煤巷掘進(jìn)巷幫變形破壞特征及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)研究

史曉亮

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 正新煤焦有限公司，山西 沁源 046500)

隨著煤炭開采強(qiáng)度以及采掘深度不斷增加，回采巷道掘進(jìn)期間頻繁出現(xiàn)圍巖變形、支護(hù)體系破壞甚至失效等問題，給巷道正常使用帶來影響[1-3]。同時為減少井下矸石產(chǎn)量、增加煤炭生產(chǎn)效益，在滿足條件時礦井普遍間巷道布置在煤層中，當(dāng)煤體內(nèi)含有夾矸或者軟煤時會形成軟弱結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致支護(hù)用的錨桿(索)脫錨、巷幫變形量大等問題[4-5]。依據(jù)回采巷道掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)圍巖、地應(yīng)力等分布特征等對巷道圍巖變形破壞情況進(jìn)行分析，并針對性提出圍巖變形控制技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形有效控制、提高巷道使用效率等方面均有顯著的促進(jìn)意義[6]。文中就結(jié)合以往研究成果[7-8]，并以山西某礦11307回采工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)為工程背景，采用現(xiàn)場實(shí)測方法分析巷道圍巖變形特征并依據(jù)現(xiàn)場條件針對性提出巷道補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了巷道巷幫變形有效控制。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

11307回采工作面位于東翼采區(qū)，采面東側(cè)為已回采結(jié)束接近3 a的11305采空區(qū)(采空區(qū)壓實(shí)程度高)，西側(cè)為圈定的11309工作面回采范圍，南側(cè)為采區(qū)邊界，北側(cè)為采區(qū)集中巷道，采面設(shè)計面長為220 m、推進(jìn)長度為2 590 m.11307回采工作面設(shè)計回采13號煤層，開采范圍內(nèi)煤層埋深均值為590～620 m，煤層厚度均值為8.52 m、傾角2～10°，煤層硬度0.8～1.6，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中部夾雜有炭質(zhì)泥巖矸石。13號煤層直接頂、基本頂分別為細(xì)砂巖、粉砂巖，直接底及基本底分別為粉砂巖、中細(xì)砂巖，具體煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 13號煤層頂?shù)装鍘r性特征

1.2 巷道支護(hù)參數(shù)

11307運(yùn)輸巷沿著13號煤層底板采用綜掘方式掘進(jìn)，巷道與鄰近的11305采空區(qū)間留設(shè)有8 m寬護(hù)幫煤柱，巷道設(shè)計斷面為梯形，巷道上凈寬、下凈寬分別為4.8 m、5.4 m，巷凈高在3.6～3.8 m.受到13號煤層內(nèi)炭質(zhì)泥巖夾矸影響，運(yùn)輸巷巷幫變形明顯、巷幫變形控制難度較大。11307運(yùn)輸巷設(shè)計采用錨網(wǎng)索支護(hù)，具體支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 原支護(hù)斷面圖(mm)

頂板用7根規(guī)格D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿支護(hù)，間排距為750 mm×900 mm；巷幫用5根規(guī)格D20 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿支護(hù)，間排距為800 mm×900 mm.在頂板布置4根規(guī)格D22 mm×5 000 mm錨索，錨索用鋼帶連接。頂板及巷幫均鋪設(shè)用D8 mm鍍鋅鐵絲編制而成的金屬網(wǎng)。

2 運(yùn)輸巷巷幫變形特征

11307運(yùn)輸巷在原有支護(hù)方案下巷幫變形情況如圖2所示，巷道巷幫變形量整體偏大，在煤層夾矸層下方煤體向巷道內(nèi)有滑移錯動跡象，巷幫鋪設(shè)的金屬網(wǎng)有網(wǎng)兜現(xiàn)象，部分支護(hù)用的錨桿有破壞、失效情況。

圖2 巷幫變形情況

在11307運(yùn)輸巷距巷道底板1.2 m位置向煤幫施工窺視鉆孔、孔深為4 m，并用CXK12(A)鉆孔成像儀擴(kuò)散巷幫內(nèi)裂隙發(fā)育以及內(nèi)部損傷情況，具體窺視結(jié)果如圖3所示。從窺視結(jié)果看出，距離巷幫3 m以內(nèi)的窺視鉆孔孔壁裂隙發(fā)育、孔壁破碎且粗糙，達(dá)到4 m后孔壁裂隙不發(fā)育且較為平滑。距離巷幫3 m內(nèi)的煤體裂隙擴(kuò)展、承載能力較差，巷幫破碎范圍明顯超過巷幫錨桿(D20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿)控制范圍，導(dǎo)致錨桿錨固段失效，支護(hù)用的錨桿難以有效控制巷幫變形。為提高錨桿巷幫變形控制效果，需采用注漿加固措施為錨桿提供可靠、穩(wěn)定的錨固點(diǎn)，或者用錨索控制淺部煤體變形。結(jié)合圖片信息，在圖片上勾勒出特征發(fā)育，與文字描述保持對應(yīng)關(guān)系。

圖3 鉆孔窺視成果圖

3 巷道補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)

3.1 補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)參數(shù)

結(jié)合11307運(yùn)輸巷圍巖變形特征以及現(xiàn)場地質(zhì)條件，提出通過在巷幫上增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)錨索、注漿錨桿方式控制巷幫變形。具體確定的補(bǔ)強(qiáng)加固方案如圖4所示。

圖4 巷幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面圖(mm)

在運(yùn)輸巷實(shí)體煤幫采用高強(qiáng)錨索+注漿錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。使用的高強(qiáng)錨索規(guī)格為D22 mm×7 500 mm，按照1 800 mm排距、1 200 mm間距布置；第根錨索距巷道頂板800 mm、有45°仰角，第2根錨索距離頂板1 800 mm、水平布置。采用的注漿錨桿長度為3 000 mm，按照1 800 mm排距、1 500 mm間距布置，每排布置2根；第1根注漿錨桿距頂板1 000 mm、有45°仰角，第2根注漿錨桿距頂板2 000 mm、水平布置。

在煤柱幫采用注漿錨索+注漿錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。注漿錨索規(guī)格為D22 mm×7 500 mm，按照1 800 mm排距、1 200 mm間距布置，每排布置2根；第1根注漿錨索距巷道頂板800 mm、有45°仰角，第2根注漿錨索距離頂板1 800 mm、水平布置。采用的注漿錨桿長度為3 000 mm，按照1 800 mm排距、1 500 mm間距布置，每排布置3根；第1根注漿錨桿距頂板1 000 mm、有45°仰角，第2根注漿錨桿距頂板2 000 mm、水平布置，第3根注漿錨桿距頂板2 800 mm、水平布置。

在巷幫均布置有長1 800 mm、寬240 mm鋼帶以及長2 300 mm、寬240 m膠帶，通過鋼帶以及膠帶提高錨桿、錨索對巷幫有效支護(hù)面積。采用型號JQHS-1200型扭矩放大器增加錨索預(yù)緊力，將錨索預(yù)緊力由120 N·m增至300 N·m，提高錨索支護(hù)支護(hù)能力。注漿錨索及注漿錨桿注漿均采用水泥單液漿。

3.2 巷道支護(hù)效果

對運(yùn)輸巷距離切眼300～2 350 m范圍內(nèi)巷幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，對運(yùn)輸巷圍巖變形情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，結(jié)果表明：巷道掘進(jìn)期間頂?shù)装遄冃瘟糠謩e為32 mm、41 mm，實(shí)體煤幫及煤柱幫變形量分別為36 mm、78 mm；在采面回采期間，巷道頂?shù)装遄冃瘟糠謩e為80 mm、183 mm，實(shí)體煤幫及煤柱幫變形量分別為191 mm、190 mm.運(yùn)輸巷圍巖變形量監(jiān)測結(jié)果表明，采用巷幫補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)方案后，有效解決了煤體含矸導(dǎo)致的煤幫變形量大問題，巷道圍巖變形得以較好控制，為采面煤炭回采創(chuàng)造良好條件。具體補(bǔ)強(qiáng)加固后巷道斷面情況如圖5所示。

圖5 補(bǔ)強(qiáng)加固后巷道斷面

4 結(jié) 語

11307運(yùn)輸巷在掘進(jìn)及使用期間面臨巷幫變形量問題，依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件以及鉆孔窺視技術(shù)分析巷幫變形量大原因，發(fā)現(xiàn)13號含有硬度較低的炭質(zhì)泥巖夾矸、采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力以及巷幫裂隙發(fā)育、原有支護(hù)體系中錨桿錨固端不穩(wěn)等是導(dǎo)致巷幫變形量大、支護(hù)效果不佳的主要問題。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件提出通過以錨索(注漿錨索)+注漿錨桿為核心得補(bǔ)強(qiáng)方式控制巷幫變形?，F(xiàn)場應(yīng)用取得主要成果：

1) 鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)巷幫淺部煤體(距巷幫3 m以內(nèi)范圍)煤體裂隙破碎、裂隙發(fā)育，深部煤體(距巷幫超過4 m以外范圍)煤體較為完整，原支護(hù)用的D20 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿錨固端處于煤體破碎帶范圍內(nèi)，錨桿圍巖支護(hù)效果明顯弱化；

2) 提高巷幫煤體強(qiáng)度并充分發(fā)揮支護(hù)體系圍巖控制效果，是實(shí)現(xiàn)巷幫變形的主要技術(shù)方法，為此在巷幫采用高預(yù)緊力錨索+錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。針對實(shí)體煤巷裂隙不發(fā)育問題，采用補(bǔ)強(qiáng)錨索+注漿錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；而煤柱幫受采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力影響顯著，裂隙更為擴(kuò)展且變形量更大，為此采用注漿錨索+注漿錨桿補(bǔ)強(qiáng)。同時在巷幫增設(shè)鋼帶以及膠帶提高護(hù)表能力，避免錨桿(索)尾部失效。

現(xiàn)場應(yīng)用后，11307運(yùn)輸巷巷幫變形量較大問題得以較好解決，在巷道掘進(jìn)以及采面回采期間，巷幫變形量均在允許范圍內(nèi)，為采面煤炭高效回采創(chuàng)造了良好條件。