全煤巷破碎應(yīng)力區(qū)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

胡亞琴

（山西焦煤霍州煤電職教中心，山西 霍州 031400）

掘進(jìn)巷道過地質(zhì)構(gòu)造、采空區(qū)等集中應(yīng)力帶時，圍巖出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，如頂板下沉、斷裂，兩幫破碎，底板鼓起等，不僅增加圍巖控制難度，降低支護(hù)效果，而且很容易出現(xiàn)頂板冒漏事故，威脅著巷道掘進(jìn)安全。目前針對應(yīng)力區(qū)巷道圍巖主要采用補(bǔ)打密集錨桿（索）、架設(shè)工字鋼棚以及注漿等進(jìn)行控制維護(hù)。但應(yīng)力破碎圍巖采用錨桿（索）支護(hù)時，破碎圍巖“松動圈”范圍擴(kuò)展至錨固段時，錨固效果差、支護(hù)失效率高，達(dá)不到預(yù)期支護(hù)效果；工字鋼棚支護(hù)工藝簡單、成本費用低，但由于工字鋼支護(hù)截面積小，支護(hù)效果差，易出現(xiàn)變形，工字鋼梁兩側(cè)腰線很容易對圍巖產(chǎn)生破壞作用；注漿支護(hù)能夠快速對破碎圍巖進(jìn)行粘接、加固，局部圍巖注漿加固效果好，但是對整體圍巖控制效果差。因此，對應(yīng)力區(qū)圍巖采取合理有效的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，對圍巖變形控制，提高應(yīng)力區(qū)圍巖掘進(jìn)效率具有重要意義。本文以三交河煤礦203 運輸順槽為研究背景，根據(jù)巷道掘進(jìn)期間過應(yīng)力區(qū)圍巖破碎機(jī)理，提出了“注漿加固+桁架錨索+π 型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[1-6]，確保巷道安全快速過應(yīng)力區(qū)。

1 概況

霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦203 運輸順槽布置在+850 m 水平南翼，巷道沿10#煤層底板掘進(jìn)，巷道西部為205 準(zhǔn)備工作面，東部為201 采空區(qū)。10#煤層厚度1.6～2.0 m，平均1.8 m，煤層結(jié)構(gòu)：1.0～1.75（0.1～0.62）0.4～1.1，煤層傾角變化范圍為5°，在煤層底部及中部各含一層泥巖夾矸。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

203運輸順槽在掘進(jìn)期間共計揭露3條正斷層，斷層編號為F1、F2、F3，3 條斷層位置分別位于巷道240 m、560 m 以及1120 m 處。其中，斷層F1落差為1.7 m，傾角為52°，對掘進(jìn)影響較大；F2斷層落差為1.0 m，傾角為57°，對掘進(jìn)影響較大；F3 斷層落差為0.7 m，傾角為54°，對巷道掘進(jìn)影響相對較小。

2 巷道支護(hù)設(shè)計及掘進(jìn)現(xiàn)狀[7-10]

2.1 巷道原支護(hù)技術(shù)

2.1.1 頂板支護(hù)方案

1）原支護(hù)設(shè)計中頂板采用屈服強(qiáng)度為500 MPa的螺紋鋼錨桿支護(hù)，桿體直徑為22 mm，桿體兩側(cè)采用無縱筋結(jié)構(gòu)增加桿體與錨固劑摩擦攪拌作用，錨桿與頂板巖面垂直布置，每排5 根，同一排施工間距為1.0 m，相鄰兩排施工排距為1.1 m。

2）同一排錨桿外露端安裝W 型鋼帶作為頂板巖體承載機(jī)構(gòu)，鋼帶長度為4.5 m，寬度為0.25 m，橫截面設(shè)置為W 型增加鋼帶抗彎曲強(qiáng)度。

3）頂板錨索采用單點線性布置方式，每排布置3 根，錨索采用“九股一芯”反麻花式預(yù)應(yīng)力鋼絞線，外股鋼絲直徑為5.2 mm，內(nèi)芯直徑為6.3 mm，鋼絞線屈服強(qiáng)度為1860 MPa，布置間距1.3 m，排距為3.0 m，錨索外露端安裝拱形墊片及鎖具進(jìn)行預(yù)緊。

2.1.2 巷幫支護(hù)方案

203 運輸順槽兩幫主要采用“單錨桿+小鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方式。采用屈服強(qiáng)度為335 MPa的圓鋼錨桿，桿體直徑為20 mm，每排布置3根，錨桿布置間距為1.0 m，其中中部錨桿垂直巷幫布置，頂?shù)讉?cè)錨桿分別以15°俯斜角布置，錨桿端頭安裝一塊長度為0.45 m、寬度為0.25 m 橫截面呈“W”小鋼帶。

2.2 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

203 運輸順槽采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，掘進(jìn)至241 m 處時巷道迎頭已全部揭露F1 斷層，其中掘進(jìn)前方為下降盤，工作面頂板往下1.7 m 范圍內(nèi)主要為泥巖、煤線混合巖層，巖層整體穩(wěn)定性差，巷道在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)巖體分層垮落，頂板出現(xiàn)“網(wǎng)包”，兩幫片幫嚴(yán)重，頂板下沉、離層，局部錨桿出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，巷道揭露斷層后在第三天圍巖開始出現(xiàn)蠕動變形現(xiàn)象，實測頂板最大下沉量為0.47 m，兩幫與頂板之間的肩角煤柱垮落嚴(yán)重，兩幫最大移進(jìn)量0.78 m。

2.3 圍巖破碎機(jī)理

根據(jù)現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，分別從圍巖特性、構(gòu)造應(yīng)力、支護(hù)強(qiáng)度等幾方面分析圍巖破碎機(jī)理。

1）圍巖穩(wěn)定性差。203 運輸順槽掘進(jìn)的10#煤層整體穩(wěn)定性差，煤層內(nèi)含2～3 層以泥巖為主的夾矸，破壞了煤體連續(xù)穩(wěn)定性，煤體結(jié)矸率及承載強(qiáng)度低。對10#煤層取樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗，10#煤層平均單軸抗壓強(qiáng)度不足15 MPa，煤體易破碎。

2）集中應(yīng)力破壞。203 運輸順槽東部為201 采空區(qū)，預(yù)留保安煤柱寬度為27 m。由于受采空區(qū)垮落影響，采空區(qū)頂板產(chǎn)生裂隙帶并向203 運輸順槽內(nèi)延伸，形成應(yīng)力傳遞通道。203 運輸順槽揭露F1斷層后，在采空區(qū)殘余應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力共同作用下，在斷層區(qū)形成應(yīng)力集中區(qū)，并通過斷層帶以及圍巖裂隙進(jìn)行釋放，從而對圍巖產(chǎn)生應(yīng)力剪切破壞作用。

3）支護(hù)強(qiáng)度低。原巷道圍巖主要采用錨桿（索）、鋼帶進(jìn)行支護(hù)，屬于主動支護(hù)，采用端頭錨固方式，在集中應(yīng)力區(qū)圍巖存在多向應(yīng)力作用，采用傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)時錨固段圍巖破碎嚴(yán)重，導(dǎo)致錨固失效。同時，在破碎圍巖中錨桿（索）支護(hù)過程中形成的應(yīng)力梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，且無法連續(xù)穩(wěn)定傳遞至深部圍巖中，導(dǎo)致支護(hù)效果差、支護(hù)失效率高。

3 斷層應(yīng)力區(qū)支護(hù)優(yōu)化

為了解決 203 運輸順槽過斷層期間圍巖變形嚴(yán)重、支護(hù)難度大等問題，決定對應(yīng)力區(qū)頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 注漿加固

3.1.1 注漿加固目的

巷道掘進(jìn)后使原巖應(yīng)力狀態(tài)由原來的四向應(yīng)力變?yōu)槿驊?yīng)力，圍巖應(yīng)力在重新分配過程中在巷道開挖空間內(nèi)形成應(yīng)力卸壓空間，圍巖出現(xiàn)蠕動變形，及時采用錨桿(索）支護(hù)時對圍巖變形進(jìn)行有效控制，但是當(dāng)巷道揭露斷層后構(gòu)造應(yīng)力卸壓作用對圍巖產(chǎn)生二次破壞，導(dǎo)致圍巖內(nèi)部巖體裂隙發(fā)育，且出現(xiàn)圍巖“松動圈”。隨著應(yīng)力持續(xù)作用，“松動圈”范圍不斷擴(kuò)大，從而導(dǎo)致頂板破碎，煤幫垮落等。

注漿加固技術(shù)主要對松散圍巖施工注漿孔，對孔內(nèi)高壓注入水泥砂漿、馬麗散、聚氨酯等注漿材料，注漿材料在巖體裂隙帶內(nèi)擴(kuò)散，一方面排擠裂隙帶空氣，防止煤體氧化作用，另一方面注漿材料對裂隙圍巖進(jìn)行粘接并形成網(wǎng)絡(luò)骨架，提高了圍巖韌性及抗壓強(qiáng)度。

3.1.2 注漿工序

1）注漿鉆孔布置在揭露斷層后的巖面上，每組鉆孔4 個，鉆孔深度為6.0 m，所有鉆孔以30°上山角布置，中部2 個鉆孔水平角為0°，兩側(cè)鉆孔分別以30°水平角布置。

2）注漿鉆孔施工完后，對鉆孔內(nèi)安裝后注漿管路，在注漿管路外露端分別安裝壓力表、控制閥門、混合器并與ZBQ-27/1.5 氣動雙液注漿泵連接，注漿泵連接2 個注漿桶。如圖1。

3）注漿鉆孔施工完后，采用專用注漿泵對鉆孔進(jìn)行注漿施工。由于傳統(tǒng)馬麗散、聚氨酯等有機(jī)注漿材料在施工過程產(chǎn)生大量熱量、污染環(huán)境且成本費用高，所以決定采用水泥砂漿與水玻璃混合無機(jī)注漿材料。

3.2 桁架錨索支護(hù)

3.2.1 支護(hù)原理

巷道開挖后圍巖由原來的四向應(yīng)力變?yōu)槿驊?yīng)力，兩幫煤柱受水平剪應(yīng)力影響，頂板受垂直剪應(yīng)力影響，而原圍巖采用的錨桿（索）支護(hù)無法對圍巖內(nèi)部應(yīng)力消除或削弱作用，從而導(dǎo)致支護(hù)后支護(hù)體失效嚴(yán)重。

桁架錨索支護(hù)是在應(yīng)力區(qū)圍巖施工2 根對稱斜角錨索，并對對角錨索施加水平張拉應(yīng)力，斜角錨索在張拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生一個垂直向上和水平分力，從而對巷幫煤柱及頂板應(yīng)力起到削弱作用，如圖2。

圖2 桁架錨索支護(hù)原理圖

3.2.2 桁架錨索支護(hù)工序

1）桁架錨索支護(hù)時，錨索布置斜角對圍巖支護(hù)效果起著重要作用。根據(jù)203 運輸巷圍巖應(yīng)力情況，桁架錨索布置斜角設(shè)置為85°。為了保證錨索錨固段錨固在堅硬頂板上，錨索長度為5.3 m，直徑為21.6 mm。

2）桁架錨索與頂板鋼帶平行布置，布置間距為2.0 m。同一排下角錨索安裝后在其外露端安裝2根圓鋼拉桿和1 個張拉器。

3.3 π 型鋼棚支護(hù)

1）203 運輸順槽從235 m 處開始架設(shè)π 型鋼棚，鋼棚通過矩形工字鋼棚改良而成，鋼棚由U29 棚腿、π 型頂梁、底座等部分組成。棚腿長度為3.0 m，棚腿底部1.5 m 處各焊制一個錨桿固定孔；頂梁主要由槽鋼橫梁和弧形梁組成，弧形兩端各焊制2 個直徑為20 mm 螺母固定孔。如圖3。

圖3 203 運輸順槽應(yīng)力區(qū)支護(hù)斷面示意圖（mm）

2）鋼棚施工工序如下：① 架設(shè)鋼棚前需對巷幫及頂板破碎圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，對架棚底板進(jìn)行整平，將需要架設(shè)的鋼棚各配件運送至指定地點；② 鋼棚架設(shè)順序為底座→棚腿→π 型頂梁→連接桿；③ 鋼棚架設(shè)間距為1.0 m，鋼棚安裝后必須保證頂梁與破碎頂板接觸嚴(yán)實。

3.4 應(yīng)用效果

截至3 月26 日203 運輸順槽已通過了斷層應(yīng)力區(qū)，通過對應(yīng)力區(qū)頂板采取注漿、桁架錨索以及鋼棚等支護(hù)，取得了以下顯著成效：

1）降低了支護(hù)成本費用。過應(yīng)力區(qū)采用傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)時，受應(yīng)力影響頂板錨桿、錨索出現(xiàn)嚴(yán)重破斷現(xiàn)象，且頂板需重新挑頂補(bǔ)打支護(hù)，50 m 應(yīng)力區(qū)預(yù)計需重新補(bǔ)打錨桿80 套，錨索50 套，挑頂長度達(dá)20 m，支護(hù)成本及人工費用達(dá)20.7 萬元。

2）提高巷道掘進(jìn)效率。203 運輸順槽在前期掘進(jìn)過程中由于受圍巖變形影響，巷道掘進(jìn)效率低，平均掘進(jìn)量為2.5 m/d，而采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后圍巖變形得到了有效控制，平均掘進(jìn)量為4.8 m/d，大大提高了巷道掘進(jìn)效率。

3）控制了圍巖變形。203 運輸順槽應(yīng)力區(qū)采取聯(lián)合控制技術(shù)后，通過圍巖監(jiān)測儀監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，頂板最大下沉量為0.18 m，兩幫收斂最大量為0.24 m，有效提高了巷道成型效果。

4 結(jié)語

203 運輸順槽在掘進(jìn)過斷層期間圍巖受構(gòu)造應(yīng)力影響，出現(xiàn)圍巖變形現(xiàn)象，通過對應(yīng)力區(qū)圍巖采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，成功解決了斷層區(qū)圍巖支護(hù)難度大、控制效果差等技術(shù)難題，為后期巷道過F2、F4 斷層時圍巖支護(hù)設(shè)計提供了實踐依據(jù)，取得了顯著成效。