彬長礦區開拓巷道長效主動防沖支護

王 冰，白 楊

(陜西彬長孟村礦業有限公司,陜西 咸陽 713602)

0 引言

孟村煤礦位于陜西省黃隴侏羅紀煤田彬長礦區中西部，可采儲量5.85億t，礦井設計規模600萬t/a，服務年限71.3 a。礦井主采4號煤層，平均厚度16.25 m，具有強沖擊傾向性，頂板巖層具有弱沖擊傾向性，底板巖層無沖擊傾向性。礦井沖擊地壓類型是地質構造為主導的純靜載型沖擊啟動類型，主要表現形式有巷道瞬間底鼓、片幫、震感強烈等[1-4]。孟村煤礦中央5條大巷為礦井主要開拓大巷，服務于礦井403、404和405盤區，基本布置在煤層中，留有厚底煤。在DF29斷層附近掘進時，沿斷層上盤掘進直至揭露斷層，后按斷層落差確定巷道坡度，進行全巖掘進，直至繼續沿煤層中部掘進。掘進期間，斷層附近圍巖破碎，斷層活化嚴重，采用“錨網索噴”進行支護。截至2019年11月，中央大巷在DF29斷層附近已發生5次3×105J能量以上的沖擊地壓事故，均出現底鼓，兩幫縮進，頂板下沉等現象，部分區域經過多次維修，依然無法控制，處于病態運行。針對中央帶式輸送機大巷條件，進行巷道圍巖地質力學測試，分析巷道圍巖變形破壞特征及原因，以期提出適合于大型斷層構造附近沖擊地壓巷道的長效主動防沖支護技術。

1 巷道圍巖地質力學測試

1.1 地質條件

總體概況：中央帶式輸送機大巷斷面形狀為半圓拱形，凈寬5 400 mm，凈高4 300 mm。巷道沿4號煤層中部布置，為全煤巷，掘進方位270°，坡度-2°～+8°。自東向西依次揭露X1向斜，軸線呈NE—SW向，兩翼呈對稱狀，兩翼傾角為2°～4°(塬口子向斜)、DF29(H=0～38 m，正斷層，SE∠55°，控制程度可靠)、B2背斜，軸線向呈EW轉NE向，兩翼基本呈對稱狀，兩翼傾角為3°～5°(謝家咀背斜)。煤層頂板為以砂質泥巖、細粒砂巖、粗砂巖為主的復合型頂板，底板以遇水易膨脹的鋁質泥巖為主。

老頂：粗砂巖、細砂巖；灰色、灰白色；層面含大量黑色炭質碎屑及云母片，抗拉強度0.22～2.83 MPa、飽和抗壓強度5.10～28.4 MPa，厚度7.75～20.8 m，平均12.1 m。巖層穩固性較好，不易冒落。

直接頂：砂質泥巖；深灰色，局部含植物葉片化石，薄層狀，平行層理極發育，抗拉強度為0.44～1.53 MPa、飽和抗壓強度0.22～16.2 MPa，平均3.38 MPa。

底板：以炭質泥巖、鋁質泥巖為主，顏色以黑色、灰黑色為主，其中炭質泥巖厚度2.75～4.52 m，平均3.6 m；鋁質泥巖厚度1.83～7.77 m，平均4.8 m。

1.2 圍巖地質力學測試

采用水壓致裂法在中央帶式輸送機大巷DF29斷層附近進行了3個測點的地應力測量，測量結果見表1。表中第1測點位于中央帶式輸送機大巷距DF29斷層以東230 m處；第2測點位于中央帶式輸送機大巷距DF29斷層以西30 m處；第3測點位于距DF29斷層以西250 m處。σH、σh、σv分別為最大水平主應力、最小水平主應力和垂直應力。從表1中可看出，3個測點最大水平主應力均大于垂直應力，最大水平主應力值相差不大，圍巖最大水平應力、最小水平主應力及垂直應力平均值分別為31.45 MPa、19.45 MPa、17.49 MPa，最大水平主應力σH為垂直主應力σv的1.79倍，應力場大小關系為σH>σh>σv。地應力場以水平應力為主，垂直主應力為最小主應力，側壓系數為1.38～1.69，巖石單軸飽和抗壓強度Rc與垂直洞軸線方向最大初始地應力σmax之比即Rc/σmax=0.19，屬于構造型高地應力區域。

表1 孟村煤礦DF29斷層附近地應力測量結果

2 中央帶式輸送機大巷現狀及破壞原因

2.1 巷道原支護設計

采用“錨網索噴”支護形式，全斷面采用規格為φ20 mm×2 500 mm的左旋無縱肋螺紋錨桿，間排距為700 mm×700 mm，菱形布置，每排19根，中央帶式輸送機大巷斷面支護示意如圖1所示。每根錨桿配用1支MSK2335和2支MSZ2335樹脂錨固劑，錨桿托盤規格150 mm×150 mm×8 mm的Q235鋼板。全斷面鋪設1 500 mm×800 mm×100 mm(網格)鋼筋網(采用φ6 mm的Q235鋼筋加工而成)，采用16#雙股鐵絲將頂網與幫網隔孔相連。網片聯接方式為搭接，搭接長度100 mm。采用φ21.8 mm×7 100 mm的左旋鋼絞線，間排距2 100 mm×1 400 mm，每排4根，每根錨索使用2支MSK2335型及3支MSZ2335型樹脂藥卷，錨索托盤為300 mm×300 mm的蝶形托盤。噴射砼強度等級不低于C25，噴厚120 mm。使用水泥P.C32.5R普通硅酸鹽水泥，砂為純凈的中粗河砂，石子為粒徑5～10 mm的碎石。重量配合比為水泥∶砂∶石子=1∶2.76∶3.24，水灰比為0.62。速凝劑摻入量一般為水泥重量的3%～5%，防水劑加入量為水泥用量的6%～8%，抗滲等級P8。

圖1 中央帶式輸送機大巷斷面支護示意

2.2 巷道破壞現狀及原因

巷道破壞現狀：巷道由于受到上覆巖層動靜荷載作用，巷道頂板開裂且下沉量大，底鼓嚴重，兩幫變形量大，兩幫圍巖嚴重變形，如圖2所示。①巷道圍巖瞬時變形量大；②巷道底鼓嚴重；③變形破壞程度和震源能量正相關；④沖擊破壞之前，巷道圍巖緩慢變形嚴重；⑤錨桿支護體系嚴重失效。沖擊破壞后的巷道表現為圍巖節理、裂隙擴展貫通，強度和完整性弱化，錨固系統錨固性能(錨固力、預緊力)降低，錨固界面粘結劣化失效，錨桿產生塑性變形，桿體內部晶粒扭曲、畸變，晶粒產生剪切、滑移，晶粒被拉長，金相組織紊亂，抗拉強度、延伸率和沖擊吸收功普遍降低。

圖2 中央帶式輸送機大巷破壞現場

巷道變形破壞特征及原因：①埋深大，垂直應力高。埋深超過700 m，垂直應力超過 17.49 MPa，對巷道幫部造成很大的覆巖垂向載荷壓力。②構造應力強。巷道受DF29斷層的影響，此處構造應力強烈，特別是以水平剪切應力為主，對巷道頂底板產生巨大的水平剪切力，不利于巷道頂底板的穩定維護[5-7]。③圍巖四周變形。表現為全斷面頂幫底大范圍強礦壓持續劇烈變形位移。受高應力強礦壓的影響，本巷道都表現為四周圍巖全斷面收縮變形，巷道圍巖變形表現為不均勻的四周全部來壓型。④斷面大，圍巖穩定性控制難度極大。本巷道對巷道斷面要求很高，必須保證較大的巷道斷面和變形位移量控制，這對斷面形狀選擇和最終尺寸確定提出了很高的要求[8-10]。⑤沖擊區域，多次受周圍礦震擾動影響。煤層沖擊傾向性類別為Ⅲ類，屬強沖擊傾向；頂板為Ⅱ類，屬弱沖擊傾向；底板巖層屬于Ⅰ類，為無沖擊傾向性的底板巖層。受到鄰近的401101工作面采動影響，先后發生5次沖擊地壓事故。

3 長效主動防沖支護方案設計

3.1 支護方案

設計理念：針對孟村煤礦地質構造及沖擊地壓發生機理，研究復巖關鍵層及震源層位，建立巷道沖擊地壓地質力學分析模型，分析沖擊礦震的特征、特點、特色；結合動靜載理論[11-14]，分析沖擊震動波對巷道圍巖的沖擊破壞作用效應和支護強度要求，以及深井巷道沖擊礦震能級綜合指數評定，抗沖能級按1×107J核準設計，形成了適合孟村煤礦深井沖擊地壓開拓巷道支護方案及具體參數。支護方案設計主要依據“強弱強理論”及關鍵支護技術，考慮到巷道的最終使用斷面，為減少大尺寸擴修對巷道穩定性的不利影響，結合巷道預留變形量等多方面因素，采用主被動復合支護方式，基于“新型錨桿索主動支護+O型棚支護+噴注漿技術”組合支護技術。

具體支護方案：①巷道刷擴成型。巷道頂板開裂且下沉量大，底鼓嚴重，兩幫變形量大，兩幫圍巖嚴重變形，將巷道采用巷道修復機擴掘至設計斷面；②初噴。巷道擴掘至設計斷面尺寸后，噴漿厚度50 mm，使用噴漿保證巷道成型平整度；③錨桿錨索基本支護。頂板、幫部使用φ22 mm×2 500 mm高預應力蛇形錨桿、φ22 mm×7 300 mm后預應力鳥窩錨索、鋼帶和鋼筋網等聯合支護，構建內強小結構；④O型棚全斷面封閉支護。一次錨網索支護后，采用架設O型棚全斷面支護；⑤噴注漿加固。頂板、幫部及底板噴漿并采用短注漿錨桿+長注漿錨索注漿支護；⑥底板治理采用地錨(注漿錨索)+反底拱+鵝卵石+隔水薄膜+高強度混凝土聯合支護，反底拱采用U29鋼棚制作。支護示意如圖3所示。

圖3 中央帶式輸送機大巷支護示意

3.2 礦壓觀測

監測方法：采用十字布點法進行表面位移監測。巷道修復完畢后，在DF29斷層前后各200 m按照每間隔50 m布置1組測站，共布置了8組測站對巷道表面位移、頂板離層進行了監測，圖4為大巷修復后現場圖。經過2個月持續觀測，8組測站中，巷道上幫、下幫、頂板、底板最大位移分別為16 mm、22 mm、46 mm、33 mm，巷道變形量較小。數顯式頂板離層儀監測頂板離層數據顯示，8組測站中，測站頂板深部離層最大值為45 mm，淺部離層最大值為20 mm。

圖4 中央帶式輸送機大巷修復后現場

監測結果：采用提出的支護方案后，圍巖變形得到有效控制，巷道支護狀況得以明顯改善，目前巷道已經投入正常使用。現場微震監測顯示，在單次能量事件達1×106J后，現場統計未出現錨桿、錨索破斷及巷道失穩現象，表明該錨桿支護體系整體抗沖性能較強，能夠有效控制沖擊地壓巷道的強烈變形。

4 結論

(1)沖擊地壓巷道變形破壞的主要影響因素是埋深大，垂直應力高，構造應力強和強采動影響。頻繁沖擊能量會產生沖擊破壞效應，主動支護體系失效導致沖擊地壓巷道變形嚴重破壞。

(2)井下工業性試驗結果表明，“新型錨桿索主動支護+O型棚支護+噴注漿技術”組合支護技術，能夠合理控制巷道變形，釋放多余壓力。礦壓監測結果表明，該方案可有效地控制大巷變形，可為類似條件下的巷道圍巖加固提供一定的參考意義及技術支撐。