象山礦井5#煤層系統(tǒng)巷道圍巖失穩(wěn)破壞機理研究

陳 陽 金朋飛 高 攀

陜西陜煤韓城礦業(yè)公司象山礦井 陜西韓城 715400

為解決象山礦井南一下山采區(qū)5#煤系統(tǒng)巷道受動壓影響，巷道變形量嚴重，支護質量難以滿足礦壓需求、嚴重制約礦井安全生產的難題，象山礦井和中國礦業(yè)大學聯(lián)合對象山礦井高應力巷道圍巖控制技術開展專項研究，并對3#煤21312和5#煤21510工作面的采動影響規(guī)律和5#煤軌道下山變形破壞特征及支護承載規(guī)律進行了跟蹤觀測，同時，在5#煤軌道下山21510工作面采動影響段開展了高強支護試驗。

1 概述

象山礦井位于渭北煤田北部，井田為石炭二疊系含煤建造，含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，其中山西組3#煤層和太原組5-1煤層、11#煤層為主要可采煤層?？紤]到11#煤層底板奧陶系石灰?guī)r含水層水壓高于11#煤層開采標高，奧灰水對礦井安全生產威脅較大。因此，礦井目前僅開采3#和5#煤層。

象山礦井共劃分為三個采區(qū)，目前主要生產采區(qū)為南一下山采區(qū)(單翼采區(qū))，開采3#和5#煤層，3#煤層與5#煤層間距在20～25m之間，采用聯(lián)合布置方式開采；共布置三條準備巷道，由北向南依次為3#煤回風下山、5#煤運輸下山和5#煤軌道下山，均沿煤層頂板掘進，埋深360～670m；采區(qū)內采面均按走向布置，采面停采線以上覆紅旗渠南干渠煤柱為準，與系統(tǒng)巷道留設有安全煤柱。此外，為滿足生產需求，5#煤軌道下山南側相隔60m平行布置5#煤工作面回風聯(lián)巷，回風聯(lián)巷距工作面停采線一般在80～100m左右，如圖1、圖2所示。

這種布置方式下，盡管3#煤工作面和5#煤工作面停采線距5#煤軌道下山的最小水平距離均在120m以上，但在工作面回采末期三條下山均存在不同程度地變形破壞，尤其是5#煤軌道下山破壞最為嚴重，巷道斷面已經無法滿足安全生產需求。為保障礦井正常生產，不僅需要對軌道下山頻繁拉底，而且在工作面停采后還需對軌道下山進行全斷面擴修。然而，在巷道擴修工程結束不久，軌道下山便開始出現(xiàn)持續(xù)的底鼓和兩幫內移，不得不頻繁進行拉底和刷幫。經歷多次擴修后，軌道下山巷道變形不僅無法得到有效控制，巷道修復周期反而在逐漸縮短，部分地段巷道已經陷入“反復擴修”的惡性循環(huán)。

2 采區(qū)內5#煤系統(tǒng)巷道失穩(wěn)破壞原因及存在問題分析

2.1 地質概況

南一下山采區(qū)三條下山均布置在煤層中，回風下山沿3#煤布置，軌道下山和運輸下山沿5#煤布置；該采區(qū)5#煤為半亮型煤，煤層結構復雜，含泥巖夾矸1～2層，平均厚度0.2m。煤層厚度變化較大，局部煤層變薄，在MCQ6、MCQ10、243#鉆孔附近區(qū)域，5-1#煤層厚度1.0～1.7m，其余區(qū)域5-1#煤層厚度2.0～3.1m之間，5-2#煤層厚度0.8～1.2m，局部夾矸。煤層傾角3°～5°，普氏系數(shù)在0.5～1.0之間。煤層偽頂為黑色泥巖，呈塊狀，破碎，易垮落，沉積不穩(wěn)定，厚度0.2～0.9m；直接頂為灰色粗砂巖、中砂巖，泥質膠結，較堅硬，中厚層狀，平均厚度6.0m，裂隙發(fā)育，為中等穩(wěn)定頂板；基本頂為灰色中砂巖，中厚層狀，鈣泥質膠結，致密堅硬，平均厚度4.0m，裂隙發(fā)育。煤層直接底為灰色砂質泥巖，松軟破碎，厚0.9～2.25m；基本底為灰色粉砂巖，中厚層狀，致密堅硬，含有黃鐵礦結核，厚度4.0～6.0m。采區(qū)5#煤頂、底板巖性特征見下表。

南一下山采區(qū)5#煤頂、底板巖性特征表

2.2 支護方式

如圖3所示，5#煤系統(tǒng)巷道設計斷面為矩形，掘進斷面尺寸為5.0m×2.8m，原始支護采用錨網索聯(lián)合支護，具體參數(shù)如下：

(1)錨桿支護參數(shù)：頂板采用Φ20mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護，間排距900mm×800mm，每排6根。每根錨桿采用1支MSCK2370錨固劑錨固；兩幫煤體采用Φ22mm×2500mm全長自攻絲錨桿，巖體采用Φ20mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800mm×800mm，每幫4根。

(2)錨索支護參數(shù)：頂板錨索規(guī)格為Φ21.8mm×6000mm鋼絞線，間排距1800mm×800mm，采用“3—2—3”布置形式；每根錨索采用2支MSCK2370錨固劑錨固。巷道副幫每兩排托梁之間使用Φ21.8mm×6000mm錨索進行補強支護，間排距：800mm×1600mm。第一根錨索打設在頂板向下600mm處，第二根距第一根800mm。

(3)護表構件參數(shù)：錨桿配合使用150mm×150mm×10mm鐵托板；錨索配合使用240mm×240mm×10mm平托板；巷道全斷面采用鋼筋網護表，網片搭接長度100mm，并采用14#鐵絲雙股綁扎，綁扎間距200mm。

(4)施工質量標準：錨桿螺母預緊力矩不低于250N·m。頂部錨索預緊力不低于150KN，幫部錨索預緊力不低于100kN。

2.3 5#煤系統(tǒng)巷道失穩(wěn)破壞特征及原因分析

根據(jù)礦井5#煤工作面開采期間的礦壓觀測數(shù)據(jù)分析，軌道下山在經受周邊工作面采動影響前，巷道整體變形量并不大，以底鼓為主。受周邊工作面采動影響后，5#煤層軌道下山開始急劇變形，變形速度超過20mm/d(見圖4)。由于巷道頂板為堅硬的砂巖，軌道下山變形特征以底鼓和兩幫強烈內移為主，且隨著兩幫不斷鼓出頂板開始出現(xiàn)整體下沉，最大下沉量超過150mm。從5#煤21510工作面進入末采階段開始，直至工作面支架撤出封閉后，5#煤軌道下山巷幫仍持續(xù)內移，兩幫最大移近量達到2.0m以上，且?guī)筒砍收w推出狀態(tài)。

在幫部鼓出同時，軌道下山出現(xiàn)大面積底鼓。由于巷道高度不足，礦井不得不對軌道下山進行反復拉底，平均拉底時間間隔為2～3個月。單次最大拉底量600～800mm，巷道累計拉底量超過2m。與巷道幫部變形特征對照分析，巷道存在強烈底鼓現(xiàn)象的區(qū)域幫部變形量普遍較大，尤其是反復拉底的巷道，幫部內移量都在1m以上。軌道下山變形呈現(xiàn)底鼓加速兩幫內移，兩幫內移促進底鼓的特征，巷道幫部錨網支護承載結構逐步失穩(wěn)、破壞。

根據(jù)象山礦井5#煤系統(tǒng)巷道地質采礦條件和動壓影響期間的變形破壞特征，導致巷道強烈變形的原因主要有以下幾個方面：

2.3.1 特殊的巖層結構

3#煤層直接頂為厚度14m左右的粗砂巖，基本底為厚度6m左右的粉砂巖，5#煤直接頂為厚度12m左右的中砂巖，基本底為厚度8m左右的粉砂巖。除了煤層和直接底泥巖較為軟弱外，煤層上、下均為堅硬的砂巖，形成了“強—弱—強”結構，在高應力作用下松軟煤體和泥巖將出現(xiàn)劇烈的圍巖變形。

2.3.2 采動應力擾動

數(shù)值計算模型中軌道下山與3#煤工作面停采線相距125m，與5#煤工作面停采線相距166m。如圖5所示，3#煤工作面停采后在煤柱內形成的峰值應力高達55.96MPa，約為原巖應力的3.7倍。由于煤層厚度較小，峰值應力區(qū)的范圍并不大，而且峰值位置大致位于煤壁前方15m左右，受煤柱內集中應力傳播影響，回風聯(lián)巷和軌道下山圍巖應力水平也有所提高。由于5#煤工作面停采線內錯3#煤停采線布置，5#煤工作面停采后3#煤工作面采空區(qū)和煤柱內的垂直應力水平明顯提高，導致回風聯(lián)巷和5#煤軌道下山應力大幅提升。

而在實際生產過程中，經過對3#煤21312和5#煤21510工作面的采動影響規(guī)律和5#煤軌道下山變形破壞特征及支護承載規(guī)律進行跟蹤觀測，3#煤21312工作面超前影響范圍約125m；5#煤超前影響范圍約322m，對5#煤軌道下山劇烈影響范圍約187m。21312工作面停采線與5#煤軌道下山距離大于170m，對軌道下山影響較??；21311工作面停采線與5#煤軌道下山距離在100～129m之間，對軌道下山具有一定影響，21510工作面停采與5#煤軌道下山距離在140～170m之間，軌道下山完全處于工作面采動影響劇烈影響區(qū)。

2.3.3 巷道支護設計

首先，從巷道圍巖巖性來看，軌道下山頂板為堅硬中粒砂巖，底板為泥巖、煤線等軟弱復合巖層，煤層和這部分復合軟巖巖體強度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，對應力變化極為敏感，內部應力平衡狀態(tài)容易被打破。尤其是對于擴修巷道，每經歷一次擴修，巷道圍巖應力就經歷一次“中高應力→低應力→中高應力”循環(huán)，與此同時巷道圍巖產生應變軟化現(xiàn)象，巖體強度不斷降低，松動圈范圍也在不斷擴大。其次，從巷道支護強度來看，礦井5#煤軌道下山、回風聯(lián)巷支護設計煤幫主要采用2.5m、3.5m的自攻絲錨桿支護，該種錨桿在后期承載過程中，受5#煤巷道反復擴修，煤體松軟影響承載力不足，尤其是在煤體松軟區(qū)域巷道頂角位置，自攻絲錨桿的最大抗拔力不到2t，支護強度不滿足要求。

3 建議

象山礦井5#煤松軟破碎，經過多次擴修后巷道圍巖完整性和強度將進一步降低?？紤]到原有自攻絲錨桿施工復雜，支護強度低的問題，必須采用高強樹脂錨桿(錨索)替代，配合特殊錨固劑配速后進行支護。同時巷道施工前需開展巷道圍巖結構探測和錨桿、錨索錨固力拉拔試驗，全面評估巷道圍巖的錨固性能。當錨桿、錨索拉拔力低于20t時，應立即查明原因并提出針對性的改進措施，保證錨桿、錨索的錨固力能夠達到設計要求。此外，在巷修過程中除按規(guī)定布置頂板離層監(jiān)測裝置和礦壓觀測測站外，還應定期抽查錨桿、錨索的拉拔力。