陽泉礦區(qū)復(fù)雜困難巷道支護技術(shù)研究及工程應(yīng)用

付書俊 何 杰 范軍平 程 蓬

(1. 陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，山西省陽泉市，045000；2. 天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013)

近幾年，煤礦巷道錨桿支護技術(shù)發(fā)展迅速，取得了豐碩的研究成果。以康紅普院士為首的巷道礦壓與支護研究所團隊經(jīng)過多年研究，提出巷道圍巖錨固與注漿加固成套技術(shù)，包括：巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試、錨桿支護設(shè)計、破碎巷道圍巖加固技術(shù)、支護材料、施工機具與工藝、支護質(zhì)量檢測、礦壓監(jiān)測等，通過成套化和精細化研究，深化了對錨桿支護作用機理的認識，解決了大量煤礦復(fù)雜困難巷道支護難題，提高了我國煤巷錨桿支護整體水平。

陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司(以下簡稱“陽煤集團”)是山西省屬五大煤炭集團之一，2016年陽煤集團累計完成巷道掘進進尺37萬m，其中錨桿支護巷道比例達到95%以上。陽煤集團從1986年開始推廣巷道錨桿支護技術(shù)，經(jīng)過多年的實踐與摸索，取得了寶貴的實踐經(jīng)驗和支護效果，但是隨著煤炭產(chǎn)量的增加，開采深度和強度不斷增大，特別是15#煤層厚度大、煤質(zhì)軟、復(fù)雜困難巷道比例逐年遞增，導(dǎo)致陽煤集團采掘銜接的矛盾突出，巷道支護難度大、成本高、返修率高，對礦井建設(shè)與安全生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響。為此，通過與煤科總院開采設(shè)計研究院合作試驗及推廣煤巷錨桿支護成套技術(shù)，經(jīng)過一年多的研究和實踐，逐步在陽泉礦區(qū)15#煤層不同類型的復(fù)雜困難巷道中推廣和應(yīng)用，取得了較好的支護效果。

1 陽泉礦區(qū)15#煤層巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試

為弄清陽泉礦區(qū)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，掌握地應(yīng)力場分布特征，為礦井開拓、巷道布置及采場與巷道圍巖控制提供基礎(chǔ)參數(shù)，采用單孔、多參數(shù)、耦合地質(zhì)力學(xué)原位快速測試裝備，對陽泉礦區(qū)地應(yīng)力、圍巖強度和圍巖結(jié)構(gòu)進行了大規(guī)模的測量和分析，累計在陽煤集團一礦、二礦、新景、新元、五礦、寺家莊等6對主力礦井15#煤層完成17個測站巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試，每個測站測試內(nèi)容包括：地應(yīng)力、圍巖強度和圍巖結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，為錨桿支護設(shè)計提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1 地應(yīng)力測試

由于埋藏深度不同及地質(zhì)構(gòu)造原因，陽泉礦區(qū)

內(nèi)各礦地應(yīng)力場差別較大，按照3個主應(yīng)力的大小排列，可分為兩種類型：σv>σH>σh，自重應(yīng)力主導(dǎo)，有1個測站，占總數(shù)的5.9%；σH>σv>σh，構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)，有16個測站，占總數(shù)的94.1%。地應(yīng)力測試結(jié)果如圖1所示，由圖1可以看出，陽泉礦區(qū)煤層埋深較大，測點深度在377～631 m范圍內(nèi)，整體來看，最大水平應(yīng)力顯著大于垂直應(yīng)力，原巖應(yīng)力總體上以構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)，應(yīng)力場類型呈現(xiàn)出構(gòu)造應(yīng)力場的特征，說明了陽泉地區(qū)受煤層受地質(zhì)構(gòu)造影響十分強烈，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力對應(yīng)力場起絕對主導(dǎo)作用。

圖1 陽泉礦區(qū)地應(yīng)力隨深度變化散點圖

1.2 圍巖強度測試

采用WQCZ-56型小孔徑井下巷道圍巖強度測定裝置，對陽泉礦區(qū)不同煤礦不同巖層巷道頂板強度進行測試，主要測試在巷道頂板、兩幫圍巖10 m范圍內(nèi)的煤巖體強度，部分測試結(jié)果見表1。

表1 陽泉礦區(qū)不同煤層頂板強度測試結(jié)果

通過測試結(jié)果可知，陽泉礦區(qū)不同礦井、不同煤層頂板圍巖和煤體的巖性、強度和厚度差異性很大，巷道支護類型多、難度大，巷道支護設(shè)計必須進行差異化考慮，才能滿足不同條件下支護需要。

1.3 圍巖結(jié)構(gòu)觀測

采用數(shù)字高清式全景窺視儀對陽泉礦區(qū)不同煤層頂板結(jié)構(gòu)進行窺視，新景礦15#煤層頂板圍巖結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，測試地點巷道頂板上方0～2.81 m為15#頂煤，黑色，煤層松軟，破碎，裂隙發(fā)育。2.81～3.87 m為炭質(zhì)泥巖與薄煤層互層，巖層呈深灰色，裂隙發(fā)育，巖層完整性差，橫向裂隙發(fā)育。3.87～6.54 m為石灰?guī)r，巖層呈深黑色，具有裂隙，含有白色的方解石脈。6.54～8.01 m為泥巖，黑色，巖層完整。8.01 m以上范圍為石灰?guī)r。

2 陽泉礦區(qū)錨桿支護材料更新與優(yōu)化

錨桿支護材料包括桿體、托板、螺母、錨固劑、組合構(gòu)件、金屬網(wǎng)、錨索等。支護材料在錨桿支護技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用。性能優(yōu)越的支護材料是充分發(fā)揮錨桿支護效果與保證巷道安全程度的必要前提。針對陽泉礦區(qū)煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場支護材料現(xiàn)狀，陽泉礦區(qū)對錨桿支護材料進行改進和更新，錨桿支護材料從低強度、低剛度逐步過渡到高強度、高剛度與高可靠性的發(fā)展過程，逐漸形成支護材料的系統(tǒng)化和標(biāo)準化。錨桿桿體從圓鋼、右旋全螺紋錨桿，發(fā)展為高強左旋無縱筋螺紋鋼，錨桿強度達到500#及以上。逐步淘汰原有性能較差的錨桿支護構(gòu)件，大面積推廣使用高強度拱形可調(diào)心錨桿錨索托板。針對陽泉礦區(qū)頂板圍巖條件復(fù)雜，淘汰原有平托板、鑄鋼及槽鋼等錨索托板，開發(fā)出高強度拱形錨索托板和異形W型錨索托板，解決了復(fù)雜困難支護材料構(gòu)件不匹配的問題，取得了較好的支護效果。

3 陽泉礦區(qū)15#煤層巷道不同布置方式對比研究

陽泉礦區(qū)15#煤層平均厚度超過5.5 m，煤層厚度大，節(jié)理裂隙發(fā)育，煤質(zhì)松軟。針對15#煤層特殊的地質(zhì)條件，選擇合理的巷道掘進方式成為影響巷道掘進和工作面回采的關(guān)鍵問題。通過對不同巷道掘進方式進行綜合性的理論性分析，并結(jié)合數(shù)值計算軟件，對比分析陽泉礦區(qū)15#煤層巷道沿煤層頂板和沿煤層底板掘進兩種不同條件下巷道圍巖應(yīng)力及圍巖破壞分布特征，如圖3和圖4所示。

圖3 不同巷道掘進方式圍巖垂直應(yīng)力分布狀態(tài)

由圖3可知，巷道沿15#煤層頂板掘進時，巷道圍巖垂直應(yīng)力集中區(qū)主要分布于巷道頂板的兩個角。這主要是由于石灰?guī)r頂板強度很高，遠超過巷道兩幫和底板，在巷道頂板產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域。當(dāng)巷道沿15#煤層底板掘進時恰好相反，此時巷道圍巖垂直應(yīng)力集中區(qū)主要分布于巷道底板的兩個角。這主要是由于改變巷道掘進方式之后，頂板由石灰?guī)r變成頂煤，由于煤體的強度較低，在地應(yīng)力的作用下，頂板圍巖易產(chǎn)生變形和移近，導(dǎo)致應(yīng)力集中效應(yīng)不顯著，而此時由于巷道底板是砂巖，其強度較高，遠超過巷幫煤體強度，在巷道底板產(chǎn)生明顯應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖4 不同巷道掘進方式圍巖塑性破壞區(qū)分布狀態(tài)

由圖4可知，巷道沿15#煤層頂板掘進時，巷道圍巖變形破壞范圍較小，僅僅在局部區(qū)域發(fā)生圍巖的塑性破壞，巷道穩(wěn)定性較好。相比較之下，巷道沿15#煤層底板掘進時，巷道變形破壞范圍有所增大，主要變形為巷道頂板和底板破壞區(qū)域和范圍均有所加大，巷道支護難度較大，應(yīng)該對巷道支護設(shè)計進行深入分析，研究合理的巷道支護方式，以保證巷道的安全穩(wěn)定。

4 陽泉礦區(qū)復(fù)雜困難巷道支護技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

在陽泉礦區(qū)巷道地質(zhì)力學(xué)測試的基礎(chǔ)上，通過強力支護材料研發(fā)與標(biāo)準化，巷道施工機具與工藝升級優(yōu)化，加強巷道施工質(zhì)量檢測與監(jiān)督，并進行全面的巷道礦壓數(shù)據(jù)監(jiān)測，目前已在陽泉礦區(qū)15#煤層不同礦井、不同類型巷道開展了多條復(fù)雜困難巷道井下試驗，通過示范巷道工程形成示范效果，進行了推廣應(yīng)用。

4.1 新景礦15#煤層厚煤層托頂煤巷道支護技術(shù)

4.1.1 巷道地質(zhì)條件

15028工作面進風(fēng)巷位于新景礦15#煤一采區(qū)，15#煤層平均厚度為6.6 m，巷道沿15#煤層底板布置，頂板由煤、石灰?guī)r和泥巖組成。15#煤層強度17 MPa，煤層松軟，破碎，裂隙發(fā)育，石灰?guī)r厚度2.6 m，強度為111.9 MPa，泥巖厚度1.6 m，強度34.5 MPa。巷道埋深550～620 m，斷面為矩形，寬度5.2 m，高度3.1 m。巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試數(shù)據(jù)顯示，15028工作面進風(fēng)巷最大水平主應(yīng)力16.95 MPa，最小水平主應(yīng)力8.69 MPa，最大水平主應(yīng)力方向北偏東80.8°，垂直主應(yīng)力15.03 MPa。

4.1.2 支護參數(shù)設(shè)計

采用工程類比、數(shù)值模擬多方案對比，確定15028進風(fēng)巷采用樹脂加長高預(yù)應(yīng)力錨固支護。頂、幫錨桿均采用直徑20 mm、長度2.4 m、鋼號500#的螺紋鋼錨桿。錨索采用直徑17.8 mm，長度6.2 m的帶箍錨索。采用W型鋼帶與經(jīng)緯網(wǎng)護表護頂，頂錨桿間排距0.9 m×0.95 m。采用W型護板與菱形金屬網(wǎng)護幫，間距1.1 m。錨桿預(yù)緊力矩設(shè)計400 N·m，錨索預(yù)緊力為250 kN。15028進風(fēng)巷錨桿錨索支護布置如圖5所示。

圖5 15028工作面進風(fēng)巷巷道支護布置圖

4.1.3 井下監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)優(yōu)化后巷道支護設(shè)計進行井下施工后，巷道支護效果明顯改善，巷道基本沒有發(fā)生離層和破壞，W型鋼帶和W型鋼護板緊貼煤壁，巷道圍巖完整，穩(wěn)定性較好，沒有出現(xiàn)錨桿和錨索破斷現(xiàn)象。礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示，采用新方案后錨桿錨索受力十分穩(wěn)定，巷道頂?shù)装遄冃瘟績H為61 mm，兩幫變形量為34 mm，相比較原方案巷道變形量降低70%，支護成本降低30%，巷道掘進效率也明顯提高，巷道支護最終效果如圖7所示，取得較好的支護效果，礦方在后續(xù)類似條件的巷道進行了推廣和應(yīng)用。

圖6 巷道表面位移觀測曲線

4.2 寺家莊礦強烈動壓影響巷道支護技術(shù)

4.2.1 巷道地質(zhì)條件

15106工作面位于寺家莊礦15#煤層中央盤區(qū)，15106工作面西部為15104工作面采空區(qū)，15104工作面于2011年5月回采結(jié)束，15106進風(fēng)巷與15104工作面采空區(qū)煤柱尺寸僅7 m。15106工作面進風(fēng)巷沿15#煤層頂板掘進，巷道頂板有砂質(zhì)泥巖和細砂巖組成。15#煤層平均厚度5.35 m，平均傾角6.5°，上部煤層厚度在0.5～0.8 m范圍內(nèi)，煤質(zhì)松軟，強度偏低，下部煤層煤質(zhì)偏硬，強度相對較高。15106工作面平均埋深492 m。15106進風(fēng)巷巷道斷面為矩形，掘進寬度5.4 m，掘進高度4.5 m。巷道掘進期間兩幫變形大，特別是小煤柱幫變形嚴重，礦方后期采用巷道表層噴漿封閉、化學(xué)漿液加固、打木點柱等多種方式進行巷幫加固。巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試數(shù)據(jù)顯示，15106工作面最大水平主應(yīng)力14.20 MPa，最小水平主應(yīng)力7.27 MPa，垂直主應(yīng)力9.44 MPa，最大水平主應(yīng)力方向為北偏西48°。

4.2.2 支護參數(shù)設(shè)計

經(jīng)過數(shù)值模擬多方案對比，結(jié)合已有巷道變形支護狀況，確定15106進風(fēng)巷支護形式為：高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索組合支護。頂板采用W型鋼帶和異形W型錨索托板進行護表，頂板布置5根錨索，排距1250 mm，間距900 mm。頂錨索規(guī)格為1×19股，直徑21.8 mm，長度6.3 m。巷幫采用錨桿和錨索進行聯(lián)合支護，每排布置3根錨索和2根錨桿，間距900 mm。幫錨索直徑17.8 mm，長度4.2 m，幫錨桿強度500#，直徑20 mm，長度2.2 m。頂錨索預(yù)緊力為300 kN，幫錨索預(yù)緊力為180 kN，幫錨桿預(yù)緊力矩400N·m。錨桿支護布置如圖8所示。

圖8 寺家莊礦15106工作面進風(fēng)巷巷道支護布置圖

4.2.3 井下監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在小煤柱巷道掘進后，進行礦壓監(jiān)測，全斷面錨索錨桿支護巷道表面位移曲線如圖9所示。由圖9可知，頂板下沉量為53 mm，兩幫位移量為132 mm，其中小煤柱幫達到96 mm，占兩幫變形量的72.2%，相對原巷道兩幫變形400 mm以上，兩幫變形降低顯著。高預(yù)應(yīng)力、強力錨桿與錨索支護有效地控制了小煤柱巷道的強烈變形，滿足了生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

(1)陽泉礦區(qū)開采煤層多，賦存深度大，巷道圍巖變形強烈，特別是15#煤層厚度大，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，開采強度大，巷道動壓影響顯著，支護難度高，是陽泉礦區(qū)巷道支護的重點和難點。

(2)通過對陽泉礦區(qū)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試、高預(yù)應(yīng)力巷道支護材料優(yōu)化、高性能的施工機具和工藝、巷道工程質(zhì)量檢測與礦壓監(jiān)測等方面的系統(tǒng)優(yōu)化，提升了陽泉礦區(qū)巷道支護整體水平。

圖9 寺家莊礦15106工作面進風(fēng)巷巷道表面位移監(jiān)測曲線

(3)數(shù)值模擬表明，15#煤層沿頂板和底板布置時，巷道圍巖應(yīng)力和塑性變形情況差異較大，需根據(jù)巷道布置方式和巷道類型進行差異化設(shè)計。

(4)采用高預(yù)應(yīng)力、強力錨桿支護技術(shù)成功應(yīng)用于陽泉礦區(qū)15#煤層不同類型復(fù)雜困難巷道，巷道圍巖變形得到有效控制，取得理想的支護效果。

[1] 康紅普，王金華. 煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù)[M]．北京:煤炭工業(yè)出版社，2007

[2] 吳擁政，康紅普. 強力錨桿桿體尾部破斷機理研究[J]. 煤炭學(xué)報,2013(9)

[3] 王金華. 我國煤巷錨桿支護技術(shù)的新發(fā)展[J]．煤炭學(xué)報，2007(2)

[4] 康紅普，王金華，林健.高預(yù)應(yīng)力強力支護系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用[J]．煤炭學(xué)報，2007(12)

[5] 康紅普，王金華，林健. 煤礦巷道錨桿支護應(yīng)用實例分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010(4)

[6] 程蓬，康紅普，鞠文君. 錨桿桿尾螺紋力學(xué)性能的實驗研究[J]．煤炭學(xué)報，2013(11)

[7] 王強，吳擁政.煤礦井下錨桿預(yù)緊力控制研究[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2011(1)

[8] 康紅普，王金華，吳擁政等. 錨桿構(gòu)件力學(xué)性能及匹配性[J]. 煤炭學(xué)報，2015(1)

[9] 林健，孫志勇. 錨桿支護金屬網(wǎng)力學(xué)性能與支護效果實驗室研究[J]. 煤炭學(xué)報，2013(9)

[10] 康紅普，吳建星. 錨桿托板的力學(xué)性能與支護效果分析[J]. 煤炭學(xué)報，2012(1)

[11] 吳擁政. 強動壓下回采巷道高預(yù)緊力強力錨桿支護技術(shù)研究[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2010(3)