破碎巷道圍巖變形機理及支護技術(shù)研究

張國英

(山西焦煤霍州煤電集團有限公司,山西 呂梁 033000)

煤炭資源作為我國的基礎(chǔ)能源,煤炭產(chǎn)量約41億噸/年,井下回采巷道的長度約1 500公里,回采巷道圍巖的穩(wěn)定性控制是煤炭資源安全高效開采的必要前提,尤其是破碎圍巖回采巷道的穩(wěn)定性控制一直備受眾多專家學(xué)者的關(guān)注[1-3]。吳愛祥等[4]基于對軟弱破碎圍巖巷道變形主要影響因素的分析,采用“鋼拱架+長錨索”聯(lián)合支護技術(shù)有效控制了巷道圍巖變形?？追矀5]通過圍巖力學(xué)參數(shù)測試和數(shù)值模擬研究結(jié)果,設(shè)計了松軟破碎頂板巷道合理支護體系,并取得了較好的圍巖控制效果。孫占成等[6]提出了“中空注漿錨索+錨桿”的破碎圍巖巷道補強支護措施,對高應(yīng)力軟巖破碎圍巖巷道變形控制效果顯著。本文基于上述研究成果,針對木瓜煤礦10-208工作面圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜,在回采巷道過破碎圍巖段,巷道頂板嚴(yán)重下沉,片幫、底鼓等破壞現(xiàn)象嚴(yán)重,不能滿足巷道的正常使用,影響井下的作業(yè)安全等問題,對破碎圍巖回采巷道的支護技術(shù)進行研究,以期降低施工風(fēng)險,保證巷道圍巖的穩(wěn)定性,具有重要的理論和現(xiàn)實意義,同時可為相似地質(zhì)條件下的同類型巷道圍巖支護提供參考依據(jù)。

1 工程概況

木瓜煤礦10-208工作面位于盛地溝村以北的黃土丘陵一帶,地表以侵蝕性黃土梁峁為主,山上分布著梯田及坡地。工作面以北、以東、以西為黃土溝谷,以南為盛地溝村;工作面地表采動影響范圍內(nèi)無村莊,10-208工作面所開采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組的9+10號煤(合并層),9號、10號煤層間距0.2～0.4 m;煤層普氏系數(shù)為2～3,中厚層狀,賦存較穩(wěn)定。

10-208工作面上部為實體煤巖層,以南緊鄰二盤區(qū)3條準(zhǔn)備大巷,以北為實體煤,以西為10-206回采工作面,以東為實體煤,緊鄰風(fēng)氧化帶,靠近礦井井田邊界,生產(chǎn)期間預(yù)計不會對其造成采動影響。煤層頂板情況如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

10-208工作面地面標(biāo)高為+1 045～+1 175 m,10-208回采巷道標(biāo)高為+810～+835 m,全長為997 m,巷道為矩形斷面,凈寬為5.0 m,凈高度為3.5 m,受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響,10-208回采巷道約150 m范圍內(nèi)巷道圍巖變形嚴(yán)重,頂板下沉量達600 mm,兩幫移近量達500 mm,且部分區(qū)域內(nèi)錨桿索出現(xiàn)斷裂、托盤壓翻等現(xiàn)象,需對10-208回采巷道變形嚴(yán)重段進行加固處置,確保井下的安全生產(chǎn)。

2 巷道圍巖變形機理

2.1 地質(zhì)構(gòu)造的影響

通過現(xiàn)場地質(zhì)勘察,工作面掘進期間揭露6條正斷層,斷層落差范圍為0.5～1.7 m,斷層最大影響范圍為20 m,破壞了巷道圍巖的完整性,10-208工作面回采巷道在構(gòu)造的作用下,部分地段的圍巖較破碎,從而造成該區(qū)域內(nèi)巷道圍巖的強度較低。

2.2 圍巖強度的影響

巷道的直接頂為泥巖,強度較低,且泥巖易吸水膨脹,直接頂范圍內(nèi)的泥巖較為軟弱,極易導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生較大變形。巷道頂板原支護方案為:

巷道頂板選用直徑22 mm,長度2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿,錨桿均與頂板垂直,錨桿間排距為900 mm×1 000 mm,錨桿螺母預(yù)緊力矩不得低于300 N·m,錨固力為190 kN.

錨索采用Φ20 mm×5 300 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索,間排距為1 800 mm×2 000 mm,選用180 mm×180 mm×12 mm的球型鋼板托盤,施加預(yù)緊力不小于300 kN.保證錨索錨固端深入穩(wěn)定巖體中不少于1 m.

兩幫選用直徑22 mm,長度2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿,錨桿均與幫部垂直,兩幫錨桿的間排距為950 mm×1 000 mm,錨桿螺母預(yù)緊力矩不得低于300 N·m,錨固力為160 kN.

在巷道的頂板、兩幫均鋪設(shè)六邊形金屬網(wǎng),規(guī)格分別為長×寬=5 500 mm×1 100 mm、長×寬=2 900 mm×1 100 mm,鋼筋網(wǎng)的搭接長度為50 mm,同時使用16號雙股聯(lián)網(wǎng)絲進行聯(lián)接,聯(lián)網(wǎng)絲的扭結(jié)大于3扣,聯(lián)網(wǎng)距小于200 mm.

從支護方案可以看出,錨桿長度為2 400 mm,錨桿的錨固區(qū)處于泥巖中,在該區(qū)域內(nèi)錨桿只對剪切應(yīng)力起作用,并不能完全發(fā)揮錨桿的支護作用,支護效果不佳。

2.3 地應(yīng)力的影響

選取破碎圍巖嚴(yán)重段的地應(yīng)力作為測點,分析巷道圍巖的變形破壞機理﹐破碎圍巖嚴(yán)重段所受地應(yīng)力大小和方向如圖1所示。

圖1 地應(yīng)力大小和方向

由圖1可知,回采巷道的走向為正東西方向,最大水平主應(yīng)力與回采巷道的夾角為45°.

圖2 莫爾圓與抗剪強度間的關(guān)系

結(jié)合圖1、圖2可知,回采巷道的走向為正東西方向,在最大和最小水平主應(yīng)力的作用下,巷道頂板巖石會在41°～60°范圍發(fā)生剪切破壞,破壞角度范圍平行于回采巷道,對巷道圍巖的支護十分不利,其是10-208工作面回采巷道圍巖變形破壞的主要機理。

3 加固支護方案

3.1 注漿加固方案

在圍巖進行注漿前,先對圍巖進行掃噴,封閉裸露處圍巖的表面。頂板注漿孔的間排距為1 600 mm×2 000 mm,注漿孔采用“4-3-4”進行布置,注漿孔的直徑為36 mm,深度為8 000 mm;巷道幫部注漿孔的間排距為2 000 mm×2 000 mm,每排2根,注漿孔的直徑為36 mm,深度為7 000 mm;底板注漿孔的間排距為2 000 mm×2 000 mm,每排2根,注漿孔的直徑為36 mm,深度為6 000 mm.

采用鑿巖機打設(shè)注漿孔,注漿孔與巷道圍巖表面全部垂直,同時在注漿孔內(nèi)埋設(shè)射漿管進行一次性全鉆孔注漿,注漿壓力約為6.0 MPa,采用水泥-水玻璃雙液漿的注漿材料,水灰比為0.8,水玻璃的濃度約為50Be’,模數(shù)為3.0,水玻璃與水泥漿液的體積之比約為0.5∶1[4-7],注漿孔布置如圖3所示。

圖3 注漿孔布置圖(單位:mm)

3.2 錨桿索支護方案

1) 頂板支護。巷道頂板采用CRM500Φ22-M24-2 400的強力錨桿,錨桿打設(shè)時,需使錨桿與頂板相互垂直,錨桿的間排距設(shè)計為900 mm×900 mm,每排5根錨桿,錨桿螺母預(yù)緊力矩大于400 N·m,且不超過500 N·m.同時錨桿配合使用3.8 m的鋼帶進行加強支護。

巷道頂板錨索采用SKP22-1/1 860/8 300強力錨索,錨索采用“2-3-2”方式進行布置,錨索2根時,間排距為1 800 mm×1 000 mm;錨索3根時,間排距為1 700 mm×1 000 mm.錨索作業(yè)時需使錨索與巷道頂板相互垂直進行打設(shè)。

2) 兩幫支護。巷道兩幫采用CRM500Φ22-M24-2 400的強力錨桿,間排距為950 mm×1 000 mm,巷道左、右?guī)吞庡^桿均打設(shè)4根,左右兩幫錨桿對稱布設(shè)。

巷道兩幫采用SKP22-1/1 860/4 300強力錨索進行加強支護,錨索作業(yè)時,需使錨索與巷道幫部相互垂直進行打設(shè),錨索的間排距為2 000 mm×2 000 mm,每排共打設(shè)2根錨索,左右兩幫錨索對稱布設(shè)。

其他支護技術(shù)材料、參數(shù)同原支護方案,支護技術(shù)方案如圖4所示。

圖4 優(yōu)化支護方案圖(單位:mm)

4 工業(yè)性試驗

將優(yōu)化支護方案應(yīng)用于10-208工作面回采巷道過破碎圍巖段,同時布設(shè)兩組測站,間距40 m.在巷道掘進施工過程中,采用“十字布點法”對巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形進行現(xiàn)場觀測,頂部測點布置在巷道中心線上,幫部測點布置在距巷道地面1 m的位置處,頂幫測點布置在同一斷面內(nèi),底板監(jiān)測點采用鐵釬,釘入底板圍巖內(nèi)的長度為250 mm.圍巖觀測站按每周1次進行測讀和記錄,為期90 d,不同測站巷道圍巖表面位移情況如圖5所示。

圖5 不同測站巷道圍巖表面位移情況

由圖5可以看出,頂?shù)装逑鄬σ平考皟蓭拖鄬σ平侩S觀測時間均呈現(xiàn)出先增大,后趨于穩(wěn)定的變化趨勢,具體表現(xiàn)為在0～58 d范圍內(nèi),頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平砍试龃筅厔?在58 d以后,頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平炕沮呌诜€(wěn)定,頂?shù)装寮皟蓭屠塾嬜冃瘟孔畲笾捣謩e為49.5 mm和64.6 mm,同時掘進期間巷道無冒頂片幫現(xiàn)象發(fā)生。由此可見,優(yōu)化支護技術(shù)能有效控制其過圍巖破碎段的變形破壞。

5 結(jié) 語

以木瓜煤礦10-208工作面回采巷道過圍巖破碎段為工程背景,對過圍巖破碎段巷道圍巖的控制及支護技術(shù)展開研究,得出以下主要結(jié)論:

1) 通過對破碎巷道圍巖變形機理分析,確定了10-208工作面回采巷道過圍巖破碎段“注漿加固+錨桿索”優(yōu)化支護技術(shù)方案。

2) 現(xiàn)場實測結(jié)果表明:10-208工作面回采巷道過圍巖破碎段掘進期間,頂?shù)装寮皟蓭屠塾嬜冃瘟孔畲笾捣謩e為49.5 mm和64.6 mm,圍巖變形得到有效控制。