風(fēng)氧化淺埋軟巖巷道變形機(jī)理及支護(hù)研究

孟 敏

(霍州煤電集團(tuán) 晉北煤業(yè)有限公司, 山西 靜樂 035100)

在礦井開采過(guò)程中存在各種各樣復(fù)雜的地質(zhì)條件，對(duì)安全開采形成嚴(yán)重威脅。其中，淺埋煤層在地表降水及日曬風(fēng)化等作用下圍巖內(nèi)部裂隙加速發(fā)育形成較為破碎的軟弱巖體，當(dāng)巷道布置位于這些較為軟弱的巖體中時(shí)，巷道的支護(hù)存在著極大的難度[1]. 近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)軟巖巷道支護(hù)做了大量的研究，傳統(tǒng)的支護(hù)方案有：通過(guò)高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力端頭錨固錨索加固巷道頂部巖體結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)度錨索通過(guò)懸吊作用將較為不穩(wěn)定的巷道表面巖體懸吊于較為穩(wěn)定的巷道深部，提高圍巖強(qiáng)度使得回采過(guò)程中工作面巷道具有相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，保證回采工作安全[2]；還可以通過(guò)注漿加固提高圍巖強(qiáng)度，注漿液體經(jīng)過(guò)高壓動(dòng)能滲入圍巖已有的結(jié)構(gòu)軟弱面，注漿液體凝結(jié)后強(qiáng)度較高能保證圍巖中原有的裂隙不再二次發(fā)育，使得巷道形成相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。破碎軟巖支護(hù)方式有很多種，對(duì)于特殊的工程條件有不同的實(shí)用性，在工程實(shí)踐操作中需充分考慮地質(zhì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)成本及支護(hù)效果[3].

以晉北煤業(yè)公司井下一采區(qū)5-101回采工作面巷道為研究背景，分析回采過(guò)程中巷道變形破壞特征及原有支護(hù)方案，提出使用礦用中空注漿錨索在頂板內(nèi)注入添加有機(jī)材料的改良注漿液體加固圍巖，保證巷道穩(wěn)定,為礦井安全生產(chǎn)提供最為合理的支護(hù)方案。

1 工程背景

霍州煤電集團(tuán)晉北煤業(yè)公司一采區(qū)5-101工作面，所采煤層為5#煤，賦存厚度3.8～5.1 m，平均厚度4.7 m為中厚煤層。工作面距離最近的村莊430 m，上覆存在30 m厚的黃土層及50 m厚的基巖，上覆蓋厚度較小，受地表降水下浸及風(fēng)化作用，所掘進(jìn)巷道上部巖層弱化較為嚴(yán)重。該工作面走向長(zhǎng)度150 m，傾向長(zhǎng)度150 m，在礦井設(shè)計(jì)時(shí)可采儲(chǔ)量142 700 t，設(shè)計(jì)回采率可達(dá)94%. 巷道直接頂為4 m厚的灰黑色泥巖，巖層中結(jié)構(gòu)裂隙較為發(fā)育，巷道基本頂為灰黑色灰?guī)r，巖層中含有植物根莖化石和方解石，總厚度2.5 m，屬于中硬類巖石，巖層中結(jié)構(gòu)裂隙和直接頂一樣較為發(fā)育。巷道直接底為含植物化石的泥巖，質(zhì)地較軟呈灰黑色，厚度約2 m. 工作面涌水量10～20 m3/h，來(lái)自頂板上方裂隙涌水，對(duì)工作面影響較大，工作面下方奧灰水位較低，對(duì)工作面沒有威脅。所研究巷道斷面尺寸4.5 m×2.6 m，原始支護(hù)方案為錨桿錨索+金屬網(wǎng)支護(hù)，因煤層賦存較淺頂板巖體風(fēng)化嚴(yán)重，錨索支護(hù)采用鋼絞線端頭錨固，錨固部位巖體松動(dòng)錨固支護(hù)效果不佳，巷道破壞嚴(yán)重。

2 錨桿錨索支護(hù)巷道破壞分析

2.1 巷道破壞特征

在5-101工作面掘進(jìn)初期，采用錨索錨桿加金屬網(wǎng)的支護(hù)方案對(duì)所采工作面運(yùn)輸與回風(fēng)順槽進(jìn)行支護(hù)，由于巷道上方圍巖風(fēng)化嚴(yán)重加之透水軟化，錨索在錨固后5天內(nèi)脫落率達(dá)40%，金屬網(wǎng)內(nèi)巖石破碎，破碎塊直徑小于30 cm，金屬網(wǎng)下沉面積達(dá)70%，頂板最大下沉量超過(guò)20 cm，設(shè)置于巷道內(nèi)的頂板離層儀在距該工作面所開切眼50 m處，均超出了頂板下沉安全數(shù)值。

2.2 巷道圍巖破壞因素

在回采工作面及巷道頂板破壞區(qū)域內(nèi)選取破壞后煤及巖石樣本對(duì)圍巖破壞因素進(jìn)行研究，觀察工作面頂板巖體及煤體的破壞可知，由于煤層賦存較淺，在地表降水及日曬風(fēng)化的共同作用下巷道圍巖裂隙較多，上部降水沿著巖體裂隙下滲軟化巖體，使得工作面圍巖難以支護(hù)，綜合分析該運(yùn)輸巷道破壞因素主要有以下幾個(gè)方面：

1) 上覆蓋較淺致使巖體風(fēng)化變軟。由于工作面埋深僅為80 m左右，其中還包含約30 m的黃土層，土層較為疏松致使巖體有充分的氧化條件，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期地表風(fēng)化侵蝕，在巷道開挖后頂板出現(xiàn)大量裂隙，頂板巖體破碎塊直徑小于20 cm，裂隙最大寬度超過(guò)2 mm，破碎的圍巖通過(guò)普通的錨桿錨索無(wú)法形成穩(wěn)定的拱梁支護(hù)結(jié)構(gòu)，巷道支護(hù)難度較大。

2) 結(jié)構(gòu)面導(dǎo)水軟化圍巖。地表降水不僅可以侵蝕上覆表土層，使得水土流失逐年加劇，煤層埋深不斷變小，降水還會(huì)沿著巖體結(jié)構(gòu)面下浸，長(zhǎng)時(shí)間不斷的侵蝕使原有的結(jié)構(gòu)面更加軟弱。工作面涌水量達(dá)10～20 m3/h，巖體中原有的裂隙在涌水作用下不斷增大，破碎的巖體之間出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，完整的巖體不斷吸水，內(nèi)部還會(huì)遇水膨脹產(chǎn)生新的裂隙。

3) 煤體自身遇水軟化。工作面巷道沿頂板布置，巷道一側(cè)為所采煤層，當(dāng)巷道開挖后上方頂板含水進(jìn)入工作面軟化煤體，巷道兩幫的支撐力減小，巷道破壞更容易發(fā)生。工作面回采所得煤塊直徑均小于15 cm，其中粉末狀煤炭占所采煤總體積的40%，較軟的煤層也會(huì)導(dǎo)致頂板礦壓顯現(xiàn)劇烈，給支護(hù)增加難度。

3 巷道支護(hù)方案研究

5-101工作面回采巷道在掘進(jìn)過(guò)程中時(shí)常遇到受風(fēng)氧化的圍巖和煤層，圍巖極為松動(dòng)，當(dāng)巷道掘進(jìn)機(jī)高功率運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的采掘動(dòng)壓會(huì)直接擾動(dòng)頂板巖層，掘進(jìn)形成的巷道形狀本身難以規(guī)則且支護(hù)時(shí)圍巖極易松動(dòng)，對(duì)礦井安全生產(chǎn)產(chǎn)生極大威脅。

巷道原有的支護(hù)方案為錨桿錨索加金屬網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)方案見圖1，巷道兩幫及頂板采用d22 mm，長(zhǎng)度1.5 m的左旋螺紋鋼錨桿，兩幫間排距700 m×1 000 mm，頂板間排距為840 m×1 000 mm，由于頂板圍巖較為破碎，因此僅在巷道頂部間隔1 600 mm布置兩根錨索，且排距設(shè)置為3 000 mm，在錨索強(qiáng)度足夠的情況下盡可能減少錨索鉆孔對(duì)圍巖的破壞。因原支護(hù)方案錨索錨固點(diǎn)為巷道上部6.35～7.3 m，頂板該段巖性為裂隙較為發(fā)育的細(xì)粒砂巖，在較大預(yù)緊力及破碎頂板的共同作用下，所開挖的運(yùn)輸巷道50 m范圍內(nèi)出現(xiàn)大量漏頂現(xiàn)象。

圖1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索支護(hù)方案圖

由于頂板破碎巖體塊直徑小于20 cm，裂隙寬度達(dá)2 mm，對(duì)于極為破碎頂板的支護(hù)通常采用注漿加固的方式穩(wěn)定巷道圍巖。在該巷道頂板錨桿兩排中間設(shè)置注漿孔，見圖2. 該孔的深度與錨桿孔深度相同，采用42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1進(jìn)行剛性注漿加固。在巷道50～60 m對(duì)該支護(hù)方案進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)殄^桿孔深度有限，仍然無(wú)法改變錨索錨固脫落的現(xiàn)象。

圖2 錨桿排間剛性注漿孔布置圖

原錨索支護(hù)與頂板剛性材料注漿從根本上無(wú)法解決支護(hù)中錨索錨固點(diǎn)破碎,錨固失效問題，綜合礦井實(shí)際生產(chǎn)狀況并參考同類型工作面巷道支護(hù)方案,提出采用中空礦用錨索注漿加固的方式提高頂板更深處的圍巖承載能力。注漿采用SKZ22-1/1860中空礦用注漿錨索，中空錨索可直接作為注漿孔，有利于注漿液體擴(kuò)散，該錨索d22 mm，由于注漿液體充填錨索全長(zhǎng)錨固，抗壓強(qiáng)度可達(dá)1 860 MPa. 對(duì)于頂板較深處注漿，采用42.5普通硅酸鹽水泥加8%的ACZ-Ⅱ注漿添加劑作為注漿液體，注漿水灰比0.8～1.5，根據(jù)注漿壓力變化適當(dāng)調(diào)整。在有機(jī)添加劑的作用下，注漿液體擴(kuò)散較為充分，中空錨索有機(jī)材料注漿的效果圖見圖3，注漿液體可以擴(kuò)散至錨索錨固段，可有效地解決錨索滑脫問題。

圖3 中空錨索注漿加固擴(kuò)散范圍圖

4 支護(hù)方案作用機(jī)理及效果分析

4.1 支護(hù)方案作用機(jī)理

采用中空錨索有機(jī)材料注漿加固的方式，主要是通過(guò)注漿改變巖體的力學(xué)性能，提高其支護(hù)效果。其支護(hù)機(jī)理主要包括以下幾點(diǎn)：

1) 防止風(fēng)化及地表水侵蝕。

當(dāng)注漿液體沿著頂板原有的裂隙進(jìn)行封堵充填后，可有效地隔絕空氣繼續(xù)進(jìn)入頂板裂隙氧化結(jié)構(gòu)面，同時(shí)防止地下水下滲侵蝕巖體，對(duì)圍巖強(qiáng)度繼續(xù)降低有阻礙作用。

2) 多層組合拱結(jié)構(gòu)支護(hù)體系。

注漿液體沿著中空錨索擴(kuò)散，在巷道頂板0～8 m內(nèi)有效充填，巷道頂板形成多個(gè)組合拱體，包括錨索預(yù)緊力壓縮拱和注漿端頭擴(kuò)散拱，不同層次的組合拱體使頂板承載范圍更大。

3) 提高圍巖自身支護(hù)體強(qiáng)度。

將注漿液體注入頂板后，原有的破碎松散巖體形成較為穩(wěn)定的膠結(jié)整體，巖體整體抗拉抗壓強(qiáng)度都會(huì)有所提高，圍巖自身形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

4) 提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和平衡性。

中空注漿錨索為全長(zhǎng)錨固，在錨固初期依靠施加于錨索的預(yù)緊力可有效控制圍巖初期變形，在注漿體凝固之后錨索和注漿體形成聯(lián)合支護(hù)整體，共同承載，避免應(yīng)力集中，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和平衡性。

5) 支護(hù)體受力平衡，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致局部破壞。

注漿加固后頂板形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體，來(lái)自上方的頂板壓力直接傳遞至巷道兩幫，通過(guò)巷道兩幫卸載及載荷傳遞，支護(hù)體范圍變大，巷道圍巖塑性變化受到抑制，巷道趨于穩(wěn)定。

4.2 支護(hù)效果分析

在5-101運(yùn)輸巷道現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)用原始鋼絞線錨索支護(hù)、頂板錨桿排間剛性材料注漿、中空錨索改良材料注漿3種支護(hù)方案進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)該巷道頂板中心點(diǎn)位移，不同的支護(hù)體系下頂板位移對(duì)比見圖4.

圖4 不同支護(hù)方案頂板下沉量對(duì)比圖

通過(guò)圖4對(duì)比可知，使用鋼絞線錨索支護(hù)時(shí)巷道頂板破碎位移量可達(dá)23 cm，還伴有漏頂現(xiàn)象出現(xiàn)，通過(guò)錨桿排間剛性材料注漿可控制頂板表面圍巖破壞，頂板變形量為18 cm，在中空錨索改良材料注漿加固下，巷道頂板最大位移量控制在7 cm的范圍內(nèi)，巷道變形得到控制。

5 結(jié) 論

1) 5-101工作面頂板破碎主要是因?yàn)殇摻g線錨索錨固點(diǎn)處于破碎風(fēng)化巖體內(nèi)，錨固段脫落導(dǎo)致支護(hù)效果不佳。

2) 采用普通錨桿排間剛性材料注漿加固頂板，注漿范圍僅為1.5 m深的錨桿支護(hù)范圍，無(wú)法從根本上解決錨索錨固脫落的問題。

3) 在中空錨索改良材料注漿支護(hù)方案下，不僅解決了錨固段圍巖破碎無(wú)法固定錨索的問題，同時(shí)加固了整個(gè)支護(hù)范圍，形成完整的支護(hù)體系，將頂板變形量控制在7 cm的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)。