象山礦井5#煤層系統巷道圍巖失穩破壞機理研究

陳 陽 金朋飛 高 攀

陜西陜煤韓城礦業公司象山礦井 陜西韓城 715400

為解決象山礦井南一下山采區5#煤系統巷道受動壓影響，巷道變形量嚴重，支護質量難以滿足礦壓需求、嚴重制約礦井安全生產的難題，象山礦井和中國礦業大學聯合對象山礦井高應力巷道圍巖控制技術開展專項研究，并對3#煤21312和5#煤21510工作面的采動影響規律和5#煤軌道下山變形破壞特征及支護承載規律進行了跟蹤觀測，同時，在5#煤軌道下山21510工作面采動影響段開展了高強支護試驗。

1 概述

象山礦井位于渭北煤田北部，井田為石炭二疊系含煤建造，含煤地層為下二疊統山西組和上石炭統太原組，其中山西組3#煤層和太原組5-1煤層、11#煤層為主要可采煤層。考慮到11#煤層底板奧陶系石灰巖含水層水壓高于11#煤層開采標高，奧灰水對礦井安全生產威脅較大。因此，礦井目前僅開采3#和5#煤層。

象山礦井共劃分為三個采區，目前主要生產采區為南一下山采區(單翼采區)，開采3#和5#煤層，3#煤層與5#煤層間距在20～25m之間，采用聯合布置方式開采；共布置三條準備巷道，由北向南依次為3#煤回風下山、5#煤運輸下山和5#煤軌道下山，均沿煤層頂板掘進，埋深360～670m；采區內采面均按走向布置，采面停采線以上覆紅旗渠南干渠煤柱為準，與系統巷道留設有安全煤柱。此外，為滿足生產需求，5#煤軌道下山南側相隔60m平行布置5#煤工作面回風聯巷，回風聯巷距工作面停采線一般在80～100m左右，如圖1、圖2所示。

這種布置方式下，盡管3#煤工作面和5#煤工作面停采線距5#煤軌道下山的最小水平距離均在120m以上，但在工作面回采末期三條下山均存在不同程度地變形破壞，尤其是5#煤軌道下山破壞最為嚴重，巷道斷面已經無法滿足安全生產需求。為保障礦井正常生產，不僅需要對軌道下山頻繁拉底，而且在工作面停采后還需對軌道下山進行全斷面擴修。然而，在巷道擴修工程結束不久，軌道下山便開始出現持續的底鼓和兩幫內移，不得不頻繁進行拉底和刷幫。經歷多次擴修后，軌道下山巷道變形不僅無法得到有效控制，巷道修復周期反而在逐漸縮短，部分地段巷道已經陷入“反復擴修”的惡性循環。

2 采區內5#煤系統巷道失穩破壞原因及存在問題分析

2.1 地質概況

南一下山采區三條下山均布置在煤層中，回風下山沿3#煤布置，軌道下山和運輸下山沿5#煤布置；該采區5#煤為半亮型煤，煤層結構復雜，含泥巖夾矸1～2層，平均厚度0.2m。煤層厚度變化較大，局部煤層變薄，在MCQ6、MCQ10、243#鉆孔附近區域，5-1#煤層厚度1.0～1.7m，其余區域5-1#煤層厚度2.0～3.1m之間，5-2#煤層厚度0.8～1.2m，局部夾矸。煤層傾角3°～5°，普氏系數在0.5～1.0之間。煤層偽頂為黑色泥巖，呈塊狀，破碎，易垮落，沉積不穩定，厚度0.2～0.9m；直接頂為灰色粗砂巖、中砂巖，泥質膠結，較堅硬，中厚層狀，平均厚度6.0m，裂隙發育，為中等穩定頂板；基本頂為灰色中砂巖，中厚層狀，鈣泥質膠結，致密堅硬，平均厚度4.0m，裂隙發育。煤層直接底為灰色砂質泥巖，松軟破碎，厚0.9～2.25m；基本底為灰色粉砂巖，中厚層狀，致密堅硬，含有黃鐵礦結核，厚度4.0～6.0m。采區5#煤頂、底板巖性特征見下表。

南一下山采區5#煤頂、底板巖性特征表

2.2 支護方式

如圖3所示，5#煤系統巷道設計斷面為矩形，掘進斷面尺寸為5.0m×2.8m，原始支護采用錨網索聯合支護，具體參數如下：

(1)錨桿支護參數：頂板采用Φ20mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護，間排距900mm×800mm，每排6根。每根錨桿采用1支MSCK2370錨固劑錨固；兩幫煤體采用Φ22mm×2500mm全長自攻絲錨桿，巖體采用Φ20mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800mm×800mm，每幫4根。

(2)錨索支護參數：頂板錨索規格為Φ21.8mm×6000mm鋼絞線，間排距1800mm×800mm，采用“3—2—3”布置形式；每根錨索采用2支MSCK2370錨固劑錨固。巷道副幫每兩排托梁之間使用Φ21.8mm×6000mm錨索進行補強支護，間排距：800mm×1600mm。第一根錨索打設在頂板向下600mm處，第二根距第一根800mm。

(3)護表構件參數：錨桿配合使用150mm×150mm×10mm鐵托板；錨索配合使用240mm×240mm×10mm平托板；巷道全斷面采用鋼筋網護表，網片搭接長度100mm，并采用14#鐵絲雙股綁扎，綁扎間距200mm。

(4)施工質量標準：錨桿螺母預緊力矩不低于250N·m。頂部錨索預緊力不低于150KN，幫部錨索預緊力不低于100kN。

2.3 5#煤系統巷道失穩破壞特征及原因分析

根據礦井5#煤工作面開采期間的礦壓觀測數據分析，軌道下山在經受周邊工作面采動影響前，巷道整體變形量并不大，以底鼓為主。受周邊工作面采動影響后，5#煤層軌道下山開始急劇變形，變形速度超過20mm/d(見圖4)。由于巷道頂板為堅硬的砂巖，軌道下山變形特征以底鼓和兩幫強烈內移為主，且隨著兩幫不斷鼓出頂板開始出現整體下沉，最大下沉量超過150mm。從5#煤21510工作面進入末采階段開始，直至工作面支架撤出封閉后，5#煤軌道下山巷幫仍持續內移，兩幫最大移近量達到2.0m以上，且幫部呈整體推出狀態。

在幫部鼓出同時，軌道下山出現大面積底鼓。由于巷道高度不足，礦井不得不對軌道下山進行反復拉底，平均拉底時間間隔為2～3個月。單次最大拉底量600～800mm，巷道累計拉底量超過2m。與巷道幫部變形特征對照分析，巷道存在強烈底鼓現象的區域幫部變形量普遍較大，尤其是反復拉底的巷道，幫部內移量都在1m以上。軌道下山變形呈現底鼓加速兩幫內移，兩幫內移促進底鼓的特征，巷道幫部錨網支護承載結構逐步失穩、破壞。

根據象山礦井5#煤系統巷道地質采礦條件和動壓影響期間的變形破壞特征，導致巷道強烈變形的原因主要有以下幾個方面：

2.3.1 特殊的巖層結構

3#煤層直接頂為厚度14m左右的粗砂巖，基本底為厚度6m左右的粉砂巖，5#煤直接頂為厚度12m左右的中砂巖，基本底為厚度8m左右的粉砂巖。除了煤層和直接底泥巖較為軟弱外，煤層上、下均為堅硬的砂巖，形成了“強—弱—強”結構，在高應力作用下松軟煤體和泥巖將出現劇烈的圍巖變形。

2.3.2 采動應力擾動

數值計算模型中軌道下山與3#煤工作面停采線相距125m，與5#煤工作面停采線相距166m。如圖5所示，3#煤工作面停采后在煤柱內形成的峰值應力高達55.96MPa，約為原巖應力的3.7倍。由于煤層厚度較小，峰值應力區的范圍并不大，而且峰值位置大致位于煤壁前方15m左右，受煤柱內集中應力傳播影響，回風聯巷和軌道下山圍巖應力水平也有所提高。由于5#煤工作面停采線內錯3#煤停采線布置，5#煤工作面停采后3#煤工作面采空區和煤柱內的垂直應力水平明顯提高，導致回風聯巷和5#煤軌道下山應力大幅提升。

而在實際生產過程中，經過對3#煤21312和5#煤21510工作面的采動影響規律和5#煤軌道下山變形破壞特征及支護承載規律進行跟蹤觀測，3#煤21312工作面超前影響范圍約125m；5#煤超前影響范圍約322m，對5#煤軌道下山劇烈影響范圍約187m。21312工作面停采線與5#煤軌道下山距離大于170m，對軌道下山影響較小；21311工作面停采線與5#煤軌道下山距離在100～129m之間，對軌道下山具有一定影響，21510工作面停采與5#煤軌道下山距離在140～170m之間，軌道下山完全處于工作面采動影響劇烈影響區。

2.3.3 巷道支護設計

首先，從巷道圍巖巖性來看，軌道下山頂板為堅硬中粒砂巖，底板為泥巖、煤線等軟弱復合巖層，煤層和這部分復合軟巖巖體強度低，節理裂隙發育，對應力變化極為敏感，內部應力平衡狀態容易被打破。尤其是對于擴修巷道，每經歷一次擴修，巷道圍巖應力就經歷一次“中高應力→低應力→中高應力”循環，與此同時巷道圍巖產生應變軟化現象，巖體強度不斷降低，松動圈范圍也在不斷擴大。其次，從巷道支護強度來看，礦井5#煤軌道下山、回風聯巷支護設計煤幫主要采用2.5m、3.5m的自攻絲錨桿支護，該種錨桿在后期承載過程中，受5#煤巷道反復擴修，煤體松軟影響承載力不足，尤其是在煤體松軟區域巷道頂角位置，自攻絲錨桿的最大抗拔力不到2t，支護強度不滿足要求。

3 建議

象山礦井5#煤松軟破碎，經過多次擴修后巷道圍巖完整性和強度將進一步降低。考慮到原有自攻絲錨桿施工復雜，支護強度低的問題，必須采用高強樹脂錨桿(錨索)替代，配合特殊錨固劑配速后進行支護。同時巷道施工前需開展巷道圍巖結構探測和錨桿、錨索錨固力拉拔試驗，全面評估巷道圍巖的錨固性能。當錨桿、錨索拉拔力低于20t時，應立即查明原因并提出針對性的改進措施，保證錨桿、錨索的錨固力能夠達到設計要求。此外，在巷修過程中除按規定布置頂板離層監測裝置和礦壓觀測測站外，還應定期抽查錨桿、錨索的拉拔力。