特厚煤層巷道冒漏區(qū)頂板控制技術(shù)

蘇 楠

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037041）

巷道掘進(jìn)過(guò)程中受應(yīng)力、煤層賦存、支護(hù)技術(shù)等影響，頂板易出現(xiàn)破碎冒漏現(xiàn)象。 巷道頂板一旦出現(xiàn)冒漏后頂板巖體完整性遭到嚴(yán)重破壞[1]，冒漏區(qū)頂板出現(xiàn)裂隙，若不及時(shí)采取合理有效地支護(hù)控制，裂隙帶延伸對(duì)冒漏區(qū)附近頂板巖體產(chǎn)生剪切作用[2]，致使冒漏區(qū)范圍擴(kuò)大。目前，掘進(jìn)巷道頂板主要采用“錨桿（索）+鋼帶”進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，但由于冒漏區(qū)圍巖破碎嚴(yán)重，且冒漏區(qū)頂板形成不規(guī)則“凹洞”，采用錨桿（索）+鋼帶支護(hù)對(duì)冒漏區(qū)圍巖進(jìn)行控制時(shí)，不僅支護(hù)難度大、支護(hù)施工危險(xiǎn)系數(shù)高、支護(hù)效果差[3-8]，而且冒漏區(qū)頂板很容易造成瓦斯等有害氣體積聚，不利于巷道安全快速掘進(jìn)。 本文以煤峪口礦5101 巷為例，根據(jù)巷道掘進(jìn)期間頂板冒漏機(jī)理，提出了“人工假頂+ 注漿+ 密集組合錨索”聯(lián)合控制技術(shù)，有效防止了冒漏區(qū)圍巖范圍擴(kuò)大。

1 概述

1.1 巷道簡(jiǎn)介

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦5101 巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為800 m，巷道掘進(jìn)規(guī)格為寬×高=4.8 m×3.7 m。巷道掘進(jìn)煤層為石炭系3#與5#合并煤層，煤層平均厚度為22 m，煤層埋藏深度為350 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層內(nèi)含夾矸6～16 層，厚4.5～6.4 m，巖性為炭質(zhì)泥巖為主，煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 3#-5#合并煤層頂?shù)装鍘r性匯總

5101 巷從盤(pán)區(qū)輔運(yùn)巷開(kāi)口，巷道以7°俯角下山掘進(jìn)，掘進(jìn)40 m 后進(jìn)入盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷下方，與回風(fēng)巷層間距為1.5 m，巷道進(jìn)入回風(fēng)巷底板后平掘10 m，然后以7°仰角上山掘進(jìn)，掘進(jìn)40 m揭露煤層底板后繼續(xù)進(jìn)水平掘進(jìn)。

1.2 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)

5101 巷掘進(jìn)前期主要采用錨桿（索）+W 型鋼帶聯(lián)合支護(hù)，具體支護(hù)方案如下：

（1）錨桿支護(hù)：頂采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿支護(hù)，錨桿布置間排距為1.0 m，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，直徑為22 mm，錨桿載荷強(qiáng)度為500 MPa，錨桿垂直頂板布置，錨桿采用端頭錨固方式，錨固力為400 N·m，預(yù)緊力為190 kN。

（2）錨索支護(hù)：頂板每排布置3 根單錨索，錨索長(zhǎng)度為4.3 m，直徑為17.8 mm，錨索布置在相鄰兩排鋼帶之間的間隙頂板處，錨索布置間距×排距=1.6 m×3.0 m，如圖1 所示；錨索外露端采用一塊拱形墊片以及鎖具進(jìn)行預(yù)緊。

圖1 5101 巷原頂板支護(hù)斷面

（3）W 型鋼帶支護(hù)： 頂板采用的W 型鋼帶長(zhǎng)度為4.5 m，鋼帶寬度為0.25 m，鋼帶上均勻布置5 個(gè)錨桿支護(hù)孔，孔距為1.0 m，W型鋼帶抗載荷強(qiáng)度為455 MPa。

1.3 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

5101 巷采用EBZ200 型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，采用SSJ-800 型帶式輸送機(jī)進(jìn)行煤矸運(yùn)輸，截至2021年2月11日巷道已掘進(jìn)425 m；巷道掘進(jìn)至417 m處揭露一條小斷層，斷層落差為0.8 m，傾角為42°，斷層與巷道夾角為47°。揭露斷層后巷道頂板存在一條裂隙，并向工作面前方延伸；5201 巷掘進(jìn)至420 m 處時(shí)頂板出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象并伴隨著頂板冒漏，當(dāng)巷道掘進(jìn)至424 m 處時(shí)頂板冒漏高度達(dá)2.2 m，沿巷道走向方向冒漏寬度為4.4 m，沿兩幫方向?qū)挾冗_(dá)2.7 m，冒漏區(qū)內(nèi)巖體極不穩(wěn)定，以硅化煤為主，成雜亂無(wú)章破碎狀。

2 巷道掘進(jìn)冒漏原因分析

1）圍巖穩(wěn)定性差。 5101 巷掘進(jìn)煤層為石炭系3#與5#合并煤層，煤層厚度大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層內(nèi)含多層夾矸，破壞了煤體整體連續(xù)穩(wěn)定性；同時(shí)巷道在掘進(jìn)時(shí)留頂煤厚度達(dá)17 m，煤體在掘進(jìn)機(jī)割煤擾動(dòng)破壞作用下，破壞了煤體力學(xué)結(jié)構(gòu)，巷道頂煤局部出現(xiàn)離層現(xiàn)象，頂煤穩(wěn)定性差，承載能力低[9]，巷道掘進(jìn)后無(wú)法形成連續(xù)穩(wěn)定地承載梁，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。

2）斷層影響。 巷道掘進(jìn)至417 m 處揭露一條斷層，斷層破壞了巷道煤巖體整體結(jié)構(gòu)，造成圍巖體內(nèi)形成裂隙發(fā)育帶，在圍巖重力、構(gòu)造應(yīng)力、掘進(jìn)擾動(dòng)破壞作用力等集中應(yīng)力作用下，裂隙帶產(chǎn)生擴(kuò)張破壞作用[10]，并使裂隙帶范圍不斷擴(kuò)大，降低了頂板承載強(qiáng)度，導(dǎo)致頂板破碎、冒漏現(xiàn)象。

3）錨桿支護(hù)強(qiáng)度低。 5101 巷頂板主要采用錨桿、錨索、W型鋼帶、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂板每排布置5 根長(zhǎng)度2.5 m，直徑為22 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿采用兩支錨固劑錨固；在進(jìn)行支護(hù)鉆孔施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，在頂板往上2.2 m 范圍內(nèi)為煤層，在2.2～2.5 m 范圍內(nèi)為泥巖，錨桿錨固時(shí)錨固段位于煤層與泥巖之間，在應(yīng)力作用下煤層與泥巖之間出現(xiàn)離層現(xiàn)象，導(dǎo)致錨桿支護(hù)失效嚴(yán)重。

4）掘進(jìn)工藝影響。 5101 巷在掘進(jìn)至408～415 m 范圍段時(shí)，受斷層影響頂板出現(xiàn)超高現(xiàn)象，頂板最大高度達(dá)5.2 m，為了保證巷道正常掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)至415 m 處時(shí)留臺(tái)階下山掘進(jìn)，留臺(tái)階高度達(dá)1.0 m，由于臺(tái)階處煤層穩(wěn)定性差，受工作面裂隙帶影響下，臺(tái)階處煤體與上覆穩(wěn)定煤體之間產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，導(dǎo)致臺(tái)階處煤層破碎、冒漏。

3 巷道冒漏區(qū)綜合治理技術(shù)

為了有效控制巷道冒漏現(xiàn)象，提高冒漏區(qū)頂板穩(wěn)定性，決定對(duì)巷道超高區(qū)以及冒漏區(qū)采取人工假頂、注漿、密集組合錨索進(jìn)行聯(lián)合控制維護(hù)[1-5]。

3.1 巷道超高區(qū)假頂施工

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，5101 巷頂板超高區(qū)長(zhǎng)度為7.0 m，寬度為4.8 m，決定對(duì)超高區(qū)采取鋼帶、吊棚以及木垛進(jìn)行人工假頂施工。

（1）超高區(qū)共計(jì)施工三組假頂鋼帶，每根鋼帶長(zhǎng)度為4.0 m，每組3 根，間距為1.6 m，鋼帶沿巷道走向布置，相鄰兩組鋼帶疊加布置，如圖2 所示。 每根鋼帶采用三根長(zhǎng)度為4.3 m，直徑為17.8 mm 錨索進(jìn)行吊掛，吊掛后鋼帶平面與原巷道頂板齊平。

圖2 5101 巷冒漏區(qū)及超高區(qū)聯(lián)合支護(hù)

（2）為了提高每一組鋼帶之間聯(lián)動(dòng)作用，在每一組鋼帶上方平鋪三根長(zhǎng)度為4.8 m 橫向鋼帶，橫向鋼帶與走向鋼帶垂直布置；鋼帶安裝后在鋼帶上方依次鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、風(fēng)筒布。

（3）超高區(qū)假頂剛打施工完后，在鋼帶與頂板間隙處架設(shè)6 架“口”字形木垛，木垛采用長(zhǎng)度為2.5 m，寬度為0.15 m 方木架設(shè)而成，每排布置兩架木垛，排距為2.5 m，間距為3.0 m；為了提高假頂穩(wěn)定性，在假頂下方施工兩架錨索吊棚，錨索吊棚長(zhǎng)度為4.5 m，吊棚布置間距為3.5 m。

3.2 冒漏區(qū)假頂施工

由于冒漏區(qū)高度達(dá)2.2 m，高冒區(qū)內(nèi)煤體穩(wěn)定性差，為了提高高冒區(qū)圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)防止高冒區(qū)出現(xiàn)有害氣體積聚，決定對(duì)高冒區(qū)采取人工假頂、注漿聯(lián)合支護(hù)。

（1）在高冒區(qū)下方施工四排橫向鋼帶，鋼帶長(zhǎng)度為4.8 m，鋼帶布置間距為1.0 m，每根鋼帶采用3 根長(zhǎng)度為4.3 m 錨索起吊；同時(shí)在其上方鋪設(shè)四根走向鋼帶，鋼帶長(zhǎng)度為3.0 m，間距為1.0 m，鋼帶鋪設(shè)后保證鋼帶平面與原巷道頂板齊平。

（2）鋼帶施工完后在其上方依次鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、風(fēng)筒布、以及架設(shè)“井”字形木垛，木垛采用寬度為0.15 m 道木架設(shè)而成，道木架設(shè)長(zhǎng)度根據(jù)高冒區(qū)寬度而定，木垛架設(shè)后保證木垛與高冒區(qū)頂板接觸嚴(yán)實(shí)。 假頂施工完后在假頂下方施工一架錨索吊棚，提高假頂穩(wěn)定性。

（3）高冒區(qū)人工假頂施工完后，為了防止高冒區(qū)內(nèi)有害氣體向巷道內(nèi)涌入，決定對(duì)高冒區(qū)采取注漿填充封堵施工。 注漿液采用羅克休填充劑，該注漿材料主要由膨脹劑、催化劑兩種成分組成，混合比為1∶1，注漿后保證注漿液完全對(duì)假頂間隙處充填密實(shí)為宜。

3.3 密集組合錨索施工

（1）為了提高冒漏區(qū)以及超高區(qū)附近圍巖穩(wěn)定性，決定采取密集組合錨索進(jìn)行加固。 組合錨索主要由方形托盤(pán)、恒阻錨索兩部分組成，托盤(pán)寬度為0.5 m，每個(gè)托盤(pán)上均勻布置3 個(gè)直徑為30 mm錨索支護(hù)孔；恒阻錨索長(zhǎng)度為6.3 m，直徑為21.8 mm。

（2）在冒漏區(qū)前方1.5 m 處施工一排組合錨索，共計(jì)三組，組合錨索布置間距為2.0 m。 在高冒區(qū)與超高區(qū)之間頂板施工兩排組合錨索，兩排組合錨索采用“二·三”布置方式，組合錨索布置間距為2.0 m，排距為4.5 m。

4 結(jié)語(yǔ)

5101 巷冒漏區(qū)及超高區(qū)人工假頂施工完后，分別在兩處假頂處安裝兩臺(tái)YHW-140 型數(shù)字顯示離層儀，通過(guò)15 d 現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，在0～5 d 范圍內(nèi)頂板蠕動(dòng)變形相對(duì)嚴(yán)重，頂板出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，下沉量為0.11 m；在5～11 d 范圍內(nèi)人工假頂起到有效的耦合支護(hù)作用，頂板下沉量逐漸減?。?1 d 后頂板趨于穩(wěn)定，下沉量控制在0.15 m 以下。 同時(shí)，通過(guò)對(duì)高冒區(qū)采取注漿后，經(jīng)后期檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，高冒區(qū)附近瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.2%以下，未出現(xiàn)超限現(xiàn)象。 由此可見(jiàn)，對(duì)高冒區(qū)及超高區(qū)采取人工假頂?shù)嚷?lián)合支護(hù)后，有效提高了圍巖穩(wěn)定性，滿足冒落區(qū)頂板支護(hù)要求，保證了巷道安全快速掘進(jìn)。