億欣煤業(yè)頂板淋水巷道圍巖控制技術(shù)應(yīng)用研究

關(guān) 欣

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉城煤炭事業(yè)部，山西 晉城 048000)

1 工程概況

晉煤集團(tuán)晉圣億欣煤業(yè)15號(hào)煤層厚度為2.58～3.6 m，平均厚度2.82 m，煤層穩(wěn)定程度為較穩(wěn)定，由煤層底板向上依次為1.07 m煤，0.45 m夾矸，1.3 m煤，變異系數(shù)為30%，煤的容重為1.51 t/m3，普氏硬度f=2～4，可采指數(shù)為1，對(duì)回采無影響，煤層傾角為2～10°，平均4°.上覆K2石灰?guī)r層間裂隙水采后下滲，現(xiàn)礦井涌水量為60 m3/h，預(yù)計(jì)回采期間最大涌水量為250 m3/h，正常涌水量為60～80 m3/h.XV2301工作面為十五號(hào)煤層、位于十五號(hào)煤二盤區(qū)，工作面標(biāo)高：最低864 m，最高936 m.XV2301工作面機(jī)輔1號(hào)聯(lián)絡(luò)巷沿15號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，前期在輔助運(yùn)輸巷頂板施工兩個(gè)長距離定向鉆孔，巷道采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)，淋水量約10 m3/h，巷道掘進(jìn)約5 m時(shí)頂板出現(xiàn)明顯的下沉，巷道具體布置情況及原支護(hù)方案見圖1，為有效控制巷道圍巖展開相關(guān)研究。

圖1 1號(hào)機(jī)輔聯(lián)絡(luò)巷平面布置圖及支護(hù)斷面(mm)

2 巷道圍巖及支護(hù)條件實(shí)測(cè)

2.1 圍巖強(qiáng)度原位測(cè)試

為掌握XV2301工作面機(jī)輔1號(hào)聯(lián)絡(luò)巷圍巖強(qiáng)度特征，在巷道附近采用鉆孔觸探法進(jìn)行原位實(shí)測(cè)，裝置名稱為WQCZ-56型強(qiáng)度測(cè)試裝置，該方法是通過對(duì)巷道圍巖進(jìn)行鉆孔，然后將探針?biāo)腿肟變?nèi)，探針在孔內(nèi)的深度通過位移指示儀，手搖泵壓力表顯示的最高壓力讀數(shù)即為該深度孔壁巖層的臨界強(qiáng)度，其原理如圖2(a)所示，該方法能夠解決取樣難、巖樣加工耗時(shí)長的問題[1-2]，并且可測(cè)量不同深度煤巖體的強(qiáng)度，測(cè)試孔布置在巷道頂板，整理得到頂板巖層強(qiáng)度隨深度的變化規(guī)律如圖2(b)所示，由測(cè)試結(jié)果可以看出，頂板巖層深度2.0 m以下的淺部巖層強(qiáng)度較低，強(qiáng)度在5.85～14.93 MPa之間，平均強(qiáng)度為6.55 MPa，深度為2.0～5.8 m范圍內(nèi)的巖層強(qiáng)度為14.75～19.49 MPa之間，平均強(qiáng)度為16.68 MPa，由此表明，頂板淺部巖層破碎嚴(yán)重、強(qiáng)度低，頂板巖層整體強(qiáng)度均小于20 MPa，屬于軟弱巖層。同樣對(duì)兩幫煤體進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到15號(hào)煤平均強(qiáng)度為9.3 MPa，XV2301工作面機(jī)輔1號(hào)聯(lián)絡(luò)巷屬于典型的軟巖巷道。

圖2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試原理及結(jié)果

2.2 圍巖巖性成分分析

采用X衍射技術(shù)對(duì)頂板巖層成分進(jìn)行分析判斷，結(jié)果表明15號(hào)煤層頂板泥巖中粘土類礦物含量達(dá)到39.89%，且粘土礦物中蒙脫石含量達(dá)47%，蒙脫石是一種強(qiáng)膨脹性礦物，遇水后體積可膨脹至數(shù)倍甚至十幾倍[3]，此類礦物含量越高，巖石遇水軟化、崩解的現(xiàn)象越明顯，強(qiáng)度降低越顯著，15號(hào)煤層頂板巖層內(nèi)粘土礦物總體含量較高，巷道頂板遇水軟化，是導(dǎo)致巷道支護(hù)困難的重要原因。

2.3 錨桿支護(hù)性能測(cè)試

XV2301工作面機(jī)輔1號(hào)聯(lián)絡(luò)巷頂板支護(hù)主要依賴頂板錨桿、錨索，通過對(duì)錨桿施加高預(yù)緊力來提高頂板巖層的抗變形能力[4]，為探究巷道頂板巖層變形破壞原因，掌握錨桿支護(hù)性能尤為重要，在井下進(jìn)行拉拔試驗(yàn)來測(cè)試頂板錨桿的性能，通過對(duì)比分析頂板淋水區(qū)域、非淋水區(qū)域頂板錨桿載荷的差異，判定頂板巖層的可錨性。拉拔試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在XV2301工作面機(jī)巷內(nèi)，測(cè)試加結(jié)果見表1.

表1 頂板錨桿拉拔試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表1所示頂板錨桿拉拔試驗(yàn)結(jié)果可以看出，巷道頂板不淋水的情況下，頂板錨桿平均錨固力約為86.7 kN，當(dāng)錨固力不小于60 kN視為合格，頂板不淋水情況下所有錨桿均合格，說明頂板巖層可錨性良好。頂板淋水區(qū)域錨桿拉拔測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試的3根錨桿中，僅1根錨桿錨固力大于60 kN，錨固力平均值為50.4 kN，錨桿錨固力僅為不含水圍巖的58.13%，說明頂板巖層內(nèi)的水不僅削弱其自身強(qiáng)度，且對(duì)錨桿的錨固性造成很大的影響，使頂板錨桿的支護(hù)效果顯著減弱。

3 巷道圍巖破壞原因及支護(hù)對(duì)策

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察、測(cè)試結(jié)果，15號(hào)煤層及頂板巖層內(nèi)裂隙發(fā)育、強(qiáng)度低，頂板泥巖中黏土類礦物占比過高，頂板巖層遇水后膨脹、軟化現(xiàn)象明顯，且頂板錨桿錨固力顯著減小，導(dǎo)致巷道圍巖整體穩(wěn)定性差，造成井下巷道變形和破壞。針對(duì)頂板淋水區(qū)域巷道變形破壞原因，原有支護(hù)系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：①支護(hù)強(qiáng)度不足；原有支護(hù)頂板及兩幫錨桿錨固效果差，支護(hù)強(qiáng)度低，無法控制圍巖的遇水膨脹、軟化、崩解破壞等現(xiàn)象；②頂板錨桿作用未全部發(fā)揮；淋水區(qū)域頂板的可錨性差，錨桿可承受載荷很小。通過上述分析，認(rèn)為對(duì)于深部軟巖巷道應(yīng)采取“增大護(hù)表面積、注漿加固、全長高應(yīng)力錨固”等措施，據(jù)此設(shè)計(jì)XV2301工作面1號(hào)機(jī)輔聯(lián)巷采用“機(jī)械錨固注漿錨桿+架棚+噴漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

結(jié)合上文研究結(jié)果，頂板淋水區(qū)域錨桿的錨固力僅為非淋水區(qū)域的58.13%，可錨性差，頂板巖層整體強(qiáng)度較低，因此設(shè)計(jì)頂板錨桿采用自旋注漿錨管，其具體形式見圖3(a)，錨管外徑42 mm，內(nèi)徑26 mm，總長2 500 mm，鉆孔直徑40 mm，自旋錨桿安裝完成后，架設(shè)25U型鋼筋棚，排距900 mm，然后進(jìn)行表面噴漿封閉作業(yè)，噴層厚度約為100 mm，材料為C15混凝土，自旋注漿錨桿采用水泥水玻璃雙漿液，壓力控制在3～5 MPa，錨桿端頭處配備W型鋼護(hù)板增大護(hù)表面積，每根錨桿采用兩支ZK2360型樹脂藥卷加長錨固，XV2301工作面1號(hào)機(jī)輔聯(lián)巷支護(hù)見圖3.

圖3 XV2301工作面1號(hào)機(jī)輔聯(lián)巷支護(hù)詳情(mm)

4 應(yīng)用效果分析

億欣煤業(yè)XV2301工作面1號(hào)機(jī)輔聯(lián)巷采用上述支護(hù)方案恢復(fù)掘進(jìn)后，在巷道中段設(shè)置表面位移監(jiān)測(cè)站，定期監(jiān)測(cè)頂板下沉量及兩幫移近量，得到原支護(hù)方案及新支護(hù)方案條件下表面變形隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖4可知，原支護(hù)方案條件下，成巷20 d內(nèi)，頂板下沉量及兩幫移近量迅速增大，分別達(dá)到278 mm、282 mm，且之后表面變形量仍緩慢增大，成巷60 d后頂板下沉量達(dá)423 mm，兩幫移近量達(dá)438 mm，圍巖變形較嚴(yán)重。新支護(hù)方案條件下，成巷約20 d后，巷道表面變形量基本穩(wěn)定，成巷60 d后，頂板下沉58 mm，兩幫移近71 mm，圍巖整體穩(wěn)定，相對(duì)于原支護(hù)方案分別下降86.3%、83.8%，支護(hù)效果顯著改善，有效控制了巷道圍巖的失穩(wěn)破壞。

圖4 1號(hào)機(jī)輔聯(lián)巷表面變形規(guī)律

5 結(jié) 語

1) 通過地質(zhì)力學(xué)測(cè)試表明，XV2301工作面1號(hào)機(jī)輔聯(lián)巷頂板巖層主要為泥巖，平均強(qiáng)度為16.68 MPa，15號(hào)煤平均強(qiáng)度9.3 MPa，巷道圍巖屬于典型的軟弱巖層。

2) 通過X射線衍射、錨桿拉拔試驗(yàn)表明，巷道頂板巖層內(nèi)粘土類礦物含量較高，此類巖層遇水膨脹軟化現(xiàn)象顯著，淋水區(qū)域頂板錨桿錨固力僅為非淋水區(qū)域的58.13%，頂板可錨性差。

3) 結(jié)合巷道圍巖地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)采用“機(jī)械錨固注漿錨桿+架棚+噴漿”聯(lián)合支護(hù)方案，方案實(shí)施后，相較于原支護(hù)方案巷道表面變形量減小80%以上，支護(hù)效果良好。