泥質(zhì)頂板大斷面煤巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

賈韶華

（潞安集團(tuán)李村煤礦，山西 長治 046600）

1 工程概況

潞安集團(tuán)李村煤礦1306 工作面北為1302 工作面、南為二采區(qū)2310 工作面、西為一采區(qū)大巷、東為井田邊界煤柱，工作面上部地面多為耕地，地表平坦。1306 工作面開采3 號煤層，埋深均為500 m，煤層傾角平均4°，厚度平均在5.0 m； 一次采全高，循環(huán)進(jìn)度0.8 m，日循環(huán)6 個；工作面區(qū)域內(nèi)斷層等構(gòu)造較少，結(jié)構(gòu)簡單。1306 工作面運(yùn)輸巷斷面為矩形，凈寬5.2 m、凈高3.4 m，采用綜掘機(jī)掘進(jìn)，其頂?shù)装鍘r性特征見表1。

1306 運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過程中揭露的地質(zhì)構(gòu)造較簡單，但巷道上方頂板存在較大厚度的泥巖與粉砂巖互層現(xiàn)象，吸水性強(qiáng)，整體狀態(tài)較松散，受掘進(jìn)擾動影響對巷道成型控制要求較高；巷道橫跨寬度較大，一般支護(hù)方式對頂板形成承載整體的效果不明顯，軟弱頂板及兩幫煤壁容易發(fā)生變形破壞；工作面資源量可采期達(dá)半年，運(yùn)輸巷成型后服務(wù)年限較長，對巷道穩(wěn)定性提出了更高的要求。因此，1306 運(yùn)輸巷在掘進(jìn)期間的圍巖控制穩(wěn)定性研究顯得尤為必要。

表1 1306 運(yùn)輸巷頂?shù)装鍘r性特征

2 1306 運(yùn)輸巷軟弱頂板破碎機(jī)理分析

1306 運(yùn)輸巷直接頂為砂質(zhì)泥巖與粉砂巖的層狀互層，受地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和采動影響，其變形力學(xué)行為十分復(fù)雜，變形破壞方式有的沿結(jié)構(gòu)面滑動，有的使結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步張開，有的又形成了新的結(jié)構(gòu)面，見圖1。

1306 運(yùn)輸巷直接頂?shù)乃缮顟B(tài)，使得巷道頂板不能有效形成完整承載體，其破壞過程主要可以分為：①頂板冒落，上方巖層產(chǎn)生水平運(yùn)動，互相剪切形成厚度較小的薄層；②薄層逐漸脫落形成較大空洞，上方頂板逐漸彎曲破斷，不斷擠壓周圍煤巖體；③周圍煤巖體繼續(xù)變成松散破碎狀態(tài)，重復(fù)上述過程造成惡性循環(huán)。1306 運(yùn)輸巷埋深較大，煤巖體受地應(yīng)力影響較嚴(yán)重，5.0 m厚的煤層，采動擾動更加劇了軟弱頂板的破壞，造成層狀巖體迅速破斷，水平應(yīng)力增大造成頂板撓曲變形，進(jìn)而對巷道維護(hù)造成更大的難度。

圖1 軟弱互層頂板破壞形式

因此，在1306 運(yùn)輸巷圍巖控制上，應(yīng)著重提高頂板與兩幫的綜合承載能力，采用“幫頂同治”的方法來強(qiáng)化圍巖控制效果。具體而言，需要強(qiáng)化巷道頂板與兩幫的協(xié)同效果，既要充分發(fā)揮頂板整體承載的強(qiáng)度，又要保障兩幫不會出現(xiàn)松軟現(xiàn)象。巷道圍巖承載整體性可通過錨網(wǎng)索支護(hù)來實(shí)現(xiàn)，而圍巖強(qiáng)度增加則可以通過注漿加固的方式進(jìn)行，從而達(dá)到1306 運(yùn)輸巷圍巖的“幫頂同治”效果。

3 1306 運(yùn)輸巷圍巖控制技術(shù)

3.1 巷道圍巖聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

根據(jù)泥質(zhì)軟弱頂板破碎機(jī)理，1306 運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間圍巖支護(hù)方式采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)方案及部分參數(shù)見圖2。頂板支護(hù)：錨桿桿體為Ф20 mm×3 000 mm螺紋鋼，間排距為800 mm×800 mm；樹脂錨固劑型號為1 支MSCK2335 和1 支MSK2360；錨桿以巷道中心線對稱布置，兩側(cè)頂角桿體與垂直方向成15°向外打設(shè)，施加預(yù)緊力矩不小于400 N·m，托盤型號為120 mm×120 mm×12 mm。錨索索體為Φ18.9 mm×7 300 mm鋼絞線，間排距為1 300 mm×1 600 mm；樹脂錨固劑型號為1 支MSCK2335 和3支MSK2360；索體為“三花”布置，全部垂直頂板以巷道中心線對稱打設(shè)，平托盤型號300 mm×300 mm×16 mm，施加預(yù)緊力不小于350 kN。兩幫支護(hù)：幫部僅采用錨桿支護(hù)，錨桿型號及間排距與頂部錨桿體相同，煤幫上下兩根桿體與水平方向成15°分別斜向上和斜向下安設(shè)，所有桿體對稱布置。菱形網(wǎng)單片規(guī)格2 000 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔邊長50 mm，單片搭接長度100 mm，彼此緊密相連；W型鋼帶尺寸為寬250 mm、厚3.0 mm，頂部鋼帶長度為5.0 m，兩幫長度為3.2 m，鋼帶要與錨桿索接觸密實(shí)。

圖2 支護(hù)參數(shù)布置

3.2 破碎圍巖注漿加固技術(shù)

1306 運(yùn)輸巷由于斷面跨度較大，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式在普通構(gòu)造或受動壓影響較小時的效果較好，但如果遇到構(gòu)造帶或受較大回采擾動造成圍巖破碎程度進(jìn)一步加劇時，還需要對破碎圍巖段進(jìn)行注漿加固。根據(jù)相鄰礦井工程實(shí)踐，1306 運(yùn)輸巷確定采用頂板淺部注漿孔和深部注漿錨索結(jié)合的方式、在煤柱幫采用注漿錨索的方式進(jìn)行加固處理，見圖3。注漿材料為具有高水速凝特性的馬麗散，水灰比確定為1.5∶1；注漿孔壓力不大于2.0 MPa、深孔錨索可稍大一點(diǎn)。注漿管直徑22 mm，鉆孔深度2 500 mm，間排距1 600 mm×1 600 mm，每排兩根以中心線對稱布置； 頂板注漿錨索直徑為22 mm，長度8 300 mm，間排距1 600 mm×1 600 mm，每排三根對稱布置，兩側(cè)兩根索體分別與垂直方向成20°；煤柱幫采用的注漿錨索直徑為22 mm，長度為5 300 mm，間排距1 400 mm×1 600 mm，以巷幫中線對稱布置，上下索體分別與水平方向成10°安設(shè)。

圖3 注漿加固方案

3.3 工程應(yīng)用效果分析

1306 運(yùn)輸巷在采用上述聯(lián)合支護(hù)與注漿加固方式后，從掘進(jìn)進(jìn)尺30 m處開始布置測站，每50 m布置一個，共布置11 個，監(jiān)測巷道段長度為500 m，監(jiān)測時間6 個月。每個測站除布置表面位移監(jiān)測計(jì)外，還在2 m、6 m位置分別布置淺基點(diǎn)與深基點(diǎn)離層監(jiān)測儀，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。選取其中數(shù)值最大與最小的測站7 與測站11 的巷道表面位移變化見圖4。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總

圖4 1306運(yùn)輸巷圍巖控制效果

經(jīng)過長時間監(jiān)測，1306 運(yùn)輸巷頂板最大下沉量為73 mm，兩幫最大移近量為147 mm；頂板最小下沉量為38 mm，兩幫位移量最小量為52 mm，圍巖變形量均在可控制范圍內(nèi)，巷道兩幫及頂板都處于穩(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測前20d巷道整體處于應(yīng)力重新分布期，圍巖變形逐漸增加但變形速率逐漸減小，之后表面位移變化逐漸趨于穩(wěn)定，變形量增加幅度很小。根據(jù)深基點(diǎn)與淺基點(diǎn)頂板離層情況看，淺部離層量最大19 mm、深部離層量最大33 mm，可見1306 運(yùn)輸巷頂板整體維護(hù)較好，不會出現(xiàn)較大變形破壞情況。

4 結(jié)語

李村煤礦1306 工作面運(yùn)輸巷頂板為泥巖軟弱夾層，在掘進(jìn)服務(wù)期間，巷道頂板容易產(chǎn)生破壞變形難以控制。根據(jù)軟弱頂板破壞機(jī)理確定采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)與注漿加固方式進(jìn)行“幫頂同治”綜合控制，其中注漿加固分別采取淺部注漿孔與深部注漿錨索綜合方式。1306 運(yùn)輸巷現(xiàn)場表面位移監(jiān)測顯示巷道變形速率逐漸減小，監(jiān)測20d后基本趨于穩(wěn)定，1306 運(yùn)輸巷的圍巖控制效果良好。