石灰?guī)r堅(jiān)硬頂板弱化與巷道支護(hù)研究

陳廣帥，李中偉，張小康

(1.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研究院，山西 霍州 031400；2.天地科技股份有限公司，北京 100000)

0 引言

店坪煤礦直接頂為L1石灰?guī)r(以下簡稱石灰?guī)r)堅(jiān)硬頂板的巷道存在掘進(jìn)速度緩慢、支護(hù)成本高，嚴(yán)重影響采掘銜接等問題。提出降低頂板支護(hù)密度的初始設(shè)計(jì)。以期通過巷道錨桿支護(hù)改革實(shí)現(xiàn)在保證巷道支護(hù)安全的前提下，達(dá)到提高巷道掘進(jìn)速度、降低巷道支護(hù)成本的目的[1-3]。石灰?guī)r堅(jiān)硬頂板煤層開采后可在采空區(qū)形成大面積懸頂，造成很大的安全隱患[4-6]。為有效控制采空區(qū)堅(jiān)硬難垮落頂板，必須改變頂板的物理力學(xué)性質(zhì)，減小懸露面積，防止大面積頂板來壓，目前主要形成了頂板注水和爆破弱化技術(shù)[7-9]，其中爆破手段可以增大裂隙范圍，破壞巖體的整體性，從而使頂板容易垮落。在煤巖控制爆破研究基礎(chǔ)上，將聚能斷裂理論引入巖石爆破，通過定向切割實(shí)現(xiàn)頂板垮落，為堅(jiān)硬頂板弱化提供技術(shù)途徑。

1 地質(zhì)力學(xué)測試

在9-201工作面附近進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)力學(xué)測試，目的是掌握試驗(yàn)工作面圍巖基礎(chǔ)參數(shù)。地質(zhì)力學(xué)測試包括頂板巖層結(jié)構(gòu)窺視、巷道圍巖強(qiáng)度測試和地應(yīng)力測量[10-13]。進(jìn)行兩個測點(diǎn)的測試工作，第1個測點(diǎn)位于9-201工作面旁邊830回風(fēng)巷內(nèi)；第2個測點(diǎn)位于9-2012巷內(nèi)，距離巷道開口80 m。

1.1 圍巖結(jié)構(gòu)觀察及分析

通過窺視結(jié)果可以得到：第1個測點(diǎn)在830回風(fēng)巷內(nèi)，830回風(fēng)巷沿10號煤掘進(jìn)，頂板0～7.8 m為10號煤與9號煤間巖層。7.8～10.3 m為9號煤，黑色，發(fā)亮。10.3～21.4 m為L1灰?guī)r，灰-灰白色，裂隙發(fā)育，其中在11 m、11.2 m、11.3 m、11.6 m、12.4 m、15.3 m、17.3 m、17.4 m、17.7 m、19.8 m、20.9 m和21.2 m處為橫向裂隙，15.4～17.3 m段較完整，17.7～18.8 m段裂隙發(fā)育，19.8～20.8 m段較完整。

第2測站9-2012巷內(nèi)，巷道已掘進(jìn)80 m，在距迎頭15 m處施工頂板鉆孔，查看頂板巖層情況，查看結(jié)果為1～4 m為L1灰?guī)r，4～5.5 m為泥巖夾層，5.5～8 m為灰?guī)r，除0～1 m外其余灰?guī)r段每米鉆孔時(shí)間均在10 min以上。灰?guī)r頂板平整，局部有裂隙水滴落。

1.2 圍巖強(qiáng)度測試及分析

采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測試裝置，在窺視鉆孔內(nèi)對巷道頂板10 m范圍煤巖層強(qiáng)度進(jìn)行測試。測試數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、分析和換算后，得到測站頂板煤巖體強(qiáng)度分布特征，對照兩個測點(diǎn)頂板10 m以下強(qiáng)度測試結(jié)果，得到以下基本結(jié)論：9號煤層強(qiáng)度平均值為13.72 MPa，強(qiáng)度相對較高；灰?guī)r強(qiáng)度平均值為88.39 MPa，頂板堅(jiān)硬，錨桿鉆機(jī)施工難度較大。

1.3 地應(yīng)力測量及分析

通過對店坪煤礦進(jìn)行地應(yīng)力測量，并對測試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料綜合分析可以得到：9-201工作面附近最大水平主應(yīng)力9.81 MPa，垂直主應(yīng)力6.89 MPa，巷道頂板有強(qiáng)度較大的灰?guī)r，幫部煤體強(qiáng)度較大，因此地應(yīng)力量值對巷道支護(hù)的影響不突出，從地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度關(guān)系分析9-201工作面兩巷整體支護(hù)難度不大；9-2012巷東西布置，最大水平主應(yīng)力與巷道軸向夾角67.2°，與最優(yōu)布置方58.6位相差8.6°，巷道變形受到最大水平主應(yīng)力方向的影響較小。

2 回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及頂板弱化措施

2.1 回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)店坪煤礦詳細(xì)地質(zhì)資料、地質(zhì)力學(xué)測試成果、店坪煤礦9-201工作面附近采面掘進(jìn)、回采期間巷道變形狀況、數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果、現(xiàn)有科技成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。提出9-201工作面兩巷支護(hù)設(shè)計(jì)，如圖1所示。遇到斷層、破碎帶、頂板淋水嚴(yán)重等特殊地質(zhì)條件，及時(shí)減小錨桿、錨索間排距，并補(bǔ)打錨索補(bǔ)強(qiáng)加固。遇到地質(zhì)條件發(fā)生較大變化，或者揭露大型地質(zhì)構(gòu)造，及時(shí)匯報(bào)煤礦生產(chǎn)技術(shù)部門，針對性調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

圖1 9-201工作面兩巷支護(hù)斷面圖

與礦上傳統(tǒng)支護(hù)的方法相比，頂板錨桿排距由1 m增加至2 m，由每排5根錨桿變?yōu)槊颗?根錨桿；幫錨桿排距不變，仍為1 m，間距變大，由每排3根變?yōu)槊颗?根。錨索由二二布置變?yōu)橐灰徊贾茫啪嘤?.2 m變?yōu)? m。

礦上原所有巷道均采用平鋼板作為錨桿錨索托板，由于平鋼板強(qiáng)度低、錨桿錨索受力條件差等原因，引進(jìn)新型錨桿錨索托板，錨索托板采用300 mm×300 mm×12 mm高強(qiáng)度的拱形托板，高度不低于58 mm，配套調(diào)心球墊及鎖具。錨桿托盤采用規(guī)格為150 mm×150 mm×6 mm的拱型方托盤，托板高度不低于36 mm，配套調(diào)心球墊和減摩墊圈。其他支護(hù)材料規(guī)格與原來一樣。

引進(jìn)高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)技術(shù)，要求頂錨桿預(yù)緊力矩250 N·m，錨索初始張拉力為200 kN，幫錨桿預(yù)緊力矩150 N·m。新舊支護(hù)設(shè)計(jì)每100 m材料消耗對比，見表1。

表1 新舊支護(hù)設(shè)計(jì)每100 m支護(hù)材料消耗對比

從表1可以看出采用新支護(hù)方案后一方面可以節(jié)約大量支護(hù)材料；另一方面，由于直接頂石灰?guī)r較為堅(jiān)硬，錨桿鉆機(jī)鉆進(jìn)困難，錨桿及錨索數(shù)量的減少可以大幅度提高巷道掘進(jìn)支護(hù)施工進(jìn)度，大大降低工人勞動強(qiáng)度。

2.2 回采期間頂板弱化措施

由于頂板石灰?guī)r的存在，回采期間造成頂板大面積懸頂，給正常回采帶來很大的安全隱患，根據(jù)附近已采工作面經(jīng)驗(yàn)，若頂板不采取有效的放頂措施，初次來壓步距在80 m左右，周期來壓步距為60 m左右，造成支架壓力大，來壓期間兩巷超前段變形明顯，給超前段支護(hù)帶來一定困難。

結(jié)合礦上生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際生產(chǎn)條件，選擇頂板預(yù)裂爆破的方法對頂板進(jìn)行弱化，減小采空區(qū)頂板懸頂面積。根據(jù)9-2012巷內(nèi)第2測站的地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果可知，頂板1～4 m為石灰?guī)r，4～5.5 m為泥巖夾層，5.5～8 m為灰?guī)r。結(jié)合國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)最終確定爆破孔深度為4 m，炮孔間距2 m，每隔40 m，進(jìn)行一次預(yù)裂爆破。選擇爆破間距40 m，一方面可保證回采進(jìn)度，另一方面可保證安全回采。

2.3 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析9-201工作面采用新支護(hù)后回采過程中巷道圍巖穩(wěn)定情況。根據(jù)工作面地質(zhì)資料建立的數(shù)值模型，模型沿工作面走向長100 m，沿工作面傾向長220 m，高50 m。分別模擬工作面推進(jìn)20 m、40 m和60 m時(shí)，工作面兩巷超前段圍巖穩(wěn)定情況。

工作面推進(jìn)20 m、30 m和40 m時(shí)，9-2012巷道距離回采工作面10 m出巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況，如圖2所示。

圖2 回采過程中巷道圍巖應(yīng)力分布情況

由圖2可知，隨著工作面的推進(jìn)，工作面副巷圍巖垂直應(yīng)力逐漸增大，靠近工作面一側(cè)圍巖垂直應(yīng)力明顯大于非回采側(cè)。工作面推進(jìn)20 m、30 m和40 m時(shí)，巷道兩側(cè)垂直應(yīng)力集中系數(shù)分別達(dá)到2、2.31和2.92。

在工作面推進(jìn)期間，在副巷超前工作面5 m處建立變形監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測巷道表面最大變形量，監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 副巷超前工作面5 m處表面最大變形量

從巷道變形情況得出，巷道兩幫變形較大，工作面推進(jìn)20 m、30 m和40 m時(shí)，超前工作面5 m處兩幫移近量分別為74.5 mm、100.2 mm和131.9 mm。頂板下沉量在回采40 m時(shí)達(dá)到最大，為30.1 mm。底板變形不明顯。從變形結(jié)果來看，巷道圍巖變形不大，在控制范圍之內(nèi)，可以滿足巷道使用要求。說明采用新支護(hù)后，放頂步距選取40 m是可取的。

3 現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)

到目前為止，9-201工作面已推進(jìn)400 m，工作面切巷液壓支架安裝完成后，支架后方到切巷幫部剩出有1 m寬度的空間，工作面回采前，在這個空間中進(jìn)行第1次頂板預(yù)裂爆破工作。回采過程中，每隔40 m進(jìn)行一次頂板預(yù)裂爆破工作，頂板預(yù)裂爆破過程中，做好兩回采巷道超前段臨時(shí)支護(hù)工作，加大臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度。回采過程中對工作面副巷超前段距離回采面5 m處進(jìn)行變形監(jiān)測，此處巷道表面位移隨工作面推進(jìn)變化情況，如圖3所示。

圖3 副巷超前回采面5 m處巷道表面位移隨工作面推進(jìn)變化情況

通過現(xiàn)場監(jiān)測可知，工作面推進(jìn)40 m范圍內(nèi)，回采巷道超前段頂板下沉量及兩幫移近量增大的速度較大，40 m以后頂板下沉量及兩幫移近量增大的速度較小。在工作面推進(jìn)50 m、90 m和140 m處，回采巷道超前段巷道表面變形出現(xiàn)小范圍的減小，說明頂板弱化措施起到了很好的作用，減小了采空區(qū)懸頂面積，回采巷道超前段的破壞也相應(yīng)減小。巷道超前段兩幫的變形較大，兩幫移近量最大達(dá)到164 mm，頂板下沉量最大達(dá)到66 mm，巷道圍巖較為穩(wěn)定，可以滿足生產(chǎn)使用要求。

4 結(jié)論

(1)通過地質(zhì)力學(xué)測試，灰?guī)r強(qiáng)度的平均值為88.39 MPa，頂板堅(jiān)硬，錨桿、錨索鉆孔的施工難度較大。9-201工作面附近最大的水平主應(yīng)力為9.81 MPa，垂直主應(yīng)力6.89 MPa，地應(yīng)力量值對巷道支護(hù)的影響不突出，從地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度關(guān)系分析9-201工作面兩巷整體支護(hù)難度不大。巷道變形受到最大水平主應(yīng)力方向的影響較小。

(2)引進(jìn)新型支護(hù)理念和新型支護(hù)材料，提出新型支護(hù)設(shè)計(jì)。一方面可以節(jié)約大量支護(hù)材料，另一方面，大幅度提高巷道掘進(jìn)支護(hù)施工進(jìn)度，大大降低工人勞動強(qiáng)度。

(3)根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合礦上生產(chǎn)條件，制定每隔40 m進(jìn)行一次的預(yù)裂爆破的頂板弱化措施，通過現(xiàn)場實(shí)踐證明，取得了良好的應(yīng)用效果。