吳勁松
(內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 017100)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的增長(zhǎng),不斷加強(qiáng)煤炭開(kāi)采深度,導(dǎo)致深部巷道圍巖變形問(wèn)題引起的災(zāi)害事故愈加嚴(yán)重[1]。為了保證礦井安全生產(chǎn),提高社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益,應(yīng)加強(qiáng)煤巖體結(jié)構(gòu)觀察,分析頂板各種層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育情況,判斷頂板完整性和穩(wěn)定性,并在地下開(kāi)采活動(dòng)中使用錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)以加強(qiáng)巷道圍巖穩(wěn)定控制[2]。
鉆孔窺視技術(shù)能得到鉆孔臂的完整圖像,通過(guò)監(jiān)測(cè)屏幕實(shí)時(shí)觀測(cè)鉆孔結(jié)構(gòu),觀測(cè)結(jié)果直觀、清晰、立體感強(qiáng)等特點(diǎn),并得到煤礦廣泛運(yùn)用[3]。侯朝炯、勾攀峰等[4]通過(guò)深入研究提出了錨桿"圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論",該理論認(rèn)為錨桿支護(hù)實(shí)質(zhì)是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體,形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu);康紅普等[5]在分析錨桿支護(hù)作用機(jī)制的基礎(chǔ)上,提出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論,強(qiáng)調(diào)錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散的決定性作用,指出對(duì)于復(fù)雜困難巷道,應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞;綜上研究可知,錨桿錨索同排協(xié)同支護(hù)技術(shù)的日趨成熟和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,為解決復(fù)合頂板巷道支護(hù)問(wèn)題提供了新的途徑。本文以麻地梁礦高水平應(yīng)力東翼509掘進(jìn)巷道為工程背景,采用鉆孔窺視與圍巖監(jiān)測(cè)相結(jié)合方法,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)頂板破碎以及周邊圍巖完整性程度進(jìn)行分析,并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際上覆巖層實(shí)際情況提出對(duì)509工作面膠帶機(jī)順槽有針對(duì)性的錨桿錨索同排協(xié)調(diào)支護(hù)方案,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)際性實(shí)踐,可為同類型巷道支護(hù)提供一定有益參考。
麻地梁礦509綜放工作面位于井田東翼盤(pán)區(qū)的中部,工作面西部為副斜井、5煤膠帶機(jī)巷;南部緊鄰507工作面未回采區(qū)域;東部臨近井田邊界,走向長(zhǎng)度約為3322m,傾向長(zhǎng)度約為250m,509綜放工作面兩順槽均布置在5#煤層當(dāng)中,沿煤層底板掘進(jìn),且與507膠帶機(jī)順槽留設(shè)30m窄煤柱護(hù)巷;2019年9月509工作面回撤聯(lián)巷掘進(jìn)結(jié)束,2019年10月中旬掘進(jìn)至509工作面膠帶機(jī)順槽。如圖1所示。
圖1 509工作面位置關(guān)系圖
5煤層直接頂為深灰色泥巖,平均厚度1.6m,塊狀,局部為細(xì)砂巖;老頂為平均厚度8.12m的粗砂巖,灰色~灰白色,平行層理;直接底為砂質(zhì)泥巖,平均厚度4.79m,深灰色泥巖或砂質(zhì)泥巖;老底為平均厚度10.96m的粗砂巖。本礦井509工作面附近的M10、47這2個(gè)鉆孔做過(guò)較為詳細(xì)的巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試,現(xiàn)根據(jù)該資料將5煤層頂?shù)装鍘r石物理、力學(xué)性質(zhì)測(cè)試成果如表1:
表1 煤層頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)
巷道圍巖結(jié)構(gòu)及受力狀態(tài)直接影響到支護(hù)效果,如能更清楚的了解巷道圍巖(頂板、兩幫)裂隙發(fā)育情況,對(duì)于支護(hù)方案設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義。因此為獲得509輔助運(yùn)輸順槽、509工作面回撤聯(lián)巷頂板和兩幫內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育情況,結(jié)合礦方提供的巷道地質(zhì)資料、509工作面掘進(jìn)進(jìn)度以及現(xiàn)場(chǎng)巷道的支護(hù)狀況,于509工作面輔助運(yùn)輸順槽(507檢修巷)、509工作面回撤聯(lián)巷以及回撤聯(lián)巷和509工作面膠帶機(jī)順槽交叉處共布置6個(gè)測(cè)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),測(cè)站布置如圖2。
圖2 巷道測(cè)站布置圖
為了了解509膠帶機(jī)順槽的圍巖變形、錨桿受力特征以及松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律等情況,根據(jù)測(cè)站位置布置鉆孔深度,第一測(cè)站和第六測(cè)站分別布置一個(gè)鉆孔,鉆孔位于巷道中部。其余4個(gè)測(cè)站,每個(gè)測(cè)站包括3個(gè)測(cè)孔,均在頂板布置,距兩幫各1m處分別布置一個(gè),巷道中心位置布置一個(gè),頂煤厚度L,鉆孔深度為L(zhǎng)+2m(穿過(guò)頂煤層厚度以上2m),鉆孔直徑42mm,對(duì)509工作面膠帶機(jī)順槽外端頂板進(jìn)行鉆孔窺視,根據(jù)掘進(jìn)進(jìn)度及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。VI測(cè)站部分孔段的鉆孔圖像如圖3所示。
圖3 VI部分鉆孔窺視結(jié)果
鉆孔窺視錄像顯示:頂板0~4.82m為煤,4.82~7.2m為巖石。4.28m左右頂煤有少量夾矸,1.58~2.54m頂煤有一條連續(xù)的、明顯的豎向裂隙,2.84~4.69m范圍內(nèi)頂煤存在多條豎向裂隙;發(fā)現(xiàn)頂板巖性差異性不大,巖石段完整性較好,但是不同層位夾矸與裂隙,呈非線性,非均勻分布,巖石內(nèi)部無(wú)較大破碎帶及塌孔現(xiàn)象出現(xiàn),但是在5.70m左右存在突兀豎向裂隙痕跡,主要由于該位置是直接頂和復(fù)合頂板交界處,巖石內(nèi)部含有少量夾矸導(dǎo)致存在多個(gè)弱面產(chǎn)生,巖石之間內(nèi)聚力和摩擦系數(shù)降低導(dǎo)致內(nèi)部裂隙發(fā)育。
3.1巷道支護(hù)方案優(yōu)化
在煤礦巷道錨固支護(hù)中,頂板采用錨桿錨索同排協(xié)同支護(hù),實(shí)現(xiàn)錨桿錨索對(duì)巷道圍巖淺部加固和深部錨固耦合作用,使錨桿錨索對(duì)圍巖周邊加固區(qū)應(yīng)力疊加,同時(shí)改善圍巖深部應(yīng)力分布,發(fā)揮錨桿錨索同排協(xié)同支護(hù)良好效[6]。
從鉆孔窺視圖片中可知,在509回撤聯(lián)巷頂板2m處有明顯縱向裂隙以及5m左右頂板巖層含有夾矸,含有一定橫向裂隙弱化面,根據(jù)工程類比法的經(jīng)驗(yàn)公式,錨索一般錨入穩(wěn)定巖層至少1m以上,因此509工作面膠帶順槽錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為6.3m,由于頂板直接頂較為破碎、左旋螺紋鋼錨桿螺紋段長(zhǎng)度限制等導(dǎo)致頂板錨桿失效。因此在直接頂較為破碎地段可考慮將頂板錨桿改為高強(qiáng)度右旋全螺紋錨桿,所以優(yōu)化后的支護(hù)方案錨索參數(shù)為Ф17.8×6300 mm,間排距為1400×2000 mm,巷道頂板布置6根Φ22×2500 mm高強(qiáng)左旋錨桿、兩幫布置4根Φ20×2000 mm全螺紋右旋錨桿,頂板錨桿間排距為1100×1000 mm,兩幫錨桿間排距均為1000×1000 mm,具體優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案圖
為了驗(yàn)證優(yōu)化方案后的效果,在麻地梁礦509工作面膠帶順槽優(yōu)化錨桿錨索同排協(xié)同支護(hù)方案后,在 509膠帶順槽頂板 3個(gè)測(cè)點(diǎn)(1#、2#、3#)錨桿端部安設(shè)液壓枕對(duì)錨桿受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)如圖5所示,在掘進(jìn)開(kāi)始0~5天階段,巷道原巖應(yīng)力受到掘進(jìn)擾動(dòng)影響,周邊圍巖應(yīng)力從新分布,錨桿承受周邊圍巖壓力變化速率極速增大,部分液壓枕峰值可達(dá)到4.3MPa,然后隨著掘進(jìn)天數(shù)推移,錨桿受力先有少量下降的過(guò)程,然后在掘進(jìn)8~10天左右趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定后的值較初始值變化不大說(shuō)明支護(hù)優(yōu)化效果良好,頂板錨固范圍圍巖無(wú)較大變形。
圖5 支護(hù)優(yōu)化后錨桿液壓枕變化趨勢(shì)圖
根據(jù)麻地梁地質(zhì)覆存條件,在工作面巷道布置了光纖光柵頂板離層儀在線隨時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),根據(jù)掘進(jìn)509工作面膠帶順槽掘進(jìn)速度情況,在509工作面膠帶順槽布置222測(cè)站和226測(cè)站,頂板離層儀器深基點(diǎn)固定在鉆孔深部7m穩(wěn)定老頂中,淺基點(diǎn)固定在鉆孔2.2m處,每個(gè)測(cè)站都有四個(gè)測(cè)試通道,從圖6可知,222測(cè)點(diǎn)在509巷道掘進(jìn)前10天,頂板下沉量變化波動(dòng)較大,掘進(jìn)25天后,222測(cè)點(diǎn)和226測(cè)點(diǎn)頂板變化波動(dòng)變緩,且222測(cè)點(diǎn)、226測(cè)點(diǎn)通道頂板下沉量變化范圍10mm左右,錨桿錨索協(xié)調(diào)同排支護(hù)很好保證巷道穩(wěn)定性,也側(cè)面驗(yàn)證液壓枕后期數(shù)值逐漸下降結(jié)果。
圖6 支護(hù)優(yōu)化后頂板沉降量變化曲線圖
1)巷道在掘進(jìn)時(shí)改變巖體周邊的原巖應(yīng)力,引起巷道應(yīng)力從新分布,特別在埋深高的高應(yīng)力巷道中圍巖具有塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍大,掘進(jìn)時(shí)對(duì)上覆巖層造成二次擾動(dòng),且巷道斷面拐角處有較大應(yīng)力集中,更容易出現(xiàn)拉應(yīng)力,引起巷道兩幫圍巖向內(nèi)側(cè)滑落。
2)通過(guò)巷道布置測(cè)站進(jìn)行鉆孔窺視方式,確定509膠帶順槽頂板2m左右存在縱向裂隙,頂板巖性差異性不大,巖石內(nèi)部無(wú)較大破碎帶及塌孔現(xiàn)象出現(xiàn),巖石頂板完整性較好,提出了錨桿錨索同排協(xié)同支護(hù)方案參數(shù)設(shè)計(jì)方案。
3)為了驗(yàn)證優(yōu)化方案后的效果,對(duì)509膠帶順槽頂板錨桿液壓枕數(shù)據(jù)以及頂板離層進(jìn)行監(jiān)測(cè),綜上所述,509采煤工作面膠帶順槽錨桿的軸向載荷在開(kāi)掘后10天后已基本保持穩(wěn)定,錨固范圍內(nèi)幫部巖體穩(wěn)定性好,頂板離層整體下沉量范圍在10mm,圍巖變形得到有效控制,支護(hù)效果好。