煤礦松散煤層破碎頂板巷道支護(hù)技術(shù)研究

任 碩，李中偉，周文凱

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013； 3.陜西澄合合陽煤炭開發(fā)有限公司，陜西 渭南 715300)

松散煤層破碎頂板巷道的支護(hù)問題一直是煤礦巷道支護(hù)領(lǐng)域研究的難點(diǎn)[1-5]，王磊[6]以鎮(zhèn)城底礦 22212 運(yùn)輸巷為例，研究了注漿錨索對破碎頂板巷道的加固作用，揭示了注漿加固機(jī)理，提出了注漿錨索與原支護(hù)方式聯(lián)合支護(hù)方案。經(jīng)來旺等[7]針對松散煤層、破碎頂板回采巷道易冒落、難支護(hù)等特點(diǎn)，提出了一種主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)方式，即“短錨+輕架”組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，取得顯著支護(hù)效果。張春雷[8]分析了麥垛山煤礦弱膠結(jié)軟巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，提出了高抗力支護(hù)和防底鼓技術(shù)。文獻(xiàn)[9]用數(shù)值模擬手段對3層復(fù)合板錨桿預(yù)應(yīng)力場分布規(guī)律進(jìn)行研究，揭示了圍巖在軟硬不同巖性巖石中的應(yīng)力傳遞效果，設(shè)計(jì)了“動(dòng)態(tài)錨固—應(yīng)力擴(kuò)散”的支護(hù)方案，形成較好的工程示范效果。李敬佩等[10]論證了極松散煤層巷道中錨桿和雙抗布良好的作用效果，強(qiáng)調(diào)了“金屬支架+錨桿+雙抗布”復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合效應(yīng)。劉海東等[11]采用“錨護(hù)噴注”一體化支護(hù)技術(shù)，即超前注漿、巷道噴漿、加長錨索和滯后注漿相結(jié)合的圍巖加固技術(shù)，有效加固了頂板破碎巖體。范明建[12]對平朔礦區(qū)淺埋深特厚煤層巷道地應(yīng)力狀態(tài)、煤巖體強(qiáng)度以及圍巖結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，指出提高圍巖承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，是保證淺埋深特厚煤層巷道支護(hù)效果的關(guān)鍵。紀(jì)文濤[13]研究認(rèn)為，巖性軟弱、自穩(wěn)能力極差，在強(qiáng)大的上覆巖層壓力作用及采動(dòng)壓力作用下，巷道圍巖條件將更加惡化，沿軟弱面向巷道內(nèi)擠壓，設(shè)計(jì)了半圓拱斜腿可縮性支架+錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)闹ёo(hù)方式，較好的控制了巷道圍巖變形。張文等[14]通過理論分析軟弱破碎巷道破壞機(jī)理及圍巖支護(hù)，提出了“錨噴+化學(xué)注漿”聯(lián)合支護(hù)形式。王連國等[15]通過分析深部極高應(yīng)力極軟巖層巷道破壞特點(diǎn)，提出了錨注支護(hù)體系。

本文以安陽煤礦1512工作面膠帶巷為工程背景，測試了巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，測量了頂?shù)装鍘r石的膨脹性礦物含量，揭示了松散煤層破碎頂板巷道變形機(jī)理，提出了高預(yù)緊力錨桿錨索+噴漿支護(hù)的協(xié)同控制技術(shù)方案，井下試驗(yàn)效果表明巷道變形量較小，基本解決了安陽煤礦松散煤層破碎頂板巷道支護(hù)難題[16-17]。

1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試

1512工作面膠帶巷設(shè)計(jì)長度857 m，沿5號煤層底板掘進(jìn)，煤層厚度3.99～5.00 m，煤層傾角為1°～9°，埋深300～400 m。煤層直接頂為細(xì)砂巖、粉砂巖，平均厚6 m，裂隙發(fā)育；基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度6.5 m，泥質(zhì)膠結(jié)。直接底為石英砂巖，平均厚3.45 m。1512膠帶巷布置如圖1所示。

1512膠帶巷圍巖結(jié)構(gòu)窺視結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，頂板0～7.9 m為砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，0～0.6 m破碎嚴(yán)重，0.6～3.3 m裂隙發(fā)育，完整性差，3.3～7.6 m巖層完整，7.6～7.9 m有微裂隙；7.9～12.5 m為粉砂巖，該段巖層基本完整，其中8.9 m處有條微裂隙，9.9～11.6 m巖層完整，11.6～12.5 m有明顯橫向裂隙，完整性差；12.5～13.0 m為泥巖夾層，破碎；13.0～14.0 m為粉砂巖，巖層完整。幫部0～0.7 m有少量裂隙，0.7～1.7 m煤層完整，1.7～2.0 m破碎嚴(yán)重，2.0～4.2 m有少量裂隙，4.2～7.6 m煤層較為完整。

采用圍巖強(qiáng)度原位測試裝置，對煤巖體強(qiáng)度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖3所示。頂板以上0～7.9 m為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度平均值為34.00 MPa；7.9～10.5 m為粉砂巖，平均強(qiáng)度49.01 MPa。幫部煤體強(qiáng)度平均為10.79 MPa。

圖3 煤巖體強(qiáng)度測試結(jié)果Fig.3 Strength test results of coal and rock mass

采用SYY-56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量裝置，在1512膠帶巷附近開展了3個(gè)測點(diǎn)的地應(yīng)力測試，測試結(jié)果見表1。根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)，安陽煤礦1512膠帶巷位于低應(yīng)力值區(qū)域。3組測點(diǎn)均呈現(xiàn)最大水平主應(yīng)力為最大值，最小水平主應(yīng)力為最小值的特征。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，安陽煤礦1512膠帶巷受水平主應(yīng)力影響更大，巷道支護(hù)過程中應(yīng)更注重加強(qiáng)頂?shù)装逯ёo(hù)強(qiáng)度。3組測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向分別N30.1°W、N43.6°W和N32.4°W，最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向?yàn)镹NW方向，方向一致性好。

表1 安陽煤礦水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果Tab.1 Measurement results of ground stress caused by hydraulic fracturing in Anyang Coal Mine

現(xiàn)場取樣對頂?shù)装鍘r石礦物成分進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見表2。頂板高嶺石平均含量達(dá)43.67%。底板高嶺石平均含量達(dá)41.3%。頂板伊利石平均含量達(dá)23.3%。底板伊利石平均含量29.3%。頂板伊蒙混層平均值為24%。底板伊蒙混層平均值為21.67%。關(guān)于膨脹性軟巖的判別，現(xiàn)有研究成果表明，當(dāng)蒙脫石的含量達(dá)到7%以上或者伊利石含量達(dá)20%以上時(shí)，巖石將具有明顯的膨脹特性。英國的研究認(rèn)為蒙脫石含量大于10%～15%的巖石為膨脹性軟巖。由此可以判定1512膠帶巷頂?shù)装鍘r層具有一定的膨脹性。

表2 頂?shù)装鍘r石礦物成分定量分析結(jié)果Tab.2 Quantitative analysis results of mineral composition of roof and floor rocks %

由以上結(jié)果可知，地應(yīng)力屬地應(yīng)力區(qū)，巷道軸向基本平行于最大水平主應(yīng)力方向，巷道變形受地應(yīng)力方向影響較小；巷道頂板破碎錨桿錨固區(qū)域裂隙發(fā)育，幫部煤體強(qiáng)度低，需要提高錨桿錨索主動(dòng)支護(hù)能力，最大程度的減少由于巷道開挖導(dǎo)致的巷道圍巖完整性的降低；煤層頂?shù)装鍘r層具有遇水軟化和膨脹特性，需要及時(shí)噴漿封閉圍巖，減少由于巷道長期受空氣中水的影響導(dǎo)致的膨脹變形。

2 巷道變形機(jī)理分析及支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)

2.1 巷道變形機(jī)理分析

巷道原支護(hù)方案是頂板錨桿為φ20 mm×2 500 mm、500號左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，托板采用300 mm×300 mm×8 mm拱形鐵托，間排距均為700 mm，錨桿預(yù)緊扭矩不小于150 N·>m。錨索規(guī)格為φ18.9 mm、1×7股鋼絞線，長度8.3 m，托板采用長800 mm的29U型鋼，間排距均為1 400 mm，每排3/4根，錨索預(yù)緊力不小于150 kN。幫部錨桿為φ20 mm×2 500 mm、500號左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距700 mm×800 mm，托板采用300 mm×300 mm×10 mm拱形鐵托，每排4根，錨桿預(yù)緊扭矩不小于150 N·>m。頂幫金屬網(wǎng)均為10號鐵絲編織的菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔50 mm×50 mm。巷道掘進(jìn)后，累積變形量兩幫最大達(dá)700 mm，頂板下沉量超過200 mm。

根據(jù)現(xiàn)有支護(hù)情況和地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果，分析認(rèn)為巷道變形機(jī)理是煤層強(qiáng)度低且松散，頂板砂質(zhì)泥巖完整性差，導(dǎo)致巷道圍巖自身承載能力較差；頂?shù)装鍘r石膨脹性礦物含量高遇水易軟化和膨脹，加劇了巷道底鼓的產(chǎn)生；施工過程中錨桿錨索預(yù)緊力低且護(hù)表構(gòu)件面積小，錨桿錨索預(yù)緊力不能及時(shí)、充分、有效擴(kuò)散，巷道初始支護(hù)強(qiáng)度不足，最終導(dǎo)致巷道變形量大。

2.2 巷道支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)

針對巷道變形機(jī)理，巷道支護(hù)需要做好以下幾點(diǎn)。

(1)提高錨桿錨索的預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)錨桿錨索主動(dòng)支護(hù)圍巖，保持圍巖的完整性，減少圍巖強(qiáng)度的降低，充分發(fā)揮圍巖自承載能力。

(2)優(yōu)化錨桿托板和錨索托板的結(jié)構(gòu)，提高錨桿預(yù)緊扭矩轉(zhuǎn)化效率，減少錨桿錨索所受的有害復(fù)合應(yīng)力，提高錨桿錨索的主動(dòng)支護(hù)能力。

(3)提高錨桿錨索組合構(gòu)件的面積，使錨桿錨索預(yù)緊力能夠擴(kuò)散到距錨桿錨索較遠(yuǎn)處的圍巖中，更好地組合錨桿錨索和圍巖，提高錨桿錨索和圍巖組合結(jié)構(gòu)的承載能力，減少巷道圍巖變形。

(4)噴漿封閉巷道頂板，避免頂板砂質(zhì)泥巖與空氣中水分的接觸，防止因砂質(zhì)泥巖中膨脹性礦物遇水膨脹導(dǎo)致的頂板下沉。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

1512工作面膠帶巷為矩形斷面，巷寬4.70 m，高3.85 m。

(1)頂板支護(hù)。錨桿桿體為500號左旋無縱筋螺紋鋼筋，直徑20 mm，長度2.5 m，螺紋長度150 mm。采用1支規(guī)格為MSK2335，另1支規(guī)格為MSZ2360的錨固劑進(jìn)行錨固，φ28 mm鉆頭施工。配合W型鋼護(hù)板護(hù)頂，厚度5 mm，寬280 mm，長度450 mm。托板規(guī)格為150 mm×150 mm，厚度不低于10 mm，配調(diào)心球墊和減阻尼龍墊圈。采用8號鐵絲編織的鐵絲網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)格為50 mm×50 mm。錨桿間排距均為800 mm，每排布置6根錨桿。錨桿預(yù)緊扭矩不低于350 N·>m。采用17股φ18.9 mm錨索，長度6.3 m，配合300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板及配套鎖具，錨索排距1.6 m，間距1.4 m。錨索初始張拉預(yù)緊力不低于200 kN。

(2)幫部支護(hù)。幫部錨桿與頂部錨桿材質(zhì)規(guī)格相同，同樣采用一支規(guī)格為MSK2335，另一支規(guī)格為MSZ2360的錨固劑進(jìn)行錨固，鉆頭直徑為28 mm。配合W型鋼護(hù)板護(hù)幫，厚度5 mm，寬280 mm，長度450 mm。托板規(guī)格為150 mm×150 mm，厚度不低于10 mm，配調(diào)心球墊和減阻尼龍墊圈。采用8號鐵絲編織的鐵絲網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)格為50 mm×50 mm，規(guī)格為3 950 mm×900 mm，錨桿間排距均為800 mm，每排每幫各5根錨桿。錨桿預(yù)緊扭矩不低于350 N·>m。

(3)噴漿封閉。按照兩掘一噴形式進(jìn)行噴漿封閉。噴層厚度100 mm。噴漿材料強(qiáng)度等級C25。錨桿錨索均垂直于巷道頂板和幫部打設(shè)。

錨桿錨索支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 錨桿錨索支護(hù)方案Fig.4 Supporting scheme of bolt and cable

3.2 數(shù)值模擬

采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序FLAC3D，選取礦井實(shí)際煤巖體物理力學(xué)參數(shù)，模擬了上述支護(hù)方案下巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃吻闆r。三維模型的邊界條件取為：上部為自由邊界，四周和底部鉸支。模擬結(jié)果如圖5所示。采用設(shè)計(jì)方案進(jìn)行支護(hù)后，巷道整體圍巖變形得到有效控制，頂板最大下沉量為28 mm，存在輕微底鼓現(xiàn)象，最大底鼓量10 mm，巷道頂板下沉量明顯大于巷道底鼓量，最大變形發(fā)生在巷道頂?shù)装逯胁课恢?；兩幫移近量均?0 mm，移近量最大處均在兩幫中部。

圖5 巷道圍巖變形情況Fig.5 Deformation of surrounding rock of roadway

通過數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用設(shè)計(jì)方案進(jìn)行支護(hù)可以有效控制巷道表面圍巖的變形，起到了應(yīng)有的支護(hù)效果。

3.3 礦壓監(jiān)測

1512膠帶巷掘進(jìn)期間在巷道300 m位置靠近掘進(jìn)頭布置了巷道礦壓綜合測站，用于監(jiān)測巷道掘進(jìn)期間錨桿錨索受力及巷道變形情況。錨桿錨索受力情況如圖6所示。錨桿受力比較穩(wěn)定，在30～80 kN，錨索受力在110 kN左右，巷道變形壓力較小。布置了表面位移測站，測量結(jié)果如圖7所示，巷道變形量較小，兩幫移近量在60 mm以內(nèi)，頂板下沉量在70 mm以內(nèi)，巷道支護(hù)效果較好。

圖6 錨桿錨索受力曲線Fig.6 Stress curve of bolt and cable

圖7 巷道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Monitoring results of roadway surrounding rock deformation

礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，采用高預(yù)緊力錨桿錨索+噴漿支護(hù)的協(xié)同控制技術(shù)方案，加強(qiáng)了護(hù)表構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，提高了巷道初期支護(hù)強(qiáng)度，頂板和幫部煤巖體完整性得到保持，噴漿封閉頂板后避免了巷道頂板砂質(zhì)泥巖中膨脹性礦物與水的接觸，巷道頂板砂質(zhì)泥巖不發(fā)生膨脹變形，該技術(shù)方案較適用于松散煤層破碎頂板巷道的支護(hù)。

4 結(jié)論

(1)通過對1512工作面膠帶巷進(jìn)行詳細(xì)的圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)等的測試分析，結(jié)合支護(hù)狀況評價(jià)得出巷道變形機(jī)理是煤層強(qiáng)度低且松散，頂板砂質(zhì)泥巖完整性差，頂?shù)装鍘r石膨脹性礦物含量高遇水易軟化和膨脹，錨桿錨索預(yù)緊力低且護(hù)表構(gòu)件面積小，錨桿錨索預(yù)緊力不能實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散，巷道初始支護(hù)強(qiáng)度低。

(2)針對原有支護(hù)存在的問題，提出以提高錨桿錨索預(yù)緊力并增加支護(hù)構(gòu)件護(hù)表面積為技術(shù)核心，進(jìn)行了巷道支護(hù)方案的初始設(shè)計(jì)，通過數(shù)值模擬進(jìn)行了方案的驗(yàn)證，數(shù)值模擬結(jié)果顯示新支護(hù)方案可以極大改善巷道圍巖的變形情況，頂板下沉量減少80%以上，兩幫移近量減少90%。

(3)采用高預(yù)緊力錨桿錨索+噴漿支護(hù)的協(xié)同控制技術(shù)方案，加強(qiáng)了護(hù)表構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，提高了巷道初期支護(hù)強(qiáng)度，頂板和幫部煤巖體完整性得到保持，噴漿封閉頂板后避免了巷道頂板砂質(zhì)泥巖中膨脹性礦物與水的接觸，巷道頂板砂質(zhì)泥巖不發(fā)生膨脹變形，有利于巷道圍巖變形控制。

(4)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的支護(hù)方式很好的控制圍巖變形，掘進(jìn)期間兩幫移近量60 mm，頂板下沉量不超過75 mm，解決了安陽煤礦巷道前掘后修的難題。