8222工作面軟巖巷道鉆孔卸壓優(yōu)化支護技術(shù)研究

裴志遠

（同煤集團宏泰公司，山西 大同 037000）

1 工程概況

同煤大唐塔山煤礦8222 工作面位于3~5#煤層二盤區(qū)，工作面主采3~5#煤層，煤層均厚為19.93m，平均傾角為2°，屬巨厚煤層。煤層中含有6~17 層夾矸，夾矸層的厚度在2.1~13.7m 之間變化，平均厚度為5.57m。煤層上方直接頂為泥巖和炭質(zhì)泥巖，均厚為7.41m，基本頂為中砂巖和粗砂巖，均厚為8.3m。工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。8222 工作面頂板高抽巷設計為矩形斷面，沿煤層頂板掘進，屬于軟巖巷道，巷道設計全長約2907m，巷道寬度4200mm，高度3000mm。巷道原有支護方式采用錨桿、鋼帶、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。原有支護頂錨索型號為Ф17.8mm×8300mm，三花布置，排間距為1800×1200mm；頂板錨桿使用Ф22×2500mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排間距900×1000mm；兩幫錨桿型號為Ф18×2000mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排間距900×1100mm；金屬網(wǎng)采用網(wǎng)格為70mm×70mm 的8#鉛絲金屬網(wǎng)。8222 工作面頂板高抽巷在原有支護方案下圍巖變形量大，急需采取有效措施控制巷道圍巖的變形。

2 鉆孔卸壓原理分析

根據(jù)巷道圍巖相關松動圈的理論可知，巷道在開挖后會在巷道周圍淺部圍巖的一定深度內(nèi)出現(xiàn)松動圈，由于松動圈范圍內(nèi)的圍巖處于單向或者雙向受力狀態(tài)，巖石在集中應力的作用下會破壞。盡管破壞后的圍巖體存在著一定的殘余強度，但圍巖的破壞會使得圍巖體內(nèi)的應力得到釋放。鉆孔卸壓的原理與巷道相似，當鉆孔形成后，鉆孔周圍的煤體會由原本的三軸受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為單向或者雙向受力狀態(tài)，在集中應力的作用下，鉆孔周圍的煤巖體會逐漸進入塑性狀態(tài)，隨著鉆孔周圍煤巖體塑性區(qū)域的不斷擴大，在塑性區(qū)內(nèi)區(qū)的圍巖變形量與塑性區(qū)外區(qū)的圍巖變形相比要大，進而內(nèi)圈的煤體便會發(fā)生破裂，進而形成破裂區(qū)，最終在卸壓鉆孔周圍會形成由彈性區(qū)、塑性區(qū)和破裂區(qū)組成的圍巖卸壓圈[1-2]。

當巷道開挖作業(yè)形成的松動圈與打設卸壓鉆孔形成的卸壓圈產(chǎn)生相互疊加時，便會在巷道的周圍形成一個較大的松動圈，其結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 巷道與卸壓鉆孔松動圈疊加示意圖

通過在需進行卸壓的巷道圍巖內(nèi)打設卸壓鉆孔，能夠使巷道掘進產(chǎn)生的支承壓力峰值逐漸向圍巖的深部轉(zhuǎn)移，進而使得巷道處在應力降低區(qū)的范圍內(nèi)，能夠有效地減小巷道圍巖的變形量；另一方面，卸壓鉆孔的打設能夠為巷道圍巖提供一定的變形空間，能夠有效地吸收圍巖內(nèi)的一部分變形，進而在總體上減小巷道圍巖的變形量[3-4]。具體卸壓鉆孔的作用原理如圖2 所示。

圖2 卸壓鉆孔作用原理圖

3 鉆孔卸壓支護設計與效果

3.1 巷道變形破壞機理分析

通過對8222 工作面頂板高抽巷的圍巖進行物理力學性能的測試和現(xiàn)場觀測，得出巷道圍巖變形破壞的主要原因如下：

（1）巷道圍巖應力大。根據(jù)8222 工作面的地質(zhì)資料可知，巷道圍巖處于高應力水平，圍巖受到的水平應力值較大，形成了較高的應力水平，增大了8222 工作面頂板高抽軟巖巷道的支護難度。

（2）圍巖強度低，具有較強的膨脹性。由于8222 工作面頂板高抽巷沿著煤層頂板掘進，煤層直接頂為泥巖和炭質(zhì)泥巖，其巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體整體呈現(xiàn)出松散破碎的特征。根據(jù)圍巖力學試驗可知炭質(zhì)泥巖和泥巖的整體強度在20 ～40MPa之間；另外由于直接頂巖層主要以泥巖為主，其泥質(zhì)含量較大，巷道開挖后圍巖極易風化，進而會使得圍巖體的穩(wěn)定性變差，圍巖強度急速降低；同時X 衍射礦物成分分析可知，直接頂泥巖中主要以高嶺石為主，同時含有一定的伊利石粘土礦物，致使巖石表現(xiàn)出親水性較強、易于出現(xiàn)塑性流變的特征，具有膨脹性。

（3）巷道底角和幫肩應力集中程度大。8222工作面頂板高抽巷斷面形狀為矩形，由于矩形巷道的承載能力與拱形巷道相比較低，并且矩形巷道在高應力的作用下，巷道會首先從底角和幫肩位置處出現(xiàn)破壞，進而導致巷道圍巖大范圍的變形破壞。

（4）巷道支護方式不合理。根據(jù)8222 工作面頂板高抽巷處于高應力區(qū)域和圍巖松散破碎的兩大特點，在對巷道支護時需具備兩大特點：① 支護系統(tǒng)應具備適應圍巖大變形的特征，能夠與圍巖形成協(xié)同變形；② 巷道支護系統(tǒng)應能夠提供足夠的支護阻力，來保障巷道圍巖的穩(wěn)定。8222 工作面頂板高抽巷現(xiàn)有支護方式僅僅注重了巷道的支護強度，給巷道圍巖提供了一定的支護阻力，通過提高支護強度能夠維護降低巷道圍巖變形量，但成本過高，可對巷道周邊高能力和高應力進行適當?shù)摹白尅焙汀稗D(zhuǎn)”，進而調(diào)整巷道圍巖的應力分布狀態(tài)，保證巷道處于應力降低區(qū)內(nèi)，維持巷道圍巖的穩(wěn)定。

3.2 支護整體思路

由于軟巖自身存在著塑性、各向異性、膨脹性、流變性等特征，進而使得軟巖在高應力狀態(tài)下表現(xiàn)出圍巖變形量大、變形持續(xù)時間長、變形速率快等特征，高應力為軟巖巷道變形破壞的主要原因。基于此特點，提出先將積聚在巷道周圍的高支承應力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，再進行讓壓，釋放圍巖的變形能，最后再采用高強度、高穩(wěn)定性的錨固支護來保證圍巖的穩(wěn)定。具體8222 頂板高抽巷圍巖的控制思路如圖3 所示。

圖3 8222 工作面頂板高抽巷圍巖控制思路

3.3 支護方案設計

根據(jù)鉆孔卸壓原理、8222 工作面頂板高抽巷原有支護方案存在的問題及轉(zhuǎn)讓抗支護方案的控制思路對8222 工作面頂板高抽巷的支護方案進行優(yōu)化設計，支護參數(shù)如下：

（1）頂板支護參數(shù)

頂板錨桿采用型號為Φ22mm×2500mm 的左旋無縱筋錨桿，間排距為800×800mm，靠近兩幫的錨桿向巷幫方向傾斜成15°安裝，其余錨桿垂直于巷道頂板打設。錨桿的錨固長度為1.2m，錨桿的安裝預緊力大于300N?m，同時采用7 網(wǎng)孔規(guī)格為70×70mm 的鋼筋網(wǎng)進行護頂。每排錨桿的第二根或者第五根用Φ18.9×5500mm 的錨索進行替換，并在每兩排錨桿中間布置型號為Φ18.9×5500mm的錨索，間排距為2000×2200mm。每排打設2 根錨索，錨索垂直于頂板打設，錨索型號為Φ22×8300mm 的1×19 股的鋼絞線，錨索的安裝預緊力為100kN，錨索采用兩支M2350 和兩支CK2350 型樹脂型錨固劑進行錨固，錨固長度為2700mm。

（2）兩幫支護參數(shù)

巷幫錨桿的間排距為700mm×800mm，錨桿直徑為22mm，長度為2500mm，錨桿的型號為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。巷道斷面內(nèi)每排安裝4 根錨桿，靠近底板的錨桿向底板方向傾斜30°安裝，其余錨桿均垂直巷幫安裝。錨桿預緊力、錨固劑、托盤、金屬網(wǎng)及錨桿的錨固長度與頂板參數(shù)相同。

（3）卸壓鉆孔參數(shù)

沿著8222 工作面頂板高抽巷的走向方向，在巷道兩幫各施工3 個卸壓鉆孔。鉆孔的間排距為1000mm×800mm，鉆孔直徑為120mm，鉆孔深度為6m。

具體8222 工作面頂板高抽巷的支護示意圖如圖4 所示。

3.4 效果分析

為驗證8222 工作面頂板高抽巷采用鉆孔卸壓后的支護方案效果，通過十字布點法對頂板高抽巷的表面位移進行持續(xù)觀測。每兩天對巷道圍巖的位移進行一次觀測，持續(xù)觀測30d。根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)能夠得到巷道表面位移的曲線圖，如圖5 所示。

巷道表面位移的監(jiān)測結(jié)果顯示，8222 工作面頂板高抽巷在鉆孔卸壓支護技術(shù)實施后，在0 ～10d內(nèi)巷道圍巖變形量較大，頂?shù)装宓淖冃嗡俾蕿?1.5mm/d，兩幫變形速率為27mm/d；在10 ～30d的時間內(nèi)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤颈３址€(wěn)定，這即表明巷道圍巖已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?15mm，兩幫最大移近量為270mm，巷道圍巖變形量在采用鉆孔卸壓支護后得到了有效控制。

圖4 8222 工作面頂板高抽巷支護示意圖

圖5 巷道圍巖變形量曲線圖

4 結(jié)論

通過分析8222 工作面頂板高抽巷在現(xiàn)有支護下存在的問題，并結(jié)合鉆孔卸壓原理，對頂板高抽巷的鉆孔卸壓支護方案進行優(yōu)化設計。礦壓監(jiān)測結(jié)果顯示，在頂板高抽巷采用鉆孔卸壓支護方案后，頂?shù)装宓淖畲笠平繛?15mm，兩幫最大移近量為270mm，解決了巷道圍巖變形量大的問題，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。