淺談小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖控制技術

裴亞鋒

(山西煤炭運銷集團晉城有限公司，山西 晉城 046031)

山西煤炭運銷集團首陽煤業(yè)有限公司為兼并重組整合礦井，批準開采3～15號煤層，井田面積14.996 km2，批準生產(chǎn)能力為0.9萬t/a。首陽煤業(yè)是由五個礦井兼并重組而成，礦井內(nèi)部存在多處小窯破壞區(qū)及上賦煤層采空區(qū)，隨著礦井采掘范圍的擴大，煤炭資源遭受到破壞的弊端越發(fā)明顯，使得礦井采掘接替緊張，礦井服務年限縮短。礦井二采區(qū)(南翼)受小窯等老空破壞嚴重，經(jīng)礦地質(zhì)部門走訪調(diào)查，2002年和2005年的小窯破壞區(qū)基本覆蓋二采區(qū)南翼，且伴有廢棄井筒、風氧化帶，對二采區(qū)(南翼)工作面各系統(tǒng)布置造成了一定的困難，主要體現(xiàn)在巷道過老空的支護上，同時兼為考慮自燃煤層隱蔽火源位置、負壓通風與破壞區(qū)正壓通風的壓差疊加等因素。因此，隨著礦井采掘重心逐漸向二采區(qū)轉移后，急需開展二采區(qū)(南翼)小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖支護控制技術研究，為同類地質(zhì)條件下小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖控制提供一定的參考借鑒。

1 小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖壓力特點

通過對首陽煤業(yè)二采區(qū)的現(xiàn)場觀測和調(diào)研來看，二采區(qū)小窯破壞區(qū)巷道圍巖的顯著特點是小窯原有采區(qū)垮落帶范圍內(nèi)圍巖的極度破碎，以及原有采區(qū)內(nèi)所留設煤柱的高強度支承壓力。而破壞區(qū)巷道所承受的壓力特征主要有如下幾個方面。

1) 松動圍巖壓力較大。小窯破壞區(qū)內(nèi)垮落帶圍巖的極度破碎造成破壞區(qū)巷道處于巖層破碎帶，受到巷道掘進影響，破碎巖層發(fā)生松動和塌落的范圍較大，并且以重力的形式直接作用于巷道支護結構上，致使巷道圍巖承受巨大壓力，尤為突出的是巷道上覆破碎巖層所覆壓力。所以在此區(qū)域巷道掘進應當對破碎帶可能作用的圍巖壓力進行預計，并且預先采取有效的措施限制圍巖因受到破碎帶應力作用可能發(fā)生的變形。

2) 變形圍巖壓力較小。小窯破壞區(qū)巷道掘進，巷道所處圍巖類型主要為小窯破壞引起的巖層垮落區(qū)域矸石，巖石結構紊亂，整體呈現(xiàn)的作用力強度較小，即掘進巷道圍巖形成的頂板彎曲帶塑性區(qū)所承受壓力較小。而塑性區(qū)在小窯時期已經(jīng)形成，隨著時間推移塑性區(qū)狀態(tài)會隨著圍巖變形速度的下降而逐漸趨于穩(wěn)定。

3) 沖擊和撞擊圍巖壓力較小。首陽煤業(yè)15號煤強度中等，彈性差，小窯采區(qū)距目前已經(jīng)有近10 a時間，從理論上小窯煤柱已經(jīng)處于塑性狀態(tài)，煤柱內(nèi)所積聚的彈性能已經(jīng)得到有效釋放，所呈現(xiàn)的沖擊地壓傾向性差，所以撞擊圍巖壓力必然較原巖狀態(tài)下回采小得多。但不排除煤柱在受到二次采掘活動影響后彈性能釋放，產(chǎn)生沖擊地壓的可能性。

2 小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖控制原則

圍巖松動圈理論的提出，揭示了保持巷道穩(wěn)定性、控制巷道圍巖在受到擾動情況下，不發(fā)生過大變形量的圍巖控制重點在于圍巖松動破裂發(fā)展中的巖石碎脹變形和碎脹力[1-2]。而按照高預應力強力支護觀點，在采用足夠強度和剛度的支護方法可以有效控制松動圈的延伸范圍，從而保持巷道圍巖的穩(wěn)定[3]。根據(jù)上述理論，結合小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖壓力特點，提出相應的圍巖控制基本原則。

1) 減少對小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖的擾動。小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖壓力主要來源于松動圍巖，而松動圍巖整體性差，巖石與巖石間形成的應力傳遞能力較弱，受到再次掘進擾動后，很容易發(fā)生冒頂事故。如果巷道開挖對圍巖的擾動過大，巖石就會擺脫相互間的摩擦力而涌入，造成安全隱患，與此同時，也會造成支護結構因受力不均勻而發(fā)生變形。

2) 采用錨桿支護和剛性支護相結合的支護方案。首陽煤業(yè)15號煤最大埋深未超過300 m，埋深較淺，巖體的自重應力相對較小，而原有舊采破壞區(qū)距現(xiàn)在近10 a，原有采掘活動引起的上覆巖層運動早已穩(wěn)定，上覆巖層的“大結構”早已形成，此時巷道支護的重點是如何護住巷道頂板破碎圍巖。除此之外，剛性支護較可縮性金屬支架來講，應用于小窯破壞區(qū)巷道圍巖支護優(yōu)勢較明顯，其降低了巷道變形修復難度，提升了支護設備的復用率，降低了支護成本。根據(jù)現(xiàn)有支護技術條件，首陽煤業(yè)二采區(qū)小窯破壞區(qū)巷道的支護應以錨桿支護和剛性支護相結合的支護方式，必要時可配合使用超前預注漿的方案。

3) 強化對關鍵部位圍巖的加固。關鍵部位主要是指支護結構與圍巖原有結構之間可能存在的應力不耦合位置，且關鍵部位是客觀存在的，在巷道掘進過程中應當注重關鍵部位的強化支護。

3 小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖控制關鍵技術

通過上述對小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖特征的分析，結合首陽煤業(yè)巷道支護技術現(xiàn)狀，以小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖控制理論為指導，提出該地區(qū)掘進巷道圍巖控制的關鍵技術即：超前探測+低擾動掘進+高剛度差異化支護。

3.1 超前探測

超前探測技術主要包括地球物理探測技術和鉆探技術。小窯破壞區(qū)探測通常采用物探方法為主，鉆探驗證為輔的探測技術方法。其中現(xiàn)有技術較為成熟和應用最為廣泛的物探方法主要有高密度電阻率法、瞬變電磁法、EH-4大地電磁法和淺層地震法等。而不同的探測方法技術原理和自身特點都存在一定的差異，所以適用范圍和探測對象有所不同，在實際工作中應當基于各類探測方法的特點，以及實際工程地質(zhì)情況，進行探測技術的合理選擇，甚至需要多種探測技術的綜合應用，相互驗證。

3.2 低擾動掘進

巷道掘進堅持采取“短進尺、小擾動”的施工原則，降低采掘活動對巷道圍巖的擾動強度，提升巷道揭露圍巖的支護效率?；诖?，小窯破壞區(qū)巷道掘進時，采用撞楔法配合工字鋼棚等臨時控制破碎圍巖移動，即利用一定規(guī)格的鋼釬充當“楔”強行插入破碎帶中，基于鋼釬的梁效應控制破碎圍巖移動，在其掩護下進行巷道掘進。

3.3 高剛度差異化支護

小窯破壞區(qū)的內(nèi)部結構空間主要包括采空區(qū)垮落帶和遺留煤柱，所以在二次巷道掘進的時候，工作面迎頭要不斷穿越垮落帶應力低阻區(qū)和遺留煤柱應力高阻區(qū)，而且要應對可能存在的破壞區(qū)內(nèi)采空巷道的復雜地質(zhì)條件。所以，單一巷道支護方法無法滿足二次巷道開挖支護的需要。

1) 當巷道穿越垮落帶地應力區(qū)。如果垮落區(qū)范圍較小，通過加強頂部支護向深部較硬巖體發(fā)展并控制幫的變形，充分發(fā)揮支護結構的整體承載能力，從而有效地控制大斷面巷道圍巖強烈變形，即首先將頂板斷面處理成圓滑拱形斷面，然后采用錨網(wǎng)支護，待施工5～10 d后采用錨網(wǎng)噴漿二次加固，并對上部打設錨索補償加固，如果垮落區(qū)范圍較大，可以采用高密度U型鋼棚代替錨桿支護，見圖1。

圖1 高強度樹脂錨桿+錨索+ U型鋼支

2) 當掘進工作面位于舊采遺留煤柱內(nèi)。巷道位于遺留煤柱內(nèi)，不僅要承受遺留煤柱內(nèi)的高支承壓力，還可能因支承壓力分布不均衡造成巷道支架受力狀態(tài)惡化，從而喪失承載能力，所以采用工字鋼棚和高預應力錨桿索聯(lián)合支護，且采用非對稱支護方案，可以增強巷道兩幫的整體性，顯著提高巷道圍巖自身的承載能力，見圖2。即在巷道靠近煤柱的幫部采用高強螺紋鋼錨桿配合護幫板進行加強支護，并噴射混凝土漿液，防止煤柱內(nèi)積氣和積水滲入到工作面，其他部位支護參數(shù)和常規(guī)巷道一樣。需要注意的是若煤柱寬度小于錨桿長度時，需要對破碎的煤巖體進行注漿加固，為錨桿的支護提供更好的著力點。

3) 掘進工作面與空巷相交時靈活采用縮小棚距或采用對棚、錨注、錨拉支架以及采用料石砌墻等多種加強支護方式。

4) 掘進工作面超前支護釆用鋼釬撞楔法。

4 結 語

本文通過探討分析，得出如下結論：

1) 小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖壓力特點：①松動圍巖壓力較大；②變形圍巖壓力較??；③膨脹圍巖壓力很??；④沖擊和撞擊圍巖壓力較??；掘進巷道的支護對象是圍巖松動破裂發(fā)展中的巖石碎脹變形和碎脹力。

圖2 非對稱支護方案

2) 小窯破壞區(qū)掘進巷道圍巖控制原則：①減少對掘進巷道圍巖的擾動；②采用錨桿支護和剛性支護相結合的支護方案；③強化對關鍵部位圍巖的加固。

3) 以小窯破壞區(qū)巷道圍巖控制原則為指導，結合高預應力強力支護理論和圍巖松動圈理論，小窯破壞區(qū)掘進圍巖控制的關鍵技術，即：超前探測+低擾動掘進+高剛度差異化支護。