復(fù)合頂板巷道過構(gòu)造破碎帶圍巖加固技術(shù)

郝志剛

(山西焦煤汾西礦業(yè) 正文煤業(yè)，山西 孝義 032300)

隨著礦井采掘深度增加，煤層賦存地質(zhì)條件更趨復(fù)雜，給煤炭采掘工作開展造成一定影響[1]。當(dāng)煤層頂板為復(fù)合頂板時，由于頂板巖性差異大，在水平應(yīng)力、垂向應(yīng)力等綜合影響下，復(fù)合頂板各層間容易出現(xiàn)滑動、剪切變形，導(dǎo)致層間出現(xiàn)離層情況，增大頂板變形量及頂板巖體變形控制難度[2-3]。同時隨著先進(jìn)重型采掘設(shè)備在井下的推廣應(yīng)用，采面推進(jìn)速度以及供風(fēng)量呈增加趨勢，回采巷道斷面也不斷增大，在掘進(jìn)擾動、地應(yīng)力等影響下進(jìn)一步增大了復(fù)合頂板支護(hù)難度[4]。特別是復(fù)合頂板巷道掘進(jìn)過地質(zhì)構(gòu)造破碎帶時，頂板巖體較為破碎，加之復(fù)合頂板巷道容易出現(xiàn)頂板離層、變形量大以及支護(hù)困難等問題，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)漏頂、冒頂?shù)劝踩鹿?。眾多的學(xué)者對復(fù)合頂板巷道過破碎帶支護(hù)技術(shù)展開研究，并提出采用全錨索、頂板注漿、架棚、砌碹等方式控制頂板變形，現(xiàn)場應(yīng)用也取得一定成果[5-8]。文中在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對山西某礦3506運輸巷掘進(jìn)期間遇到的問題，提出采用注漿+長錨索方式支護(hù)圍巖，確保了復(fù)合頂板巷道過構(gòu)造破碎帶時頂板的穩(wěn)定性，為巷道安全掘進(jìn)創(chuàng)造良好條件。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

3506運輸巷為矩形斷面，寬×高=5 100 mm×4 500 mm，設(shè)計掘進(jìn)長度1 690 m，采用綜掘機(jī)沿回采的5號煤層底板掘進(jìn)。5號煤層為礦井主采煤層之一，具有賦存穩(wěn)定等優(yōu)點。5號煤層厚度3.75～5.96 m，均值4.5 m，傾角5～8°.煤層上覆有厚度約0.5 m的炭質(zhì)泥巖偽頂，裂隙及水平層理發(fā)育，呈灰黑色，隨采隨垮；直接頂為褐色砂質(zhì)泥巖、灰白色的細(xì)砂巖互層，厚度5.2 m，硬度較低，巷道在掘進(jìn)期間出現(xiàn)局部離層情況；基本頂為穩(wěn)定的砂巖，厚度10.8 m，堅硬。煤層底板為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度2.7～5.1 m，遇水容易膨脹變形。

3506運輸巷掘進(jìn)范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，存在多處褶曲、斷層等發(fā)育區(qū)，區(qū)內(nèi)圍巖破碎。3506運輸巷在掘進(jìn)過構(gòu)造破碎帶時，面臨頂板破碎、支護(hù)難度大等問題，采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)方式難以滿足支護(hù)需要。經(jīng)分析提出采用錨索網(wǎng)+超前注漿方式實現(xiàn)破碎復(fù)合頂板控制。

1.2 傳統(tǒng)錨網(wǎng)索支護(hù)面臨問題

復(fù)合頂板巷道過構(gòu)造破碎帶期間若僅采用錨桿支護(hù)時發(fā)揮預(yù)期圍巖控制效果，在地應(yīng)力、圍巖穩(wěn)定性、構(gòu)造應(yīng)力等多因素疊加影響下，錨桿容易出現(xiàn)失效、破斷、錨固不穩(wěn)定等問題。在地應(yīng)力、采動影響等作用下，錨桿桿體受到的載荷增大，當(dāng)載荷超過錨桿最大承受能力時，容易出現(xiàn)錨桿破斷情況，進(jìn)而導(dǎo)致頂板離層量、變形量增大；在構(gòu)造破碎帶內(nèi)巷道圍巖受到較大的構(gòu)造應(yīng)力作用，圍巖容易出現(xiàn)滑面效應(yīng)，導(dǎo)致支護(hù)用錨桿出現(xiàn)移位、搓動、變形等情況；在構(gòu)造破碎帶內(nèi)巷道頂板壓力通過巷幫傳遞給底板，呈現(xiàn)出頂?shù)装遄冃瘟吭龃蟮奶攸c，當(dāng)?shù)坠牧枯^大時容易誘發(fā)支護(hù)體系失效問題，影響巷道使用安全。

2 構(gòu)造破碎帶頂板注漿+長錨索支護(hù)

2.1 支護(hù)設(shè)計

在復(fù)合頂板巷道圍巖支護(hù)時，錨索起到了強化支護(hù)的作用。當(dāng)巷道位于構(gòu)造破碎帶內(nèi)時，受構(gòu)造應(yīng)力及圍巖破碎等因素影響，適當(dāng)增加錨索長度使錨固端位于頂板穩(wěn)定巖層中，同時通過注漿提高破碎頂板整體穩(wěn)定性；通過注漿、長錨索可將錨索支護(hù)形式由端錨改為長錨形式，有助于實現(xiàn)頂板梁、拱組合，控制頂板下沉。根據(jù)3506運輸巷過構(gòu)造破碎帶現(xiàn)場情況，設(shè)計的支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 頂板注漿+長錨索支護(hù)示意(mm)

2.2 注漿技術(shù)

1) 在對復(fù)合破碎頂板采用長錨索、注漿進(jìn)行支護(hù)時，注漿漿液一般選用水泥單液漿(水灰比為1∶1)，水泥漿存在注漿成本低、取材方便等優(yōu)點。但是3506運輸巷頂板巖層為泥巖、砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖互層，泥巖及砂質(zhì)泥巖遇水后容易膨脹變形，加之水泥單液漿存在膠結(jié)效果差、膠結(jié)時間長等問題，無法滿足3506運輸巷在構(gòu)造破碎帶頂板加固需要。為此，運輸巷頂板注漿漿液選用馬麗散、催化劑漿液，配比為1∶1，注漿用多功能注漿泵，注漿壓力5 MPa以上。

2) 在注漿前應(yīng)對構(gòu)造破碎帶巖體進(jìn)行觀察，依據(jù)圍巖裂隙擴(kuò)展寬度、發(fā)育程度合理設(shè)計注漿鉆孔數(shù)量、布置位置、孔深等。布置的注漿鉆孔宜呈扇形布置，注漿時應(yīng)確保各注漿孔漿液擴(kuò)散區(qū)相互疊加，確保漿液可實現(xiàn)破碎巖體整體膠結(jié)。在3506運輸巷過構(gòu)造破碎帶時頂板布置4個注漿鉆孔，孔深均為5 m、間距1.5 m，開孔位于頂板下方1.2 m處，鉆孔有60°仰角；通過注漿鉆孔可實現(xiàn)掘進(jìn)迎頭破碎巖體以及頂板3.1 m范圍內(nèi)破碎巖體加固。

3) 注漿時，當(dāng)注漿孔周邊出現(xiàn)漿液外溢情況時可停止，注漿完成后及時進(jìn)行封孔，并待注漿漿液完全固結(jié)后方可開展下一步工作。注漿鉆孔封堵選用凝固力-FSS無機(jī)加固材料。

2.3 長錨索施工技術(shù)

1) 3506運輸巷在構(gòu)造破碎帶完成注漿加固后，對復(fù)合頂板進(jìn)行錨桿、錨索支護(hù)。施工的長錨索在兩排錨桿間，錨固端位于頂板穩(wěn)定巖層中可起到較好的懸吊效果。采用的長錨索規(guī)格為D17.8 mm×8 300 mm，每排施工2根，間排距為2 000 mm×2 000 mm.偽頂與基本頂厚度合計5.7 m，采用8.3 m長錨索可確保錨固端在堅硬穩(wěn)定的基本頂中超過2 m.具體錨索錨固如圖2所示。

圖2 錨索錨固示意

2) 現(xiàn)場施工的頂板錨索鉆孔孔深應(yīng)比較長錨索短200～250 mm，使錨索有一定的外露長度。錨索錨固選用2支型號K23/80、1支型號CK23/80樹脂錨固劑。錨索錨固完成后，在端頭位置安裝鋼托盤、錨具，并采用千斤頂施加預(yù)緊力，預(yù)緊力控制在300 kN以上。為確保長錨索對巷道頂板有效控制，錨索選用的托盤為2 500 mm長工字鋼，在工字鋼上按照2 000 mm間距布置2個錨索孔，錨索穿過錨索孔并用鎖具固定。

3) 巷道支護(hù)時，為避免迎頭破碎、頂板垮落，需在掘進(jìn)迎頭布置臨時支護(hù)設(shè)施，再進(jìn)行錨桿支護(hù)。迎頭臨時支護(hù)包括11號工字鋼、吊環(huán)、絲桿等。11號工字鋼制成3根縱梁、3根橫梁，有效支護(hù)范圍在2～3 m.具體迎頭臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 巷道迎頭臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

3 圍巖支護(hù)效果

在3506運輸巷采用注漿+長錨索方式支護(hù)后，布置測點對圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。支護(hù)完成35 d后圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，期間監(jiān)測到頂?shù)装濉⑾飵屠鄯e變形量分別為69 mm、53 mm，取得較好的圍巖支護(hù)效果。

表1 圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié) 語

在3506運輸巷掘進(jìn)過構(gòu)造破碎帶期間，采用注漿+長錨索方式支護(hù)圍巖，注漿材料選用馬麗散漿液。通過超前注漿后可實現(xiàn)巷道靠近頂板位置以及頂板上方3.3 m區(qū)域加固，避免巷道掘進(jìn)期間出現(xiàn)冒頂、漏頂?shù)葐栴}。采用長錨索可實現(xiàn)破碎頂板有效支護(hù)，錨固端位于巷道頂板上覆穩(wěn)定的巖層中，可起到較好的懸吊效果。現(xiàn)場應(yīng)用后，3506運輸巷在構(gòu)造破碎帶內(nèi)圍巖變形量較小，期間監(jiān)測到頂?shù)装?、巷幫變形量分別為69 mm、53 mm，圍巖控制效果顯著。