彬長(zhǎng)礦區(qū)開(kāi)拓巷道長(zhǎng)效主動(dòng)防沖支護(hù)

王 冰，白 楊

(陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司,陜西 咸陽(yáng) 713602)

0 引言

孟村煤礦位于陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)中西部，可采儲(chǔ)量5.85億t，礦井設(shè)計(jì)規(guī)模600萬(wàn)t/a，服務(wù)年限71.3 a。礦井主采4號(hào)煤層，平均厚度16.25 m，具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板巖層具有弱沖擊傾向性，底板巖層無(wú)沖擊傾向性。礦井沖擊地壓類(lèi)型是地質(zhì)構(gòu)造為主導(dǎo)的純靜載型沖擊啟動(dòng)類(lèi)型，主要表現(xiàn)形式有巷道瞬間底鼓、片幫、震感強(qiáng)烈等[1-4]。孟村煤礦中央5條大巷為礦井主要開(kāi)拓大巷，服務(wù)于礦井403、404和405盤(pán)區(qū)，基本布置在煤層中，留有厚底煤。在DF29斷層附近掘進(jìn)時(shí)，沿?cái)鄬由媳P(pán)掘進(jìn)直至揭露斷層，后按斷層落差確定巷道坡度，進(jìn)行全巖掘進(jìn)，直至繼續(xù)沿煤層中部掘進(jìn)。掘進(jìn)期間，斷層附近圍巖破碎，斷層活化嚴(yán)重，采用“錨網(wǎng)索噴”進(jìn)行支護(hù)。截至2019年11月，中央大巷在DF29斷層附近已發(fā)生5次3×105J能量以上的沖擊地壓事故，均出現(xiàn)底鼓，兩幫縮進(jìn)，頂板下沉等現(xiàn)象，部分區(qū)域經(jīng)過(guò)多次維修，依然無(wú)法控制，處于病態(tài)運(yùn)行。針對(duì)中央帶式輸送機(jī)大巷條件，進(jìn)行巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，分析巷道圍巖變形破壞特征及原因，以期提出適合于大型斷層構(gòu)造附近沖擊地壓巷道的長(zhǎng)效主動(dòng)防沖支護(hù)技術(shù)。

1 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試

1.1 地質(zhì)條件

總體概況：中央帶式輸送機(jī)大巷斷面形狀為半圓拱形，凈寬5 400 mm，凈高4 300 mm。巷道沿4號(hào)煤層中部布置，為全煤巷，掘進(jìn)方位270°，坡度-2°～+8°。自東向西依次揭露X1向斜，軸線(xiàn)呈NE—SW向，兩翼呈對(duì)稱(chēng)狀，兩翼傾角為2°～4°(塬口子向斜)、DF29(H=0～38 m，正斷層，SE∠55°，控制程度可靠)、B2背斜，軸線(xiàn)向呈EW轉(zhuǎn)NE向，兩翼基本呈對(duì)稱(chēng)狀，兩翼傾角為3°～5°(謝家咀背斜)。煤層頂板為以砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、粗砂巖為主的復(fù)合型頂板，底板以遇水易膨脹的鋁質(zhì)泥巖為主。

老頂：粗砂巖、細(xì)砂巖；灰色、灰白色；層面含大量黑色炭質(zhì)碎屑及云母片，抗拉強(qiáng)度0.22～2.83 MPa、飽和抗壓強(qiáng)度5.10～28.4 MPa，厚度7.75～20.8 m，平均12.1 m。巖層穩(wěn)固性較好，不易冒落。

直接頂：砂質(zhì)泥巖；深灰色，局部含植物葉片化石，薄層狀，平行層理極發(fā)育，抗拉強(qiáng)度為0.44～1.53 MPa、飽和抗壓強(qiáng)度0.22～16.2 MPa，平均3.38 MPa。

底板：以炭質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖為主，顏色以黑色、灰黑色為主，其中炭質(zhì)泥巖厚度2.75～4.52 m，平均3.6 m；鋁質(zhì)泥巖厚度1.83～7.77 m，平均4.8 m。

1.2 圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試

采用水壓致裂法在中央帶式輸送機(jī)大巷DF29斷層附近進(jìn)行了3個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。表中第1測(cè)點(diǎn)位于中央帶式輸送機(jī)大巷距DF29斷層以東230 m處；第2測(cè)點(diǎn)位于中央帶式輸送機(jī)大巷距DF29斷層以西30 m處；第3測(cè)點(diǎn)位于距DF29斷層以西250 m處。σH、σh、σv分別為最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力。從表1中可看出，3個(gè)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力值相差不大，圍巖最大水平應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力及垂直應(yīng)力平均值分別為31.45 MPa、19.45 MPa、17.49 MPa，最大水平主應(yīng)力σH為垂直主應(yīng)力σv的1.79倍，應(yīng)力場(chǎng)大小關(guān)系為σH>σh>σv。地應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，垂直主應(yīng)力為最小主應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)為1.38～1.69，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc與垂直洞軸線(xiàn)方向最大初始地應(yīng)力σmax之比即Rc/σmax=0.19，屬于構(gòu)造型高地應(yīng)力區(qū)域。

表1 孟村煤礦DF29斷層附近地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

2 中央帶式輸送機(jī)大巷現(xiàn)狀及破壞原因

2.1 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)

采用“錨網(wǎng)索噴”支護(hù)形式，全斷面采用規(guī)格為φ20 mm×2 500 mm的左旋無(wú)縱肋螺紋錨桿，間排距為700 mm×700 mm，菱形布置，每排19根，中央帶式輸送機(jī)大巷斷面支護(hù)示意如圖1所示。每根錨桿配用1支MSK2335和2支MSZ2335樹(shù)脂錨固劑，錨桿托盤(pán)規(guī)格150 mm×150 mm×8 mm的Q235鋼板。全斷面鋪設(shè)1 500 mm×800 mm×100 mm(網(wǎng)格)鋼筋網(wǎng)(采用φ6 mm的Q235鋼筋加工而成)，采用16#雙股鐵絲將頂網(wǎng)與幫網(wǎng)隔孔相連。網(wǎng)片聯(lián)接方式為搭接，搭接長(zhǎng)度100 mm。采用φ21.8 mm×7 100 mm的左旋鋼絞線(xiàn)，間排距2 100 mm×1 400 mm，每排4根，每根錨索使用2支MSK2335型及3支MSZ2335型樹(shù)脂藥卷，錨索托盤(pán)為300 mm×300 mm的蝶形托盤(pán)。噴射砼強(qiáng)度等級(jí)不低于C25，噴厚120 mm。使用水泥P.C32.5R普通硅酸鹽水泥，砂為純凈的中粗河砂，石子為粒徑5～10 mm的碎石。重量配合比為水泥∶砂∶石子=1∶2.76∶3.24，水灰比為0.62。速凝劑摻入量一般為水泥重量的3%～5%，防水劑加入量為水泥用量的6%～8%，抗?jié)B等級(jí)P8。

圖1 中央帶式輸送機(jī)大巷斷面支護(hù)示意

2.2 巷道破壞現(xiàn)狀及原因

巷道破壞現(xiàn)狀：巷道由于受到上覆巖層動(dòng)靜荷載作用，巷道頂板開(kāi)裂且下沉量大，底鼓嚴(yán)重，兩幫變形量大，兩幫圍巖嚴(yán)重變形，如圖2所示。①巷道圍巖瞬時(shí)變形量大；②巷道底鼓嚴(yán)重；③變形破壞程度和震源能量正相關(guān)；④沖擊破壞之前，巷道圍巖緩慢變形嚴(yán)重；⑤錨桿支護(hù)體系嚴(yán)重失效。沖擊破壞后的巷道表現(xiàn)為圍巖節(jié)理、裂隙擴(kuò)展貫通，強(qiáng)度和完整性弱化，錨固系統(tǒng)錨固性能(錨固力、預(yù)緊力)降低，錨固界面粘結(jié)劣化失效，錨桿產(chǎn)生塑性變形，桿體內(nèi)部晶粒扭曲、畸變，晶粒產(chǎn)生剪切、滑移，晶粒被拉長(zhǎng)，金相組織紊亂，抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊吸收功普遍降低。

圖2 中央帶式輸送機(jī)大巷破壞現(xiàn)場(chǎng)

巷道變形破壞特征及原因：①埋深大，垂直應(yīng)力高。埋深超過(guò)700 m，垂直應(yīng)力超過(guò) 17.49 MPa，對(duì)巷道幫部造成很大的覆巖垂向載荷壓力。②構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)。巷道受DF29斷層的影響，此處構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)烈，特別是以水平剪切應(yīng)力為主，對(duì)巷道頂?shù)装瀹a(chǎn)生巨大的水平剪切力，不利于巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定維護(hù)[5-7]。③圍巖四周變形。表現(xiàn)為全斷面頂幫底大范圍強(qiáng)礦壓持續(xù)劇烈變形位移。受高應(yīng)力強(qiáng)礦壓的影響，本巷道都表現(xiàn)為四周?chē)鷰r全斷面收縮變形，巷道圍巖變形表現(xiàn)為不均勻的四周全部來(lái)壓型。④斷面大，圍巖穩(wěn)定性控制難度極大。本巷道對(duì)巷道斷面要求很高，必須保證較大的巷道斷面和變形位移量控制，這對(duì)斷面形狀選擇和最終尺寸確定提出了很高的要求[8-10]。⑤沖擊區(qū)域，多次受周?chē)V震擾動(dòng)影響。煤層沖擊傾向性類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，屬?gòu)?qiáng)沖擊傾向；頂板為Ⅱ類(lèi)，屬弱沖擊傾向；底板巖層屬于Ⅰ類(lèi)，為無(wú)沖擊傾向性的底板巖層。受到鄰近的401101工作面采動(dòng)影響，先后發(fā)生5次沖擊地壓事故。

3 長(zhǎng)效主動(dòng)防沖支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)方案

設(shè)計(jì)理念：針對(duì)孟村煤礦地質(zhì)構(gòu)造及沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，研究復(fù)巖關(guān)鍵層及震源層位，建立巷道沖擊地壓地質(zhì)力學(xué)分析模型，分析沖擊礦震的特征、特點(diǎn)、特色；結(jié)合動(dòng)靜載理論[11-14]，分析沖擊震動(dòng)波對(duì)巷道圍巖的沖擊破壞作用效應(yīng)和支護(hù)強(qiáng)度要求，以及深井巷道沖擊礦震能級(jí)綜合指數(shù)評(píng)定，抗沖能級(jí)按1×107J核準(zhǔn)設(shè)計(jì)，形成了適合孟村煤礦深井沖擊地壓開(kāi)拓巷道支護(hù)方案及具體參數(shù)。支護(hù)方案設(shè)計(jì)主要依據(jù)“強(qiáng)弱強(qiáng)理論”及關(guān)鍵支護(hù)技術(shù)，考慮到巷道的最終使用斷面，為減少大尺寸擴(kuò)修對(duì)巷道穩(wěn)定性的不利影響，結(jié)合巷道預(yù)留變形量等多方面因素，采用主被動(dòng)復(fù)合支護(hù)方式，基于“新型錨桿索主動(dòng)支護(hù)+O型棚支護(hù)+噴注漿技術(shù)”組合支護(hù)技術(shù)。

具體支護(hù)方案：①巷道刷擴(kuò)成型。巷道頂板開(kāi)裂且下沉量大，底鼓嚴(yán)重，兩幫變形量大，兩幫圍巖嚴(yán)重變形，將巷道采用巷道修復(fù)機(jī)擴(kuò)掘至設(shè)計(jì)斷面；②初噴。巷道擴(kuò)掘至設(shè)計(jì)斷面尺寸后，噴漿厚度50 mm，使用噴漿保證巷道成型平整度；③錨桿錨索基本支護(hù)。頂板、幫部使用φ22 mm×2 500 mm高預(yù)應(yīng)力蛇形錨桿、φ22 mm×7 300 mm后預(yù)應(yīng)力鳥(niǎo)窩錨索、鋼帶和鋼筋網(wǎng)等聯(lián)合支護(hù)，構(gòu)建內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)；④O型棚全斷面封閉支護(hù)。一次錨網(wǎng)索支護(hù)后，采用架設(shè)O型棚全斷面支護(hù)；⑤噴注漿加固。頂板、幫部及底板噴漿并采用短注漿錨桿+長(zhǎng)注漿錨索注漿支護(hù)；⑥底板治理采用地錨(注漿錨索)+反底拱+鵝卵石+隔水薄膜+高強(qiáng)度混凝土聯(lián)合支護(hù)，反底拱采用U29鋼棚制作。支護(hù)示意如圖3所示。

圖3 中央帶式輸送機(jī)大巷支護(hù)示意

3.2 礦壓觀(guān)測(cè)

監(jiān)測(cè)方法：采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行表面位移監(jiān)測(cè)。巷道修復(fù)完畢后，在DF29斷層前后各200 m按照每間隔50 m布置1組測(cè)站，共布置了8組測(cè)站對(duì)巷道表面位移、頂板離層進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，圖4為大巷修復(fù)后現(xiàn)場(chǎng)圖。經(jīng)過(guò)2個(gè)月持續(xù)觀(guān)測(cè)，8組測(cè)站中，巷道上幫、下幫、頂板、底板最大位移分別為16 mm、22 mm、46 mm、33 mm，巷道變形量較小。數(shù)顯式頂板離層儀監(jiān)測(cè)頂板離層數(shù)據(jù)顯示，8組測(cè)站中，測(cè)站頂板深部離層最大值為45 mm，淺部離層最大值為20 mm。

圖4 中央帶式輸送機(jī)大巷修復(fù)后現(xiàn)場(chǎng)

監(jiān)測(cè)結(jié)果：采用提出的支護(hù)方案后，圍巖變形得到有效控制，巷道支護(hù)狀況得以明顯改善，目前巷道已經(jīng)投入正常使用?，F(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)顯示，在單次能量事件達(dá)1×106J后，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)未出現(xiàn)錨桿、錨索破斷及巷道失穩(wěn)現(xiàn)象，表明該錨桿支護(hù)體系整體抗沖性能較強(qiáng)，能夠有效控制沖擊地壓巷道的強(qiáng)烈變形。

4 結(jié)論

(1)沖擊地壓巷道變形破壞的主要影響因素是埋深大，垂直應(yīng)力高，構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)和強(qiáng)采動(dòng)影響。頻繁沖擊能量會(huì)產(chǎn)生沖擊破壞效應(yīng)，主動(dòng)支護(hù)體系失效導(dǎo)致沖擊地壓巷道變形嚴(yán)重破壞。

(2)井下工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，“新型錨桿索主動(dòng)支護(hù)+O型棚支護(hù)+噴注漿技術(shù)”組合支護(hù)技術(shù)，能夠合理控制巷道變形，釋放多余壓力。礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該方案可有效地控制大巷變形，可為類(lèi)似條件下的巷道圍巖加固提供一定的參考意義及技術(shù)支撐。