基于鉆孔窺視的酥軟煤體沿空巷道超前支護技術(shù)研究

付義勝

（河南焦煤能源有限公司中馬村礦）

隨著無煤柱護巷技術(shù)的發(fā)展，沿空掘巷布置回采巷道的方式逐漸成為礦井提高資源回收率、延長礦井服務(wù)年限的有效途徑。沿空掘巷是在上區(qū)段工作面回采的影響趨于穩(wěn)定后在側(cè)向支承壓力降低區(qū)掘進巷道，巷道只經(jīng)受一次采動影響，相比較于沿空留巷，沿空掘巷更容易維護。目前，我國的礦井開采已經(jīng)逐漸向深部轉(zhuǎn)移。因此，深部沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性控制成為沿空巷道的主要研究方向之一。一些專家和學(xué)者針對沿空巷道的控制理論與技術(shù)展開了深入研究。

劉學(xué)生等［1］利用UDEC 數(shù)值模擬軟件，對沿空巷道圍巖能量演化特征及不同因素影響規(guī)律進行研究分析，建立巷旁支護體動力失穩(wěn)能量判據(jù)，提出支護體穩(wěn)定性降能控制方法。姚強嶺等［2］以棗莊礦區(qū)高莊煤礦輔運巷為研究對象，提出了厚煤層沿空巷道主動式超前支護技術(shù)。王宇等［3］研究各因素對采動應(yīng)力分布的影響，從而對沿空巷道的支護設(shè)計進行優(yōu)化，并提出非對稱錨網(wǎng)索密集支護方案。牛風(fēng)衛(wèi)等［4］針對特厚煤層沿空巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重的問題，借助UDEC數(shù)值模擬對巷道采空側(cè)覆巖結(jié)構(gòu)的形成及運動規(guī)律進行分析，并提出了不對稱控制措施。韓剛等［5］研究分析了沿空巷道動力顯現(xiàn)影響機制及主要致災(zāi)因素，從而提出了一系列針對性的防治對策。

本文針對沿空巷道的圍巖控制難題，以中馬村礦3900工作面巷道為工程背景，對工作面巷道頂板、幫部圍巖進行鉆孔窺視工作，并根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果對3900工作面回風(fēng)巷和運輸巷提出合理的補強支護方案。研究結(jié)果為有效控制高地壓與強采動條件下的沿空巷道圍巖控制提供重要的理論基礎(chǔ)，并且可以提高整個焦作礦區(qū)礦井安全開采水平，緩解礦井采掘接替緊張的局面。

1 工程概況

中馬村礦核定生產(chǎn)能力為100萬t/a，開拓方式為立井單水平上下山開拓，采煤工藝為綜合機械化采煤工藝，采用走向長壁放頂煤采煤法開采。主采煤層為二1煤層，煤層傾角為8°～14°，煤層均厚4.9 m。

3900綜放工作面位于29、39聯(lián)合采區(qū)西翼中部，工作面北側(cè)為2906、2707工作面采空區(qū)，南側(cè)為3902工作面采空區(qū)，埋深365.0～437.9 m。工作面采用走向長壁后退式綜合放頂煤采煤方法，沿煤層底板回采，采用全部垮落法處理采空區(qū)。工作面走向長度658 m，傾斜長度89.5～173.5 m，煤厚3.8～8.0 m，平均6.5 m。工作面?zhèn)雾敒?.92～1.32 m 厚泥巖，老頂為11.57～15.78 m 厚中粒砂巖，直接底為9.29～11.89 m 厚泥巖，老底為硅質(zhì)泥巖、粉砂巖和中粒砂巖互層。運輸巷長739.3 m，錨網(wǎng)索配合鋼筋梯支護（通尺0～120 m 采用3 600 mm×3 600 mm 工鋼單棚支護），巷道總寬4.4 m，巷高3.5m，巷道凈斷面為15.40 m2?；仫L(fēng)巷長737.5 m，錨網(wǎng)索配合鋼筋梯支護，巷寬4.4 m，巷高3.2 m，巷道凈斷面為14.08 m2。由于3900 工作面回采巷道均為沿空巷道，在回采過程中，煤體較為酥軟破碎，采用普通的錨網(wǎng)支護易發(fā)生塌孔、支護藥劑填裝困難等現(xiàn)象，此外圍巖破碎殘余強度不足，不能真正發(fā)揮錨索的支護功效，易加劇巷道變形破碎的現(xiàn)象。因此，需要對巷道圍巖裂隙發(fā)育情況進行分析，并制定相應(yīng)的支護措施。

2 工作面圍巖窺視結(jié)果

2.1 幫部窺視結(jié)果

在工作面運輸巷布置3個鉆孔進行窺視，鉆孔分別布置在通尺700 m（1#）、580 m（2#）和440 m（3#）處。由鉆孔窺圖中可以看出，1#、2#鉆孔3.6 m 以下為全煤，孔內(nèi)情況基本完好，3.6 m 處到達孔底，見巖后未繼續(xù)鉆進；3#鉆孔2.5 m 以下為全煤，0～0.2 m 及1.4～2.5 m 段較破碎，2.5 m 處到達孔底，見巖后未繼續(xù)鉆進。典型破碎狀態(tài)見圖1。

2.2 頂板窺視結(jié)果

在工作面頂板布置3個鉆孔進行窺視，鉆孔分別布置在切眼的上、中、下部。從鉆孔窺視圖中可以看出，頂板圍巖整體完好，未見破碎情況，偶有裂隙發(fā)育，圍巖巖性未見明顯變化（圖2）。

2.3 鉆孔窺視結(jié)果分析

根據(jù)工作面地質(zhì)柱狀圖及頂幫窺視結(jié)果分析可得，3900工作面頂板為中粒砂巖，頂板以上16 m范圍內(nèi)圍巖整體堅硬完好，未見明顯巖性變化，在頂板窺視范圍內(nèi)局部存在圍巖破碎區(qū)域，存在較為發(fā)育的節(jié)理裂隙；巷道440 m 以里沿空側(cè)3.6 m 以下為全煤，3.6 m 后見巖，圍巖整體較好。巷道440 m 以外沿空側(cè)2.5 m以下為全煤，2.5 m后見巖，圍巖整體較破碎。

由礦井地質(zhì)資料及鉆孔窺視結(jié)果可知，3900 綜放工作面上下兩巷均為沿空巷道，回采巷道沿空側(cè)煤體處于雙向應(yīng)力狀態(tài)，甚至為單向應(yīng)力狀態(tài)，在工作面回采擾動影響下，煤體承受較大側(cè)向固定支承壓力，造成煤體較為酥軟破碎，易導(dǎo)致支護困難，巷道穩(wěn)定性難以得到保障，須對松軟煤體進行支護。

3 巷道支護方案

3.1 原支護方案不足

由鉆孔窺視結(jié)果可知，3900 工作面沿空巷道在受回采擾動形成的側(cè)向支承壓力下，巷道圍巖存在較為破碎區(qū)域，幫部錨索打設(shè)期間由于工作面上下兩巷為沿空巷道，巷道沿空側(cè)煤體破碎、酥軟，幫部施工普通錨索期間鉆孔易塌孔造成裝錨固劑困難，影響錨索施工效率，另外煤體破碎造成錨索預(yù)緊力一般為5～10 MPa，不能滿足巷道支護需求，造成巷道支護效果差。

為保障3900 綜放工作面安全高效回采，根據(jù)3900 綜放工作面上下巷現(xiàn)場實際情況，采用兩巷超前段補打錨索補強支護代替單體柱配π鋼梁支護，以主動支護代替被動支護。針對此現(xiàn)象，3900 工作面幫部錨索由普通錨索改為注漿錨索，以保障工作面回采期間巷道的穩(wěn)定。

3.2 補強支護措施

3.2.1 回風(fēng)巷補強支護方案

回風(fēng)巷原支護方式：頂板錨桿采用φ20 mm×2 400 mm 高強度阻尼錨桿，間排距為800 mm×900 mm；幫部錨桿選用φ20 mm×2 400 mm 等強錨桿，間排距為800 mm×900 mm。頂板錨索規(guī)格為φ21.6 mm×7 200 mm，間排距為1 600 mm×1 800 mm。

補強支護方案為頂板在原錨索間補打錨索梁（1梁3 索），梁長3 200 mm，錨索規(guī)格為φ21.6 mm×7 200 mm，間排距1 400 mm×1 800 mm，錨索距梁頭200 mm。巷道下幫補打2排錨索梁（1梁3索），梁長2 400 mm，錨索規(guī)格為φ21.6 mm×4 200 mm，間排距1200 mm×900 mm，錨索距梁頭300 mm；巷道上幫補打4排錨索梁（1 梁3 索），梁長2 400 mm，錨索規(guī)格為φ21.6 mm×4 200 mm，間排距1 200 mm×900mm，錨索距梁頭300 mm。所有補強錨索預(yù)緊力不小于300 kN。

3.2.2 運輸巷補強支護方案

運輸巷原支護方式：頂板錨桿采用φ20 mm×2 400 mm 高強度阻尼錨桿，間排距為700 mm×700mm；幫部錨桿選用φ20 mm×2 400 mm 等強錨桿，間排距為700 mm×700m（其中距頂板300、700 mm 位置為φ21.6 mm×4 200 mm 錨索）。頂板錨索規(guī)格為φ21.6 mm×7 200 mm，間排距為1 400 mm×2 100 mm；上幫距頂板1 400～2 000 mm 位置打設(shè)1 排錨索梁（1 梁3索），梁長2 400 mm，錨索規(guī)格為φ21.6 mm×4 200 mm，排距900 mm，錨索距梁頭300 mm。

補強支護方案：頂板在原錨索間補打錨索梁（1梁3 索），梁長3 200 mm，錨索規(guī)格為φ21.6 mm×7 200 mm，間排距為1 400 mm×2 100 mm，錨索距梁頭200 mm。巷道下幫補打2 排錨索梁（1 梁3 索），梁長2 400 mm，錨索規(guī)格為φ21.6 mm×4 200 mm，間排距為1 000 mm×900mm，錨索距梁頭300 mm；巷道上幫補打4 排錨索梁（1 梁3 索），梁長2 400 mm，錨索規(guī)格為φ21.6 mm×4 200 mm，排距900 mm，錨索距梁頭300 mm。所有補強錨索預(yù)緊力不小于300 kN。

3.2.3 注漿錨索及注漿材料

使用注漿錨索配合水泥漿對巷道幫部進行加固試驗。注漿錨索規(guī)格：φ21.6 mm×4 250 mm，錨固長度為1 000 mm，由里向外依次安裝錨索托盤（300 mm×300 mm×10 mm 厚鋼板）、索頭，錨索外露索具長度150～250 mm。注漿料參數(shù)：P.C 42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，水灰比為0.8∶1。根據(jù)現(xiàn)場試驗最終選取注漿方案：注漿錨索打設(shè)期間不使用錨固劑，注漿材料為注純水泥漿，最終錨索錨固力可達到30 MPa，錨索最大預(yù)緊力達到50 MPa，施工合格率為90%以上。

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果，3900 工作面頂板以上16 m 范圍內(nèi)圍巖整體堅硬完好，無明顯巖性變化；巷道440 m以里沿空側(cè)3.6 m全煤，3.6 m后見巖，圍巖整體較好；巷道440 m 以外沿空側(cè)2.5 m 全煤，2.5 m 后見巖，圍巖整體較破碎。工作面沿空巷道圍巖酥軟、破碎，易引起支護物失效。

（2）對圍巖松軟破碎的沿空巷道采用超前段補打錨索梁進行加強支護，錨索規(guī)格為φ21.6 mm×7 200 mm，補強錨索預(yù)緊力不小于300 kN。

（3）根據(jù)現(xiàn)場試驗，注漿錨索規(guī)格為φ21.6 mm×4 250 mm，注漿料為P.C 42.5 復(fù)合硅酸鹽水泥，水灰比為0.8∶1，注漿錨索打設(shè)期間不使用錨固劑，注漿料為注純水泥漿，最終錨索錨固力可達到30 MPa。