉆孔窺視方法對工作面上覆10 m范圍內(nèi)巖層進(jìn)行了觀測，鉆孔窺視圖，如圖2所示。

圖2 鉆孔窺視圖

從圖2中可以看出，孔內(nèi)1.8 m處頂板破碎，存在空洞；孔內(nèi)2.9 m處存在縱向裂隙，裂隙長度約為45 mm；孔內(nèi)4.6 m、5.4 m處存在離層現(xiàn)象，總體來看鉆孔內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育較多，巖層穩(wěn)定性較差。基于該窺視結(jié)果可以得出，巷道頂板巖層整體穩(wěn)定性較差，淺部構(gòu)造發(fā)育較多。

2.2 礦物成分鑒定分析

18505膠帶巷兩幫為本煤層，煤層含有兩層夾矸，巖性主要為砂質(zhì)泥巖，對該巖體進(jìn)行礦物成分鑒定，測驗(yàn)結(jié)果顯示該巖體成分主要為蒙脫石、石英、云母、高嶺石、綠泥石等，含泥量較高，并且蒙脫石含量達(dá)到30%左右，蒙脫石屬于膨脹軟巖，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較松散，遇水后極易出現(xiàn)膨脹變形[6]。由于巷道施工過程中，煤層夾矸受空氣中水分影響不斷膨脹，導(dǎo)致煤體內(nèi)部產(chǎn)生擠壓作用力，極大地弱化了兩幫煤體結(jié)構(gòu)。

2.3 圍巖失穩(wěn)機(jī)理分析

由于礦井設(shè)備的不斷更新，井下巷道所需寬度也在不斷改變，18505巷為膠帶巷，巷道斷面寬度為5.5 m，屬于大斷面巷道。為驗(yàn)證圍巖失穩(wěn)與巷道寬度之間的關(guān)系，根據(jù)普氏壓力拱理論，建立壓力拱計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 壓力拱巷道模型圖

壓力拱的拱高計(jì)算公式為[6]：

(1)

對于淺埋煤層，水平構(gòu)造應(yīng)力是巷道圍巖承載的主要來源。巷道開挖后，水平構(gòu)造應(yīng)力一部分作用于巷道頂?shù)装?，另一部分作用于巷道兩幫。?dāng)水平應(yīng)力較大時，巷道頂?shù)装逯饕l(fā)生剪切破壞，兩幫發(fā)生拉伸破壞，頂?shù)装遄冃瘟康脑龃髸?dǎo)致巷道兩幫變形量的增大，引發(fā)片幫現(xiàn)象[7]。18505膠帶巷巷道斷面寬度為5.5 m，相比于正常巷道斷面寬度較大，在水平構(gòu)造力的作用下，由于斷面寬度增大，頂板極易產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致兩幫煤體承受載荷的增大，當(dāng)該載荷超過煤體承載極限后，兩幫煤體將出現(xiàn)破壞變形，導(dǎo)致片幫現(xiàn)象發(fā)生。

綜合上述分析結(jié)果，18505膠帶巷頂板圍巖內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育較多，穩(wěn)定性較差，并且該巷道屬于大斷面巷道，頂板巖層變形量的增大導(dǎo)致兩幫承受載荷的增大，同時由于兩幫煤體受膨脹軟巖弱化影響，圍巖強(qiáng)度降低，承載能力差，出現(xiàn)片幫變形現(xiàn)象，因此針對18505膠帶巷圍巖變形機(jī)理，需控制頂板圍巖變形，增大兩幫支護(hù)強(qiáng)度。

3 巷道支護(hù)方案研究

3.1 現(xiàn)場實(shí)踐

針對18505膠帶巷掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的支護(hù)問題，根據(jù)上述分析，18505膠帶巷斷面寬度較大，需增大頂板錨桿支護(hù)密度，確保淺部頂板能夠形成一個穩(wěn)定可靠的承載組合梁結(jié)構(gòu)，同時將增大錨固區(qū)厚度，提高主動支護(hù)力，并且通過增大補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)密度，強(qiáng)化錨索懸吊作用，減少頂板離層量；巷道兩幫需增大錨桿支護(hù)密度，強(qiáng)化兩幫圍巖控制力，保證夾矸巖層的穩(wěn)定性。巷道支護(hù)方案優(yōu)化后，采用錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，頂、幫錨桿長度由1 800 mm改變?yōu)? 400 mm，錨桿預(yù)緊扭矩調(diào)整為400 N·m，頂錨桿間距由1 050 mm調(diào)整為950 mm，幫錨桿間距由1 100 mm變?yōu)? 000 mm，頂板增加W鋼帶將所有錨桿進(jìn)行聯(lián)鎖，頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索由2-0-2-0布置變?yōu)?-1-2-1布置。表1為18505膠帶巷前后支護(hù)方案對比優(yōu)化表，優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖4所示。

表1 18505巷支護(hù)方案優(yōu)化對比

3.2 支護(hù)效果分析

18505膠帶巷掘進(jìn)199 m后，由于頂板出現(xiàn)斷錨桿現(xiàn)象，同時兩幫片幫嚴(yán)重，頂板離層值達(dá)到165 mm，兩幫變形量達(dá)到144 mm，圖5為優(yōu)化前巷道圍巖變形圖。由于巷道變形嚴(yán)重，巷道開始停掘并對支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后巷道掘進(jìn)長度約為860 m。到目前為止施工過程中，巷道未出現(xiàn)明顯礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，無錨桿斷裂情況出現(xiàn)，掘進(jìn)單次循環(huán)進(jìn)度為2 m，兩幫基本沒有片幫現(xiàn)象出現(xiàn)，單日循環(huán)進(jìn)度平均達(dá)到12 m，與過去相比提高了30%.對掘進(jìn)過程中巷道圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測，圖6為支護(hù)方案優(yōu)化后的巷道圍巖變形圖。

圖5 優(yōu)化前圍巖變形監(jiān)測圖

圖6 優(yōu)化后圍巖變形監(jiān)測圖

從圖6可以看出，頂板下沉量最大約為61 mm，兩幫變形量最大為37 mm，巷道圍巖穩(wěn)定，支護(hù)系統(tǒng)承載狀態(tài)良好。

4 結(jié) 語

本文以斜溝煤礦18505工作面膠帶巷地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用理論分析、窺視分析、現(xiàn)場實(shí)踐的方法，對復(fù)雜條件下大斷面巷道圍巖控制方案進(jìn)行了研究，并對支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

1) 隨著巷道寬度的增大，頂板承載載荷將不斷增大，頂?shù)装迦菀装l(fā)生剪切破壞，兩幫發(fā)生拉伸破壞，并且頂?shù)装遄冃瘟康脑龃髸?dǎo)致巷道兩幫變形量的增大，導(dǎo)致片幫等現(xiàn)象出現(xiàn)，巷道穩(wěn)定性降低，巷道承載圍巖逐步向深處轉(zhuǎn)移。

2) 18505膠帶巷頂板巖層淺部構(gòu)造發(fā)育較多，兩幫夾矸含泥量較高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，遇水后極易出現(xiàn)膨脹變形，巷道整體圍巖穩(wěn)定性較差。

3) 對巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，采用錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，頂、幫錨桿長度由1 800 mm改變?yōu)? 400 mm，錨桿預(yù)緊扭矩調(diào)整為400 N·m，頂錨桿間距由1 050 mm調(diào)整為950 mm，幫錨桿間距由1 100 mm變?yōu)? 000 mm，頂板增加W鋼帶將所有錨桿進(jìn)行聯(lián)鎖，頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索由2-0-2-0布置變?yōu)?-1-2-1布置。支護(hù)方案優(yōu)化后，圍巖變形量有了大幅降低，巷道支護(hù)情況穩(wěn)定。