厚煤層巷道掘進冒漏分析及安全支護技術(shù)研究

李波睿

（晉能控股煤業(yè)集團宏泰礦山工程建設(shè)大同有限公司，山西 大同 037000）

0 引言

在巷道掘進中，由于斷層的作用，使原有的巖石失穩(wěn)和圍巖的力學(xué)特性發(fā)生變化，使斷裂區(qū)周圍的巖體產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力，這些應(yīng)力集中體現(xiàn)在頂板破碎、斷裂、下沉、局部滲漏、底板隆起、兩幫片幫和收斂等現(xiàn)象。常規(guī)的錨桿（索）在變形的圍巖支護中存在著錨固性不強、失效率高等問題。基于此，對晉能煤炭集團公司2106 巷段進行了現(xiàn)場調(diào)研和深入研究，探究了導(dǎo)致巷道穿越斷層出現(xiàn)頂板漏水的具體原因，針對巷道施工特點，采用了合理、高效的圍巖綜合防治技術(shù)，確保了工作面的安全，防止泄漏區(qū)域的面積持續(xù)擴大。

1 2106 巷概況

以晉能煤業(yè)集團公司2106 井巷為研究對象，該井巷在301 盤區(qū)3 號煤系南部，北部為實煤區(qū)，西側(cè)為盤區(qū)回風(fēng)巷、軌道巷、皮帶巷，南部為8108，東側(cè)為礦界煤柱。2106 井段的設(shè)計長度為144.6 m，采用石炭3 號煤為主，煤層厚為10.42～11.37 m，煤層中存在著多層夾矸，夾矸厚度一般為0.72 m，且夾矸的分布不均勻。煤層為穩(wěn)定煤層，即煤體的特征和結(jié)構(gòu)能保持長時間的穩(wěn)定，表1 列出了煤層頂?shù)装宓膸r性。

表1 3 號煤層頂?shù)装鍘r性

2106 巷道截面為矩形，寬度5500 mm、高度4000 mm，截面積22.0 m2，通過150 mm 混凝土實施路面硬化。

2 巷道掘進現(xiàn)狀及問題分析

2.1 巷道掘進現(xiàn)狀

1）巷道聯(lián)合支護的結(jié)構(gòu)為錨桿（索）+W 型鋼帶，見圖1。2106 井巷頂板采用了W 形鋼帶和錨索結(jié)合的方法。每行設(shè)置6 個直徑20 mm、長度2.0 m 的錨桿，每個錨桿之間間隔1.0 m、排距1.2 m。W 型鋼的長度是5.2 m，寬度是0.25 m。在每開挖3 m 的情況下，在頂板上設(shè)置3 個單錨，相鄰兩個錨索之間的距離為2.0 m，錨索的長度為5.0 m、直徑17.8 mm，錨桿與長、寬0.3 m 的鋼梁組合支撐[1]。在2106 巷巷幫中，采用了單錨桿和金屬網(wǎng)支護技術(shù)。巷道內(nèi)設(shè)置4 個直徑18 mm、長度2.0 m 的單錨桿，在錨桿暴露的一端設(shè)置1 條長度為0.4 m、寬度為0.25 m 的“W”形鋼，每條錨桿之間的間距為1.0 m。

圖1 2106 巷圍巖支護斷面示意圖（單位：mm）

2）2106 井巷掘進過程中采用機械化施工，目前已經(jīng)完成的掘進深度為572 m，當(dāng)掘進深度為560 m時，井巷中出現(xiàn)掘進斷層現(xiàn)象，斷層位置的高為1.9 m，斷層的傾斜角度為65°，與巷道的夾角為67°，角斷層的出現(xiàn)造成了巷道長達52 m 的地方受到影響。在掘進560 m 的時候，頂板破裂，在562 m 的位置發(fā)生了1 次泄漏，冒漏區(qū)域為高1.2 m、寬2.3 m，當(dāng)發(fā)現(xiàn)冒漏時，通過大量錨索加固抑制冒漏區(qū)域的進一步擴大，防止冒漏現(xiàn)象的加劇。在568 m 的巷道中，冒漏區(qū)發(fā)生了二次泄漏，冒漏高3.5 m、寬3.7 m、長4.0 m，可以發(fā)現(xiàn)冒漏區(qū)的形狀不規(guī)則，并且周邊煤巖的穩(wěn)定性較低，造成冒漏區(qū)難以實施支護，或者支護實施完成后效果和預(yù)期有較大差距[2]。

2.2 頂板冒漏機理

1）煤層賦存差。2106 井巷為全煤巷，3 號煤層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性較高，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煤層內(nèi)部夾研層數(shù)較多，使得煤層的結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重的破壞，造成當(dāng)前區(qū)域煤層抗壓強度和正常值相差較大。巷道的截面形狀是矩形，在巷道施工中，頂板與巷幫間的肩角煤容易發(fā)生不穩(wěn)，使得煤體之間相對摩擦比較小，難以保持穩(wěn)定，肩角煤柱容易發(fā)生垮塌，造成使得兩幫煤柱的穩(wěn)定性下降。由于結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，頂板手里結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生變化，從而會影響頂板的穩(wěn)定性。

2）地質(zhì)構(gòu)造影響。F7 斷層的侵入極大地影響了2106 巷的結(jié)構(gòu)，斷層使得巷道內(nèi)部的連續(xù)穩(wěn)定性受到嚴(yán)重的破壞，在斷層前后的位置，巷道的構(gòu)造應(yīng)力沿著掘進空間和斷裂下的卸壓釋放。在卸壓時，由于構(gòu)造應(yīng)力的作用，使煤巖發(fā)生了橫向剪切破壞，使斷層帶附近的煤體發(fā)生了脆性斷裂和局部的硅化。

3）掘進工藝影響。2106 井巷沿3 號煤層的底板開挖，開挖深度4.0 m，預(yù)留煤層7.37 m。在掘進過程中，雖然在穩(wěn)定性控制方面做了很多的工作，采用大量的錨桿（索）對巷道進行加固。但是，由于固有的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，再加上巖體自身重力的耦合作用，使得煤體出現(xiàn)斷裂和破碎的概率加大，頂煤的承載能力降低。

4）支護強度不足。傳統(tǒng)頂板的主要結(jié)構(gòu)是錨桿（索），利用維修過程中錨桿（索）的預(yù)應(yīng)力提供支護。在實施2106 井巷的掘進過程中，由于頂煤的穩(wěn)定性遭到破壞，頂板容易出現(xiàn)破碎，進一步造成了圍巖的松動，導(dǎo)致錨桿（索）的錨固處的穩(wěn)定性得不到有效保障，則支護的質(zhì)量較容易受到影響。

3 冒漏區(qū)支護技術(shù)

針對2106 井巷冒漏區(qū)圍巖采用“注錨加固+人工假頂填充+密集鋼棚”的綜合加固技術(shù)，能夠有效防止冒漏區(qū)的面積持續(xù)擴大，同時也能夠進一步提升圍巖的穩(wěn)定性，避免了有害氣體的含量超過安全閾值。

3.1 注漿加固

1）注漿加固目的。當(dāng)2106 巷出現(xiàn)冒漏現(xiàn)象以后，及時對附近的裂縫巖體進行注漿，使?jié){液滲入裂縫區(qū)域，填充、黏合裂縫，加強了裂縫巖體的整體穩(wěn)定，形成了柔性的人工支護結(jié)構(gòu)，提高了巖石的抗壓能力，并有效的避免了再一次出現(xiàn)滲漏。

2）注漿材料及設(shè)備。本文中采用注漿的設(shè)備為氣動注漿泵，具體型號是2ZBQS7/12，在額定的工作狀態(tài)下，氣動注漿泵的工作壓力為12 MPa，供氣壓力0.5 MPa，能夠完成7 L/min 的注漿。該注漿泵可以通過多種介質(zhì)進行壓力傳遞，如泥漿、壓縮空氣等，注漿泵具備結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的特征，同時能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。注漿料的主要成分是聚氨酯和固化劑，且兩者之間的比例為1∶1，它的特點是勃度低，具有很強的滲透能力，能夠在短時間內(nèi)凝固，凝固時的加熱溫度可達90 ℃，發(fā)生自燃的可能性較低[3]。

3）注漿工序。對冒漏區(qū)和冒漏區(qū)后10 m 處的頂板進行注漿孔施工。在冒漏區(qū)，沿著冒漏區(qū)的頂板周圍設(shè)置了注漿孔，鉆孔深度為4.0 m，冒漏區(qū)向后10 m處的灌漿鉆孔深度為3.0 m，井眼的排列間隔為2.0 m；灌漿過程中，從內(nèi)到外依次進行灌漿，按單孔灌漿順序：安裝注漿軟管—安裝封孔器—連接注漿泵—開啟注漿泵。注漿需要滿足的技術(shù)條件是每次注漿單孔注漿量不少于45 kg，注漿壓力保持再1.5 MPa，注漿時間為15 min。

3.2 人工假頂施工

首先通過在注漿的方式對工作面進行補強，然后在工作面上進行人工假頂和組合錨索的施工。

1）冒漏區(qū)的面積和高度都很大，在冒漏區(qū)下面設(shè)置3 個錨索吊棚，以改善冒漏區(qū)的假頂穩(wěn)定性。吊棚長度4.2 m，吊棚采用2 條4.0 m 長的纜繩進行吊裝，吊棚垂直于兩幫，每隔1.5 m 設(shè)置1 個吊棚。在完成吊頂后，吊頂和頂板之間的間隔應(yīng)為0.1 m。

2）在冒漏區(qū)錨索吊頂完成后，先在吊頂上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、風(fēng)筒布，然后在鋪設(shè)工作面進行雙組“井”的木垛的架設(shè)。木垛安裝完后，要緊密地接觸冒漏區(qū)的頂板。

3）在工程完成后10 m 以內(nèi)，采用復(fù)合錨索進行補強。該組合錨索主要包括1 塊寬、長0.5 m 的鋼板和3 條長0.3 m、直徑21.8 mm 的恒阻錨。兩組組合錨索，在每列中分別設(shè)置2.0 m 間距和3.0 m 排距的間隔，見圖2。

圖2 2106 巷冒漏區(qū)聯(lián)合支護施工示意圖（單位：mm）

3.3 梯形鋼棚加固

在冒漏區(qū)進行圍巖注漿、假頂施工等環(huán)節(jié)時，為了避免施工影響到正常的巷道掘進進程，造成假頂區(qū)塌陷，在560 m 處利用梯形鋼棚對冒漏區(qū)的頂部進行進一步加固。

1）梯形鋼棚由多個模塊組成，包括頂梁、棚腿、吊索、底座、連接桿等部件。頂梁長5.2 m，頂梁焊接14號槽鋼，在頂部梁兩端焊接1 套30 mm 的圓形孔洞。棚架采用U29 型鋼架焊接，每個棚架的組成為2 根U29 型鋼，每根型鋼的長為2.5 m。

2）按照下述的流程進行梯形棚架的安裝：底座—棚腿—頂梁。鋼棚在安裝過程中需要注意和頂梁的角度控制在75°，鋼棚的基底通過地錨和地面緊密連接起來，每2 個鋼棚的間距為1 m。所有鋼棚在安裝完畢后，在2 個相鄰的鋼棚支架之間設(shè)置一套用連桿加固。

4 結(jié)論

1）注漿法對冒漏區(qū)圍巖的抗壓強度由顯著提升作用，實踐表明，采用注漿法使得裂縫巖體的單軸抗壓強度從20 MPa 增加到38.7 MPa，使原巖的強度得到明顯的增強，裂縫帶的擴展得到了有效的補充，有效地控制了圍巖的松動圈。

2）對冒漏區(qū)進行假頂施工，施工完成后，可以有效提升區(qū)域加固效果，漏區(qū)頂板的巖體穩(wěn)定得到提高，避免了由于掘進時的掘進干擾和圍巖的蠕動，有泄漏區(qū)域擴展的情況。在完成冒漏區(qū)填充以后，能夠顯著地減少周邊圍巖與大氣的接觸發(fā)生氧化的反應(yīng)。

3）梯形鋼棚在適應(yīng)不同應(yīng)力的能力比常規(guī)的矩形鋼棚更具優(yōu)勢，通過棚腿迎山角的調(diào)節(jié)可以應(yīng)用于各種復(fù)雜條件下的圍巖支護，變形率低，支撐強度高。在冒漏區(qū)設(shè)置梯形鋼棚后，圍巖的應(yīng)力對煤柱剝離和破壞起到了一定的抑制作用。由于采用了階梯鋼棚，減少了冒漏區(qū)圍巖的壓力對煤柱的剝脫和破碎，從而改善了兩組煤柱的穩(wěn)定和防止了肩角煤柱的崩塌。