忻峪煤礦北翼膠帶大巷復(fù)修支護技術(shù)研究與應(yīng)用

楊秀庭

（潞安化工集團潞寧忻峪煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

1 工程概況

忻峪煤業(yè)北翼膠帶巷開口距主斜井井口672 m，北部為首采區(qū)，東部為空白區(qū)，西部為北翼膠帶巷，南部為井底車場，下部為侏羅紀2#煤層底板。2#煤層位于大同組的上部，上距云崗組底K 砂巖36.5～56.7 m，平均44.19 m。2#煤層厚度0.45～2.18 m，平均0.85 m，均方差為0.096 6，變異系數(shù)為11.3.6%。煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般沒有夾矸，頂?shù)装逡话銥槟鄮r或粉砂巖，屬穩(wěn)定的全區(qū)大部可采煤層。2#煤層埋深為0～550 m，井田內(nèi)由東向西埋深逐步變深。北翼膠帶大巷沿2#煤層底板掘進，底板、頂板均為砂質(zhì)泥巖。具體巖性特征見表1。

表1 頂?shù)装迩闆r表

2 北翼膠帶大巷破壞特征

北翼膠帶大巷采用直墻拱形斷面，掘進巷寬度為4.8 m，直墻高度1.2 m，巷道總高3.1 m，采用29#U 型鋼配合掛網(wǎng)噴漿支護，型鋼排距為0.6 m，表面噴漿厚度為100 mm，支護斷面如圖1（a）所示。北翼膠帶大巷投入使用6 個月后，巷道底板底鼓變形嚴重，局部可達到100 cm，兩幫收縮變形嚴重，部分支架肩部搭接處折斷，兩幫最大移近量達到187 cm，頂板圍巖破碎較嚴重，多處出現(xiàn)網(wǎng)兜、下沉現(xiàn)象。整理現(xiàn)場實地調(diào)研數(shù)據(jù)，得到北翼膠帶大巷全段宏觀變形規(guī)律如圖1（b）所示，巷道斷面收縮嚴重，影響其正常使用，急需更為有效的返修支護來保證巷道的圍巖穩(wěn)定性及正常使用。

圖1 北翼膠帶大巷支護及破壞情況

3 復(fù)修支護方案研究

3.1 巷道破壞機理研究

為探究北翼膠帶大巷破壞機理，進而選擇更加合理有效的支護方式，以距開口處150 m 處的巷道斷面圍巖條件為背景進行相似模擬研究[1-2]。模型寬1.0 m，高0.9 m，厚度0.12 m，模型與工程實體比例為1:25，模擬大巷左右兩個共25 m、上下兩側(cè)共22.5 m 范圍內(nèi)圍巖的破壞情況，大巷水平方向居中設(shè)置，底板距模型下邊緣0.34 m，大巷寬度為19.2 cm，高4.8 cm，如圖2（a）所示。北翼膠帶大巷原有支護采用U 型鋼架支護，為取得更真實的模擬效果，同比例制作了U 型支架，如圖2（b）所示。

圖2 相似模擬模型

北翼膠帶大巷原巖應(yīng)力為14.2 MPa，按照模擬比例換算模型上方原巖應(yīng)力為0.38 MPa，模型上部通過兩個5 t 油缸進行加載，共進行15 次加載，加載壓力梯度為0.06 MPa，第15 次加載壓力為0.90 MPa。為更加清晰直觀地體現(xiàn)不同應(yīng)力條件下巷道圍巖的破壞情況，對模型內(nèi)裂隙進行素描，最終得到不同應(yīng)力條件下巷道圍巖破壞情況的模擬結(jié)果如圖3。

圖3 不同應(yīng)力條件下巷道圍巖破壞情況

本次實驗前6 次加載，圍巖應(yīng)力小于原巖應(yīng)力0.38 MPa，巷道周圍未出現(xiàn)明顯的裂隙。第7 次加載后，巷道周圍巖體內(nèi)裂隙發(fā)育情況如圖3（a）所示，巷道底板1 m 深度范圍內(nèi)出現(xiàn)一道垂直裂隙，兩幫1.15 m 深度范圍內(nèi)也出現(xiàn)了垂直裂隙，在頂板0.7 m 深度出現(xiàn)一道水平裂隙。由此說明，頂板開始出現(xiàn)離層，兩幫開始出現(xiàn)片幫。由圖3（b）、（c）、（d）可以看出，隨著圍巖內(nèi)應(yīng)力的增大，巷道周圍裂隙逐漸擴展發(fā)育，頂板巖層離層愈加嚴重，兩幫片幫程度未明顯變化，底板裂隙逐漸擴寬和向深部延伸，底板破碎嚴重。加載壓力為0.90 MPa 時，巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力約為原巖應(yīng)力的2.4 倍，底板出現(xiàn)明顯的底鼓破壞，底板巖層破壞深度為1.7 m，頂板4.65 m范圍內(nèi)出現(xiàn)多條水平裂隙和豎向裂隙，左幫破壞深度1.67 m，右?guī)推茐纳疃?.23 m，巷道已失穩(wěn)破壞嚴重。

3.2 復(fù)修支護方案設(shè)計

根據(jù)上述物理相似模擬實驗可知，U 型鋼棚支護條件下，巷道圍巖內(nèi)裂隙逐漸發(fā)育，最終導(dǎo)致巷道頂板、底板失穩(wěn)破壞，巷道頂板巖層的松動破壞范圍為4.65 m，兩幫破壞深度為1.67 m，底板破壞深度為1.7 m，由此得到北翼膠帶大巷的極限平衡圈和松動圈[3-4]，如圖4（a）所示。最外面的橢圓圈為巷道極限平衡圈（外圈），里面的橢圓圈為松動圈（內(nèi)圈），據(jù)此提出采用錨網(wǎng)索+底板注漿錨桿+反底拱聯(lián)合返修方案。根據(jù)巷道破壞情況，進行斷面優(yōu)化，巷道寬度增加到5.0 m，預(yù)留兩幫片幫內(nèi)移量，直墻高度增大為1.6 m，拱高為1.4 m，預(yù)留頂板下沉空間，底板反底拱深度0.6 m，抑制底板底鼓并預(yù)留一定底鼓空間。頂板巖層松動范圍約4.65 m，選擇頂板采用6 m 長錨索，錨索規(guī)格Ф18.9 mm×6000 mm，兩幫破壞深度約為1.67 m，采用2.4 m 長的錨桿配合4.0 m 長的錨索。頂板和兩幫錨桿規(guī)格Ф20 mm×2400 mm，間距0.5 m，排距0.6 m，錨索間排距1.0 m×1.2 m，底板破壞深度為1.7 m，反底拱后破壞深度約為1.1 m，采用長度1.5 m的注漿錨桿進行加固，間距為0.8 m，排距為0.6 m。巷道全斷面采用8#鐵絲菱形金屬網(wǎng)，全斷面噴射100 mm 的C15 細石混凝土，北翼膠帶大巷復(fù)修支護流程：噴漿封閉→底板注漿→擴修→錨桿、錨索、掛網(wǎng)支護→初噴50mm 混凝土→復(fù)噴50 mm 混凝土，支護斷面如圖4（b）所示。

圖4 復(fù)修支護方案

4 效果驗證

北翼膠帶大巷采用錨網(wǎng)索+底板注漿錨桿+反底拱聯(lián)合支護方案返修后，為掌握巷道圍巖變形情況，驗證支護方案及參數(shù)的合理性，采用“十字布點法”[4]監(jiān)測其礦壓特征。經(jīng)過為期四個月的實地監(jiān)測，整理得到距開口100 m 處北翼膠帶大巷圍巖變形規(guī)律如圖5。隨著使用時間的增加，大巷頂板和兩幫的位移量呈階段性增大趨勢。返修60 d 后，頂?shù)装逡平繛?13 mm，兩幫移近量為74 mm；返修90 d 后，頂?shù)装逡平繛?21 mm，兩幫移近量為79 mm，頂?shù)装逡平吭龃罅? mm，兩幫移近量增大了5 mm；返修120 d 后，頂?shù)装逡平繛?23 mm，兩幫移近量為80 mm，頂?shù)装逡平吭龃罅? mm，兩幫移近量增大了1 mm；返修90 d 后，北翼膠帶大巷圍巖基本穩(wěn)定，兩幫及頂?shù)装遄冃瘟吭诤侠矸秶鷥?nèi)。由此說明，錨網(wǎng)索+底板注漿錨桿+反底拱聯(lián)合支護可有效控制北翼膠帶大巷圍巖的失穩(wěn)破壞，保障巷道的長期穩(wěn)定，返修支護方案可靠。

圖5 北翼膠帶大巷斷面收斂變化規(guī)律

5 結(jié)論

通過對忻峪煤業(yè)北翼膠帶大巷現(xiàn)場調(diào)研，巷道全程范圍內(nèi)多處出現(xiàn)頂板下沉、支架折斷、兩幫內(nèi)移、底板底鼓嚴重等破壞現(xiàn)象，通過物理相似模擬實驗，得出北翼膠帶大巷極限平衡圈和松動圈，巷道頂板破壞深度約4.65 m，兩幫破壞深度約1.67 m，底板破壞深度約1.70 m，據(jù)此提出巷道斷面優(yōu)化方案、支護方案并設(shè)計確定具體的支護參數(shù)?，F(xiàn)場實地應(yīng)用后，進行巷道圍巖變形情況監(jiān)測，證明錨網(wǎng)索+底板注漿錨桿+反底拱聯(lián)合支護方案能夠有效控制巷道圍巖內(nèi)裂隙的擴展發(fā)育，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，將巷道表面變形量控制在合理范圍內(nèi)，取得良好的應(yīng)用效果。