掘進巷道圍巖變形特征及支護方案優(yōu)化研究

陶盼

【摘 要】 本文結(jié)合山西某礦3615綜放工作面主采的3#煤層的賦存頂?shù)装鍘r層條件，分析了該工作面掘進巷道圍巖變形特征，并針對巷道圍巖所表現(xiàn)出來的不同特征，優(yōu)化了掘進巷道的支護方案，得到巷道頂板風(fēng)化潮解、薄基巖頂板破碎、軟弱夾矸擠出和巷道底板嚴(yán)重底鼓的四種特征，并針對巷道圍巖表現(xiàn)出的不同特征提出采用掘進巷道表面噴漿、增加巷道錨支護密度、巷道內(nèi)部進行架棚支護來防止巷道圍巖變形、風(fēng)化，對掘進巷道實現(xiàn)高強度支護，最終通過現(xiàn)場實測的方法進行驗證，掘進巷道取得了良好的支護效果，并為該礦其他工作面掘進巷道的支護給提供一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】 掘進巷道;變形特征;支護優(yōu)化

【中圖分類號】 TD353 【文獻標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）04-0017-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

當(dāng)前，隨著我國煤炭開采裝備的不斷改進和需求量的不斷增加，采煤工作面開采速度逐漸提高，導(dǎo)致礦井采煤工作面接替速度不斷增加，同時也對采煤工作面巷道掘進與支護技術(shù)水平的要求也更高?；夭上锏涝诰蜻M過程中和結(jié)束后會發(fā)生變形，在對巷道圍巖變形特征進行合理分析后，可以針對性地對掘進巷道的支護方案進行優(yōu)化，實現(xiàn)對掘進巷道的有效支護，有效控制巷道圍巖變形，進而實現(xiàn)工作面的安全高效生產(chǎn)。本文對山西某礦3615綜放工作面掘進巷道的巷道圍巖變形特征和支護方案分別進行分析和優(yōu)化，重點分析了掘進巷道的圍巖變形特點，同時針對掘進巷道的圍巖變形特點優(yōu)化巷道支護方案，為該礦其他工作面掘進巷道的支護方案提供一定的借鑒意見。

1礦井概況

3615綜放工作面當(dāng)前可采的主要煤層為3#煤層，3#煤層平均開采高度約為5.3m，3165工作面采用綜合機械化放頂煤采煤法對3#煤層進行回采，工作面內(nèi)采煤機割煤高度約為3m，放頂煤高度約為2.3m，3#煤層平均埋深約190m。3615綜放工作面兩回采巷道的總長度約為862m。3615綜放工作面運輸巷道沿3#煤層底板掘進，巷道掘進高度為3000mm，掘進寬度為5400mm。3#煤層直接頂巖層為厚度4.5m的泥巖巖層，灰黑色，主要以泥質(zhì)構(gòu)造為主，并含有大量植物化石碎片;基本頂巖層為厚度6.5m的細砂巖巖層，為中粒砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，成分則主要以石英和長石為主;直接底巖層為厚度2.3m的炭質(zhì)泥巖巖層，深灰黑色，泥質(zhì)構(gòu)造，厚層狀層理，主要以高嶺石為主;基本底巖層為厚度6.3m的中粒砂巖巖層，中粒砂狀結(jié)構(gòu)，主要以石英為主。53615綜放工作面煤巖層綜合柱狀圖如圖1所示。

2掘進巷道圍巖變形特征

2.1巷道頂板風(fēng)化潮解

3#煤層頂板為泥質(zhì)膠結(jié)的泥巖巖層，局部為細砂巖巖層，由于長期受到煤礦井下高溫、潮濕環(huán)境的影響，3615綜放工作面掘進巷道頂板巖層將會不斷地風(fēng)化和潮解，進而導(dǎo)致巷道頂板巖層中的原生裂隙程度加大，之前原生裂隙仍然會擴張，裂隙張開度進一步增大，同時還能夠產(chǎn)生新的次生裂隙，底板巖層鉆窺視如圖2所示。掘進巷道頂板巖層與錨桿托板之間的裂隙程度大的巖層不斷產(chǎn)生微小離層，出現(xiàn)片狀掉落的現(xiàn)象。當(dāng)掘進巷道頂板巖層與錨桿托板之間的巖層以片狀形式掉落后，使得錨桿托板與頂板巖層之間無法緊貼，導(dǎo)致掘進巷道頂板錨桿發(fā)生局部失效，無法對頂板巖層起到有效的錨固作用。另外掘進巷道頂板巖層的巖性也存在差異，在受到外界環(huán)境與地質(zhì)條件雙重作用下，錨桿的錨固力顯然不能達到許用要求，因此掘進巷道頂板巖層極易出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。

2.2薄基巖頂板破碎

3#煤層的平均埋深約190m，屬淺埋深厚煤層，煤層上覆基巖巖層厚度約為15m，但是煤層頂板巖層強度變化差異較大，煤層直接頂巖層為泥巖巖層，灰黑色，泥質(zhì)構(gòu)造，含有植物化石碎片，強度較低，而基本頂巖層為細砂巖巖層，強度相對較高。當(dāng)掘進巷道掘進至該礦深部時，3615綜放工作面掘進巷道頂板基巖有受到自然環(huán)境的不斷侵蝕，在礦山壓力的作用下，3615綜放工作面回掘進巷道頂板會更加破碎、不完整。

2.3軟弱夾矸擠出

3#煤層的平均厚度約為5.3m，屬于厚煤層，煤層內(nèi)部存在一層強度較小的泥巖巖層夾矸，夾矸厚度0.2～0.6m。由于泥巖巖層的可塑性較強，在受到掘進工作面開采的影響時，泥巖巖層夾矸會發(fā)生擠壓變形的顯現(xiàn)，且掘進工作面風(fēng)量較大，泥巖巖層夾矸表面易風(fēng)化，變得破碎，又在井下潮濕環(huán)境作用下，泥巖巖層發(fā)生崩解，由此導(dǎo)致掘進巷道發(fā)生嚴(yán)重的片幫現(xiàn)象。

2.4巷道底板嚴(yán)重底鼓

3#煤層直接底巖層為深灰黑色炭質(zhì)泥巖巖層，巖層為泥質(zhì)構(gòu)造，層狀層理明顯，成分則主要以高嶺石為主。巷道在掘進后，底板炭質(zhì)泥巖巖層中的高嶺石成分由于受到礦井潮濕環(huán)境與礦井水的影響，炭質(zhì)泥巖巖層由于遇水發(fā)生軟化，并迅速膨脹，同時在掘進機械的擾動作用下，底板巖層破壞速度加快，形成大量的淤泥狀泥化物，最終使得巷道底板發(fā)生嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

3支護方案優(yōu)化

針對掘進巷道表現(xiàn)出的巷道頂板風(fēng)化潮解、薄基巖頂板破碎、軟弱夾矸擠出和巷道底板嚴(yán)重底鼓的特征，提出巷道支護優(yōu)化方法如下。

3.1掘進巷道表面噴漿

3#煤層直接頂巖層為泥巖巖層，灰黑色，泥質(zhì)構(gòu)造，含有植物化石碎片，對巷道頂板進行現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)其節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，同時泥巖巖層強度較低，內(nèi)部的高嶺石成分會導(dǎo)致泥巖巖層吸水軟化膨脹。在3#煤層內(nèi)對巷道進行掘進時，3#煤層頂部及直接頂巖層在礦井通風(fēng)及潮濕環(huán)境的影響下，頂煤及直接頂巖層更加容易風(fēng)化，進而出現(xiàn)塊狀開裂的現(xiàn)象，因此對3615綜放工作面掘進巷道進行表面噴漿處理，也就是在巷道表面噴射漿體，防止巷道表面圍巖出現(xiàn)風(fēng)化，進而有效控制巷道圍巖發(fā)生破壞，減小巷道圍巖破壞變形，實現(xiàn)3615綜放工作面的安全高效回采。

3.2增加巷道錨支護密度

3#煤層煤內(nèi)部存在一層強度較小的0.2～0.6m厚的泥巖巖層夾矸，在掘進工作面中由于受到礦井通風(fēng)和礦井水的雙重影響，泥巖巖層夾矸外露部分相對容易風(fēng)化，進而使得巖層更加容易破碎。由此為防止煤層夾矸的大面積擠出，在巷道兩幫增加一排錨桿繼續(xù)進行支護，依次控制掘進巷道煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生，錨桿采用圓形樹脂錨桿，直徑16mm。同時在夾矸厚度變化明顯的位置添加木背板并進行掛網(wǎng)，金屬網(wǎng)采用15mm×15mm的菱形金屬網(wǎng)，以此來防止泥巖巖層夾矸大范圍的嚴(yán)重擠出，而嚴(yán)重時影響該工作面乃至該礦井的正常生產(chǎn)。

3.3巷道內(nèi)部進行架棚支護

架棚支護在巷道支護系統(tǒng)中屬剛性支護，剛性支護能有效提高掘進巷道被動支護性能，在煤巖層外部有效限制掘進巷道圍巖變形的特點，同時通過增加架棚支護能夠有效提高巷道圍巖的支護強度，減少巷道頂?shù)装逡平?，有效控制巷道頂板出現(xiàn)離層及片狀掉落現(xiàn)象的發(fā)生，減小巷道頂板下沉，使得巷道頂板錨桿充分發(fā)揮頂部錨桿的錨固作用。另外由于直接底巖層為遇水易軟化膨脹的炭質(zhì)泥巖，增加架棚支護還能夠有效限制底板的鼓起。

優(yōu)化后的巷道支護方案如圖3所示。

4支護優(yōu)化效果

為了驗證支護優(yōu)化后的掘進巷道支護效果，采用“十字測量法”對3615綜放工作面掘進巷道的巷道表面位移進行觀測，觀測結(jié)果如下圖4所示。

根據(jù)3615綜放工作面掘進巷道表面位移觀測結(jié)果可知，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平吭谧罱K分別穩(wěn)定在85mm和62mm左右，巷道表面位移滿足礦井生產(chǎn)許可要求，故采用掘進巷道表面噴漿、增加巷道錨支護密度、巷道內(nèi)部進行架棚支護能夠取得良好的支護效果。

5結(jié)論

本文結(jié)合山西某礦3615綜放工作面主采的3#煤層的賦存頂?shù)装鍘r層條件，分析了掘進巷道圍巖變形特征，并針對巷道圍巖所表現(xiàn)出來的不同特征，優(yōu)化了掘進巷道的支護方案，主要得到如下結(jié)論：

結(jié)合掘進巷道所在煤層泥巖頂板的強度較低且極易破碎和遇水軟化膨脹特點，分析掘進巷道圍巖表現(xiàn)出巷道頂板風(fēng)化潮解、薄基巖頂板破碎、軟弱夾矸擠出和巷道底板嚴(yán)重底鼓的特征。

針對巷道圍巖表現(xiàn)出的不同特征，針對性地對巷道圍巖支護方案進行優(yōu)化，采用掘進巷道表面噴漿、增加巷道錨支護密度、巷道內(nèi)部進行架棚支護來防止巷道圍巖變形、風(fēng)化。

通過采用“十字測量法”對掘進巷道表面位移進行觀測可知，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平糠謩e穩(wěn)定在85mm和62mm左右，可以取得良好的支護效果。

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