孤島工作面破碎巷道強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)研究

樊海亮

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

1 工程概況

王坡煤業(yè)3210 工作面位于礦井二采區(qū)，開(kāi)采3號(hào)煤層，工作面北側(cè)為4 條開(kāi)拓大巷，南側(cè)為井田邊界，東、西側(cè)為3208 和3212 采空區(qū)，中間留設(shè)20 m 保護(hù)煤柱，如圖1。3 號(hào)煤厚平均5 m，平均傾角4°，平均埋深為550 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。直接頂為均厚3 m 的黑色泥巖，基本頂為均厚8 m 的砂巖，底板為均厚8.5 m 的粉砂巖。工作面采用放頂煤開(kāi)采，割煤高度3 m，采放比為1:1.5，循環(huán)進(jìn)尺為0.8 m。

3210 工作面兩側(cè)均已采空，在采空區(qū)殘余支承應(yīng)力影響下，巷道在生產(chǎn)服務(wù)期間容易承受較大的開(kāi)采動(dòng)壓，加之工作面埋深較大，原巖應(yīng)力水平較高，容易造成巷道圍巖裂隙發(fā)育，造成局部煤巖體破碎，制約了3210 工作面回采工作的正常開(kāi)展，需要針對(duì)3210 孤島工作面破碎圍巖巷道進(jìn)行聯(lián)合控制研究，以期解決工作面安全高效開(kāi)采問(wèn)題。

圖1 3210 工作面位置圖

2 孤島工作面巷道變形破壞分析

孤島工作面兩側(cè)存在采空區(qū)，在向前推進(jìn)過(guò)程中，本工作面采空區(qū)也逐漸垮落，形成三面采空的圍巖結(jié)構(gòu)，其回采支承壓力如圖2。圖中1 是工作面后方采空區(qū)支承應(yīng)力、3 是工作面前方超前支承應(yīng)力，2、4、5 均是采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力。工作面不斷向前推進(jìn)，隨著三面采空的空間逐漸加大，孤島工作面會(huì)形成采空區(qū)覆巖支承結(jié)構(gòu)。可以將孤島面看成寬度較大的煤柱，形成的支撐結(jié)構(gòu)由工作面上方的穩(wěn)定塊體A、巷道上方的鉸接塊體B 和采空區(qū)斷裂塊體C 組成。

圖2 孤島工作面回采支承壓力分布

孤島工作面開(kāi)采后，頂板上方穩(wěn)定塊體A 會(huì)在應(yīng)力擾動(dòng)下向采空區(qū)和鉸接巖塊B 方向運(yùn)動(dòng)，破壞了原本形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，塊體A 和塊體B 均處在不斷運(yùn)動(dòng)和不穩(wěn)定狀態(tài)下。鉸接巖塊B 平衡狀態(tài)受到擾動(dòng)后，向下旋轉(zhuǎn)下沉的趨勢(shì)更加明顯，造成孤島面應(yīng)力集中現(xiàn)象十分突出。由于鉸接巖塊B 正處在孤島工作面正上方，其控制巷道圍巖應(yīng)力表現(xiàn)為不均勻狀態(tài)，當(dāng)巷道圍巖硬度較小或出現(xiàn)破碎狀態(tài)時(shí)，巷道就不容易控制而出現(xiàn)大范圍變形。因此，在孤島面完全回采之前，上方巖層穩(wěn)定性會(huì)保持一定的時(shí)效，采用合理的支護(hù)方式，保證這種圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保持巷道不會(huì)出現(xiàn)大變形而無(wú)法使用是孤島面回采的關(guān)鍵。

3 3210 工作面運(yùn)輸巷強(qiáng)力控制技術(shù)

3210 工作面運(yùn)輸巷斷面為矩形，寬×高為5000 mm×3400 mm，沿煤層底板掘進(jìn)。巷道原支護(hù)采用強(qiáng)力Ф22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，但巷道實(shí)際在采空區(qū)邊緣掘進(jìn)，雖然有巷間煤柱保護(hù)，但其承受的采空區(qū)殘余支承應(yīng)力和3210 超前支承應(yīng)力的疊加影響還是十分劇烈。另外3 號(hào)煤層雖然抗壓強(qiáng)度達(dá)到平均15.5 MPa，但由于煤體內(nèi)軟弱面較多，造成巷道圍巖容易出現(xiàn)脆性破壞，兩幫破碎難以維護(hù)。因此，對(duì)3210 工作面運(yùn)輸巷的控制思路應(yīng)該是一方面加強(qiáng)巷道的整體承載力，另一方面需要控制煤壁的片幫脫落現(xiàn)象。

3.1 注漿錨索加固技術(shù)

礦井原先采用的注漿技術(shù)主要原料為水泥漿，需要施工深孔和淺孔進(jìn)行不同形式注漿。雖然這種方式成本較低，但水泥漿液凝固時(shí)間較長(zhǎng)，工序較復(fù)雜，適用于礦壓顯現(xiàn)較緩和區(qū)域。針對(duì)3210 工作面運(yùn)輸巷礦壓顯現(xiàn)劇烈的特征，在盡量減少注漿作業(yè)時(shí)間，保證注漿效果的基礎(chǔ)上，優(yōu)化采用注化學(xué)漿的方式，同時(shí)采用預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨索加強(qiáng)支護(hù)，最大限度地保證巷道穩(wěn)定。

（1）幫部注漿方案

因?yàn)閷?shí)體煤側(cè)受到采動(dòng)和原巖應(yīng)力疊加的影響更顯著，注漿孔布置在實(shí)體煤側(cè)，排距3000 mm，每排布置2 個(gè)鉆孔，其中第1 個(gè)鉆孔布置在頂板下方500 mm 處，與水平方向成20°，第2 個(gè)鉆孔布置在頂板下方1500 mm 處，水平布置，如圖3（a）。注漿孔采用ZQS-65/2.5 防突鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑取44 mm，鉆孔深度設(shè)計(jì)為5000 mm，注漿壓力為6～8 MPa。化學(xué)漿液采用尤卡尼加固材料，一次性全長(zhǎng)注漿，每孔注漿量為100 kg。注漿完成后采用專用封口器封孔，封孔全部深度為4000 mm。

（2）全長(zhǎng)注漿錨索加固方案

幫部化學(xué)注漿完成后，能夠保證巷道幫部片幫脫落現(xiàn)象較少發(fā)生，要想增強(qiáng)巷道圍巖與頂板上層位巖層的整體性，還需要進(jìn)行全長(zhǎng)注漿錨索加固。錨索設(shè)計(jì)采用SKP22-1/1860-8300 規(guī)格，沿巷道斷面每排布置2 根，排距為1000 mm，其中1 根垂直頂板布置，距工作面?zhèn)认飵?00 mm，另1 根在工作面?zhèn)认飵退讲贾茫囗敯?0 mm，如圖3（b）。錨索外露張拉段長(zhǎng)度均為300 mm，幫部錨索采用ZQS-50/1.6 錨桿鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑30 mm，頂部錨索采用MQT120 錨索鉆機(jī)打孔，鉆孔直徑同樣為3 mm。頂部和幫部的錨索錨固劑均為3 支樹(shù)脂錨固劑，1 支規(guī)格為MSCKb2335，另2 支規(guī)格為MSZ2360。幫部錨索預(yù)緊力大于150 kN，頂部錨索預(yù)緊力大于250 kN。注漿漿液采用525#普通硅酸鹽水泥加水玻璃，水灰比為0.7:1～1:1，水泥漿和水玻璃體積比為1:0.4～1:1，注漿壓力不超過(guò)5 MPa。

（3）安全技術(shù)措施

巷道注漿過(guò)程中必須堅(jiān)持敲幫問(wèn)頂制度，鉆眼應(yīng)按照事先設(shè)計(jì)好的眼位進(jìn)行打孔，注漿時(shí)認(rèn)真觀察壓力表及巷道情況，嚴(yán)禁無(wú)壓力控制注漿。按注漿參數(shù)造孔、制漿、注漿，鉆孔盡量保持與巷道輪廓垂直，卸壓放漿時(shí)嚴(yán)禁人員站立在卸壓閥前。打眼注漿施工時(shí)，要在施工點(diǎn)兩端各10 m 處設(shè)警示牌和專人看護(hù)。工程結(jié)束后，應(yīng)做到工完、料盡、場(chǎng)地清。

3.2 工程應(yīng)用效果分析

為了針對(duì)性地評(píng)價(jià)采用強(qiáng)力支護(hù)后3210 工作面運(yùn)輸巷的支護(hù)效果，在運(yùn)輸巷道軸向進(jìn)尺50 m、100 m、150 m 處安裝3 個(gè)測(cè)站，對(duì)3210 工作面運(yùn)輸巷整體巷道表面位移和錨索受力進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。位移監(jiān)測(cè)方式為十字布點(diǎn)法，錨索受力監(jiān)測(cè)方式為錨索測(cè)力計(jì)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為50 d。巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平咳鐖D4。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

根據(jù)監(jiān)測(cè)曲線，3210 工作面運(yùn)輸巷在前20 d范圍內(nèi)，圍巖變形增長(zhǎng)量最多，但圍巖變化速率逐漸降低；20～40 d 范圍內(nèi)巷道變形量增加不明顯，變化速率基本為0；40 d 之后圍巖變形不再變化。巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?36 mm，兩幫移近量最大為105 mm，巷道能夠較長(zhǎng)時(shí)間保持較小變化速率直至穩(wěn)定，說(shuō)明在孤島工作面開(kāi)采影響下巷道支護(hù)能夠滿足要求。從錨索受力監(jiān)測(cè)結(jié)果看，監(jiān)測(cè)開(kāi)始3 d 內(nèi)錨索預(yù)緊力均有小于10 kN 的下降，這是由于注漿后微小裂隙并未完全充實(shí)凝固導(dǎo)致，之后監(jiān)測(cè)周期內(nèi)錨索受力逐漸增加，最終均保持在150～160 kN 的穩(wěn)定范圍，未出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象。

4 結(jié)論

孤島工作面在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中容易受到本工作面超前支承應(yīng)力影響和已采空工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力影響，造成巷道在應(yīng)力疊加影響下極易破碎變形。3210 工作面運(yùn)輸巷維護(hù)要求較高，設(shè)計(jì)采用幫部注漿和全長(zhǎng)注漿錨索加固技術(shù)進(jìn)行巷道圍巖控制。工程實(shí)踐表明，實(shí)施強(qiáng)力支護(hù)方案后運(yùn)輸巷圍巖變形與錨索受力均保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，能夠達(dá)到孤島工作面生產(chǎn)服務(wù)要求。