塔然高勒煤礦總回風(fēng)大巷矩形斷面支護(hù)技術(shù)探析

文/邊天亮

神華杭錦能源塔然高勒煤礦建設(shè)規(guī)模1000Mt/a，主采3-1煤層埋藏深度約600m，是目前我國(guó)西部煤炭開(kāi)采史上最深井田。礦井采用立井開(kāi)拓，井筒鉆井接近主采煤層地段穿越均為破碎不穩(wěn)定地層，巖石自然狀態(tài)下平均抗壓強(qiáng)度14.5MPa，部分抗壓強(qiáng)度僅為0.6MPa，巖石孔隙率較大，為0.76～30.65%，含水率為 0.81～13.65%，吸水率為 0.70～10.35%，軟化系數(shù)0.05～0.51。從井筒鑿井穿過(guò)煤層上下巖層來(lái)看，巖體抗壓強(qiáng)度很小，呈泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)疏松，遇水后易崩解破壞，顯軟巖特征。因此，井巷治理與維護(hù)成為礦井建設(shè)過(guò)程中須重點(diǎn)攻克的技術(shù)難題。本文以塔然高勒煤礦總回風(fēng)大巷為例，在分析最初采用拱形斷面存在弊端的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)展鉆孔窺視和錨索錨固力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為大巷支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。目前，塔然高勒煤礦總回風(fēng)大巷已經(jīng)貫通900m，大巷從掘進(jìn)至今始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，滿足了礦井安全生產(chǎn)的需要，為礦井硐室、大巷及順槽支護(hù)提供了有效的技術(shù)支撐。

一、拱形斷面存在的問(wèn)題

塔然高勒煤礦礦井西翼總回風(fēng)大巷原采用拱形斷面，掘進(jìn)初期發(fā)現(xiàn)存在諸多弊端，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.拱部圍巖較為松軟破碎，爆破后拱部圍巖易出現(xiàn)冒落和掉頂，冒落深度達(dá)500mm以上，大巷難以成型。

2.兩個(gè)拱肩圍巖縱向裂隙發(fā)育，爆破后，拱肩位置圍巖易出現(xiàn)踏腔，給錨桿支護(hù)作業(yè)帶來(lái)較大困難，且巷道成巷類(lèi)似矩形斷面。

3.炮掘工程量大，成巷速度慢，限制了井巷工程完工期限。

依據(jù)西翼總回風(fēng)大巷初期揭露的3-1煤層圍巖穩(wěn)定狀況來(lái)看，煤層直接頂厚度約為1.8m左右，綜掘機(jī)掘進(jìn)后頂板平整，有利于錨桿施工作業(yè)。為此，塔然高勒煤礦將原來(lái)的拱形斷面調(diào)整為矩形斷面，按照矩形斷面尺寸要求，及時(shí)提出了大巷設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

二、開(kāi)展鉆孔窺視和錨索錨固力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.煤層頂板結(jié)構(gòu)觀察

采用KDBC-56型數(shù)字全景鉆孔窺視儀觀察頂板圍巖結(jié)構(gòu)面的發(fā)育狀況，該儀器對(duì)裂縫分辨率為0.1mm，角度分辨率為0.1°，可提供鉆孔360°平面展開(kāi)圖像，及虛擬鉆孔巖芯圖。采用合金鋼鉆頭鉆孔，深度大約7.0m，鉆孔后鉆頭磨損嚴(yán)重，表明頂板巖層較堅(jiān)硬。

2.錨索錨固力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

錨索可錨性試驗(yàn)分三組，選用1支Z2360中速樹(shù)脂錨固劑，錨索錨固段位置見(jiàn)下圖。

結(jié)論如下：

(1)對(duì)于7m長(zhǎng)度錨索，錨索實(shí)際深入頂板的深度為6.1m，錨固段長(zhǎng)度為700mm，結(jié)合鉆孔窺視結(jié)果，700mm的錨固長(zhǎng)度全部在礫巖層中。當(dāng)張拉油泵壓力達(dá)到28MPa時(shí)，錨索錨固段被破壞，錨索發(fā)生了松動(dòng)，可錨性試驗(yàn)完成，所用千斤頂?shù)挠透壮休d面積為5.89cm2，得到錨索在礫巖層中的錨固力為164.92kN。

(2)對(duì)于5.5m長(zhǎng)度錨索，井下得到兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，第一組錨索的外露長(zhǎng)度為0.8m，深入巖層中的長(zhǎng)度為4.7m，錨固段長(zhǎng)度為700mm，結(jié)合鉆孔窺視結(jié)果，700mm的錨固段有0.5m在礫巖層中，有0.2m在泥巖中。當(dāng)張拉油泵壓力達(dá)到30MPa時(shí)，錨索錨固段被破壞，錨索發(fā)生了松動(dòng)，可錨性試驗(yàn)完成，所用千斤頂?shù)挠透壮休d面積為5.89cm2，得到錨索在礫巖層和泥巖層中的錨固力為176.92kN。第二組錨索的外露長(zhǎng)度為0.5m，深入巖層中的長(zhǎng)度為5.0m，錨固段長(zhǎng)度為700mm，結(jié)合鉆孔窺視結(jié)果，700mm的錨固段全部在礫巖層中。當(dāng)張拉油泵壓力達(dá)到32MPa時(shí)，錨索錨固段被破壞，錨索發(fā)生了松動(dòng)，可錨性試驗(yàn)完成，所用千斤頂?shù)挠透壮休d面積為5.89cm2，得到錨索在礫巖層和泥巖層中的錨固力為188.48kN。

(3)對(duì)于4.3m長(zhǎng)度錨索，現(xiàn)場(chǎng)得到一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，錨索的外露長(zhǎng)度為0.35m，深入巖層中的長(zhǎng)度為4.0m，錨固段長(zhǎng)度700mm，結(jié)合鉆孔窺視結(jié)果，700mm的錨固段有0.2m在泥巖層中，有0.5m在2-2煤層中。當(dāng)張拉油泵壓力達(dá)到22MPa時(shí)，錨索錨固段被破壞，錨索發(fā)生了松動(dòng)，可錨性試驗(yàn)完成，所用千斤頂?shù)挠透壮休d面積為5.89cm2，得到錨索在泥巖和煤層中的錨固力為129.58N。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，西翼回風(fēng)大巷3-1煤層圍巖變化較大，頂板距離礫巖層大約在4.5m左右，考慮到礫巖層鉆進(jìn)難度大，鉆孔耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，以及錨索合理有效長(zhǎng)度范圍(4.0~6.0m)等綜合因素，為了保證錨索有足夠的錨固力，提出西翼回風(fēng)大巷錨索長(zhǎng)度確定為5.3m，保證0.5m長(zhǎng)度錨固到礫巖層中，超過(guò)70%的錨固長(zhǎng)度在巖層中，確保了錨索的錨固力，也提高了鉆孔的進(jìn)度和錨索的安裝速度及效果。

三、總回風(fēng)大巷支護(hù)方案

結(jié)合鉆孔窺視和錨索錨固力試驗(yàn)成果，并依據(jù)實(shí)際圍巖條件，塔然高勒煤礦設(shè)計(jì)回風(fēng)大巷矩形斷面尺寸為寬×高=5400×4000mm，采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)。具體支護(hù)方案如下：

1.頂板布置6根屈服強(qiáng)度500MPa、 型號(hào) φ22-M24-2400的高強(qiáng)錨桿，間排距1000×900mm，配套承載力不低于250kN、規(guī)格為150×150×12mm 的拱形托板，采用1支K2335和1支Z2360樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固；設(shè)計(jì)錨桿初始預(yù)緊力矩為400N.m，錨桿錨固力至少190kN以上，輔助型號(hào)W4-280-5200的W鋼帶及φ6.5的鋼筋網(wǎng)護(hù)頂；頂板布置3根φ22-1φ19-5300強(qiáng)力錨索，間排距1500×1800mm，配套規(guī)格為 300×300×16mm拱型大托板，采用1支K2335和2支Z2360樹(shù)脂錨固劑，設(shè)計(jì)錨索預(yù)緊力大于250kN。

2.兩幫各布置4根與頂板規(guī)格與配套附件完全相同的高強(qiáng)錨桿，間排距 1000×900mm，輔助W4-280-450鋼護(hù)板及φ6.5的鋼筋網(wǎng)護(hù)幫，技術(shù)參數(shù)與頂板錨桿要求相同。掘出后及時(shí)初噴30～50mm厚度的混凝土封閉圍巖，最后復(fù)噴150～170mm厚度的混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)噴層厚度。

四、支護(hù)效果分析

塔然高勒煤礦在支護(hù)方案投入井下試驗(yàn)期間，開(kāi)展了礦壓監(jiān)測(cè)工作，對(duì)錨桿(索)受力及頂板離層進(jìn)行系統(tǒng)觀察，以評(píng)價(jià)大巷支護(hù)效果。根據(jù)日常監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，給出了錨桿錨索受力變化特征曲線，見(jiàn)下圖。

根據(jù)此曲線來(lái)評(píng)價(jià)大巷支護(hù)效果，結(jié)論如下：

1.頂板三根錨桿受力呈現(xiàn)相似的變化特征，初始施加預(yù)應(yīng)力后，隨著時(shí)間變化錨桿的受力呈現(xiàn)平穩(wěn)發(fā)展趨勢(shì)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯增大的特征，一直保持了穩(wěn)定狀態(tài)。

2.兩幫錨桿受力顯示相似的變化特征，施加初始預(yù)應(yīng)力后，隨著時(shí)間推移，錨桿受力大小保持了平穩(wěn)發(fā)展態(tài)勢(shì)，也沒(méi)有出現(xiàn)反復(fù)變化的特點(diǎn)，一直維持了穩(wěn)定狀態(tài)。

3.錨索保持了較高預(yù)應(yīng)力水平，隨著掘進(jìn)工作面的向前推進(jìn)，錨索受力維持了穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的波動(dòng)特征。

4.錨桿錨索初始施加較高預(yù)應(yīng)力，大巷圍巖得到及時(shí)控制，圍巖長(zhǎng)時(shí)間保持了穩(wěn)定，錨桿錨索的受力大小基本維持在初始應(yīng)力狀態(tài)，顯現(xiàn)出良好的受力特征。

5.頂板離層指示儀安裝后，隨著掘進(jìn)工作面向前推進(jìn)，深淺部離層始終為0mm，說(shuō)明采用的支護(hù)設(shè)計(jì)有效地控制了深淺部圍巖的離層，保持了大巷頂板的穩(wěn)定。