莊子河煤礦大巷過采空區(qū)圍巖控制技術(shù)研究

王 亮

(山西長治經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100)

1 工程概況

莊子河煤業(yè)屬于資源整合礦井，批準開采3號和15號煤層，其中3號煤層局部賦存、15號煤層全井田賦存可采。15號煤層上距3號煤層底板約110.00 m，煤層埋深約100 m，平均厚度為3.60 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖和泥巖，老頂為K2石灰?guī)r，底板為砂質(zhì)泥巖或泥巖，全區(qū)穩(wěn)定可采。礦井處于基建階段，正在掘進的輔運大巷、膠帶大巷和回風(fēng)大巷，均沿15號煤層頂板掘進，在掘進時，3條大巷全部遇到了15號煤層房柱式采空區(qū)，根據(jù)物探結(jié)果，采空區(qū)在井田內(nèi)長度約300 m，寬度約800 m.為了使大巷掘進過程中安全通過采空區(qū)，保證礦井安全建設(shè)和生產(chǎn)，需對15號煤層大巷過房柱式采空區(qū)圍巖控制技術(shù)進行設(shè)計研究。

2 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估

2.1 采空區(qū)內(nèi)情況

采空區(qū)內(nèi)底板鼓起情況如圖1所示，采空區(qū)內(nèi)底板局部已經(jīng)和煤層頂板接觸，部分沒有接頂?shù)目諈^(qū)高度約為300 mm，2 m多高的空區(qū)寬度3～5 m.

圖1 采空區(qū)內(nèi)部底板鼓起情況

2.2 頂板結(jié)構(gòu)窺視分析

分別在3條大巷頂板上方打窺視孔，鉆孔位置分別在回風(fēng)大巷、膠帶大巷和輔運大巷掘進頭滯后8～10 m，選擇具有代表性的空區(qū)上覆頂板窺視，回風(fēng)大巷窺視孔選在空區(qū)范圍較大處(空區(qū)高度1～1.5 m，范圍大于150 m2)，膠帶大巷選在空區(qū)范圍較小(空區(qū)高度小于0.5 m)，輔運大巷選在煤柱處。其中回風(fēng)大巷打兩個窺視孔，輔運大巷和膠帶大巷分別打1個窺視孔，共4個鉆孔，利用窺視儀觀察頂板完整性，具體結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，回風(fēng)巷1號孔：1.5～1.9 m處約有400 mm厚的破碎帶，2.3 m、3.8 m有離層，5.2～5.5 m處約有300 mm厚的破碎帶，6.5～7 m處有破碎加縱向裂隙。

圖2 大巷頂板巖層窺視圖

2號回風(fēng)孔：在1.6～2.1 m處有3層離層，3.5 m處有離層，4.4 m處有離層，4.7～5.2 m有離層加縱向裂隙，6.5～7.2 m處有裂隙加破碎(鉆孔所在的位置空區(qū)高度較大)。

輔運巷：由于在煤柱上方的頂板巖層，僅有兩三處頂板橫向裂隙，頂板完整性較好(鉆孔所在位置煤柱上方巖層)。

膠帶巷：頂板完整性也較好，僅有在0.7 m、3.1 m、5.2 m處有寬度約1 mm的橫向裂隙(鉆孔所在位置煤層底板鼓起，空區(qū)高度較低)。

從上述3條大巷具有代表性的頂板窺視結(jié)果可以看出，頂板巖層比較復(fù)雜，尤其是在巷道揭露空區(qū)范圍較大時，頂板離層和破碎較嚴重。因此，采空區(qū)內(nèi)，無論哪條大巷，頂板遇到較大范圍采空區(qū)，都需要加強窺視并及時支護。

2.3 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

大巷附近15號煤層頂板為石灰?guī)r、泥巖和粉砂巖頂板，其中煤層上覆的石灰?guī)r厚度7.08 m，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土泥巖和石灰?guī)r，之間交替出現(xiàn)，煤層底板距離奧陶紀灰?guī)r頂界面約14 m.通過現(xiàn)場取樣并帶回實驗室加工，對巷道圍巖力學(xué)參數(shù)進行測定。測試結(jié)果見表1.

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)測定結(jié)果

由表1可知，大巷頂板的強度較高，雖然多處為采空區(qū)，但頂板基本沒有弱化，底板強度較低。

綜合鉆孔窺視結(jié)果和巖層強度測試結(jié)果可以看出，煤層頂板力學(xué)強度雖然較大，屬于堅硬巖層，但是由于多年的房柱式空區(qū)，部分區(qū)域存在離層且破碎嚴重，情況比較復(fù)雜，3條大巷的掘進，都有可能遇到類似的采空區(qū)，因此需要每條大巷間隔20～30 m持續(xù)窺視頂板，根據(jù)離層破碎情況，調(diào)整錨桿和錨索長度，加強支護頂板，同時為了減小頂板下沉，需要采取充填措施防止因頂板破斷產(chǎn)生強礦壓。

3 過采空區(qū)圍巖控制技術(shù)

3.1 巷道過采空區(qū)支護方案

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況及地質(zhì)力學(xué)評估結(jié)果，對大巷過采空區(qū)段進行針對性支護設(shè)計。

1) 輔運、膠帶大巷支護設(shè)計。輔運大巷及膠帶大巷為矩形斷面，均沿煤層頂板掘進，其過采空區(qū)支護方案相同：

頂板螺紋鋼錨桿桿體為直徑20 mm，長度為2 200 mm，屈服強度不低于335 MPa，間距1 000 mm，每排5根錨桿，排距1 000 mm，錨桿預(yù)緊扭矩不低于150 N·m，錨固力不小于100 kN；頂錨索采用直徑為17.8 mm、長度為7 500 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，巷道兩側(cè)空區(qū)較大時(空區(qū)高度大于0.5 m)，每排3根，間距1 500 mm，排距2 000 mm，巷道兩側(cè)空區(qū)較小時(空區(qū)高度小于0.5 m)，每排2根，間距2 400 mm，排距2 000 mm，錨索預(yù)緊力不低于150 kN.并對頂板噴射C20混凝土，厚度150 mm.

兩幫采用礦用12號工字鋼支護，間距1 000 mm，工字鋼穿靴帶帽，腿帽和腿靴分別采用兩根錨桿與頂板和底板固定。柱帽錨桿直徑為22 mm，長度為1 200 mm；柱靴錨桿直徑22 mm，長度1 800 mm；工字鋼之間設(shè)不少于3處拉桿，拉桿采用D20 mm圓鋼制作；鋪兩層鋼筋網(wǎng)，并噴射C20混凝土，厚度300 mm，在巷道壁空區(qū)內(nèi)，井字型搭設(shè)木垛。支護方案如圖3所示。

2) 回風(fēng)大巷支護設(shè)計。頂板螺紋鋼錨桿桿體直徑20 mm、長度2 200 mm、間距1 000 mm，每排7根錨桿，排距1 000 mm；頂錨索規(guī)格與輔運巷相同，巷道兩側(cè)空區(qū)較大時，每排4根，間距1 300 mm，排距2 000 mm，巷道兩側(cè)空區(qū)較小時，每排3根，間距1 700 mm，排距2 000 mm.并噴射C20混凝土，厚度150 mm.

兩幫支護方式與輔運、膠帶大巷相一致。支護方案如圖4所示。

圖3 輔運及膠帶大巷支護方案圖(mm)

3.2 采空區(qū)充填方式

根據(jù)目前巷道的揭露情況，煤柱間距約為20～30 m，而巷道之間的間距為30 m，因此巷道掘進時會破壞原有的煤柱，頂板的最大跨距在80～120 m左右，大于極限斷裂步距33～87 m，因此，巷道掘進有可能導(dǎo)致頂板斷裂，產(chǎn)生強礦壓。為保證巷道的穩(wěn)定性，需采用巷旁充填的方法，減小空區(qū)面積并阻止巷道漏風(fēng)。

圖4 回風(fēng)大巷支護方案圖(mm)

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)條件及充填要求，選擇采用高濃度膠結(jié)充填技術(shù)?？紤]到15號煤層頂板較堅硬，且房柱式采空區(qū)時間較長，確定充填材料強度1.5～2 MPa左右，充填料漿的配比為：煤矸石的用量為50%～52%，粉煤灰的用量為18%～22%，水泥的用量為8%～10%，充填料漿的濃度為76%～80%.

巷道壁后為采空區(qū)，具備在巷道壁預(yù)先向采空內(nèi)埋管方式的條件，向采空區(qū)充填矸石膏體材料，節(jié)省鉆孔工程量，充填費用低。因此設(shè)計選用在井下設(shè)置充填攪拌站，通過充填泵經(jīng)巷道壁預(yù)先埋好的管路向采空區(qū)內(nèi)輸送充填材料?；仫L(fēng)大巷和輔運大巷之間煤柱寬度內(nèi)全部充填，其他巷道兩側(cè)區(qū)域充填范圍不小于10 m，采用充填材料濃度控制巷道兩側(cè)充填距離，充填距離滯后掘進工作面不大于20 m.

4 井下應(yīng)用效果分析

將提出的圍巖控制方案應(yīng)用于井下，并對巷道表面位移進行了監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 巷道頂?shù)装逦灰票O(jiān)測結(jié)果

由圖5可知，3條大巷穿越采空區(qū)時，巷道頂?shù)装逦灰屏孔兓^為平穩(wěn)，回風(fēng)大巷、膠帶大巷及輔運(軌道)大巷的最大頂?shù)装逡平糠謩e為10.7 mm、27.5 mm及39.8 mm，且在20 d后便趨于穩(wěn)定，表明采用該圍巖控制方案后，巷道的變形量較小，能夠滿足礦井正常生產(chǎn)需求。

5 結(jié) 語

1) 為保證莊子河煤礦15號煤層安全通過房柱式采空區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)底板鼓起，部分區(qū)域底板鼓起已接頂，其他空區(qū)高度300 mm左右。

2) 根據(jù)頂板巖層窺視及煤巖體強度結(jié)果，灰?guī)r比較堅硬，整體性好，但頂板巖層有離層和破碎帶，整體采空區(qū)頂板深部破碎情況復(fù)雜。

3) 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評估結(jié)果，確定了巷道錨桿支護方案，并制定了矸石高濃度膠結(jié)充填采空區(qū)防治頂板斷裂產(chǎn)生強礦壓的措施。現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的控制效果。