破碎巷道圍巖變形機理及支護技術研究

張國英

(山西焦煤霍州煤電集團有限公司,山西 呂梁 033000)

煤炭資源作為我國的基礎能源,煤炭產量約41億噸/年,井下回采巷道的長度約1 500公里,回采巷道圍巖的穩定性控制是煤炭資源安全高效開采的必要前提,尤其是破碎圍巖回采巷道的穩定性控制一直備受眾多專家學者的關注[1-3]。吳愛祥等[4]基于對軟弱破碎圍巖巷道變形主要影響因素的分析,采用“鋼拱架+長錨索”聯合支護技術有效控制了巷道圍巖變形?？追矀5]通過圍巖力學參數測試和數值模擬研究結果,設計了松軟破碎頂板巷道合理支護體系,并取得了較好的圍巖控制效果。孫占成等[6]提出了“中空注漿錨索+錨桿”的破碎圍巖巷道補強支護措施,對高應力軟巖破碎圍巖巷道變形控制效果顯著。本文基于上述研究成果,針對木瓜煤礦10-208工作面圍巖地質條件復雜,在回采巷道過破碎圍巖段,巷道頂板嚴重下沉,片幫、底鼓等破壞現象嚴重,不能滿足巷道的正常使用,影響井下的作業安全等問題,對破碎圍巖回采巷道的支護技術進行研究,以期降低施工風險,保證巷道圍巖的穩定性,具有重要的理論和現實意義,同時可為相似地質條件下的同類型巷道圍巖支護提供參考依據。

1 工程概況

木瓜煤礦10-208工作面位于盛地溝村以北的黃土丘陵一帶,地表以侵蝕性黃土梁峁為主,山上分布著梯田及坡地。工作面以北、以東、以西為黃土溝谷,以南為盛地溝村;工作面地表采動影響范圍內無村莊,10-208工作面所開采煤層為石炭系上統太原組的9+10號煤(合并層),9號、10號煤層間距0.2～0.4 m;煤層普氏系數為2～3,中厚層狀,賦存較穩定。

10-208工作面上部為實體煤巖層,以南緊鄰二盤區3條準備大巷,以北為實體煤,以西為10-206回采工作面,以東為實體煤,緊鄰風氧化帶,靠近礦井井田邊界,生產期間預計不會對其造成采動影響。煤層頂板情況如表1所示。

表1 煤層頂底板情況

10-208工作面地面標高為+1 045～+1 175 m,10-208回采巷道標高為+810～+835 m,全長為997 m,巷道為矩形斷面,凈寬為5.0 m,凈高度為3.5 m,受復雜地質條件的影響,10-208回采巷道約150 m范圍內巷道圍巖變形嚴重,頂板下沉量達600 mm,兩幫移近量達500 mm,且部分區域內錨桿索出現斷裂、托盤壓翻等現象,需對10-208回采巷道變形嚴重段進行加固處置,確保井下的安全生產。

2 巷道圍巖變形機理

2.1 地質構造的影響

通過現場地質勘察,工作面掘進期間揭露6條正斷層,斷層落差范圍為0.5～1.7 m,斷層最大影響范圍為20 m,破壞了巷道圍巖的完整性,10-208工作面回采巷道在構造的作用下,部分地段的圍巖較破碎,從而造成該區域內巷道圍巖的強度較低。

2.2 圍巖強度的影響

巷道的直接頂為泥巖,強度較低,且泥巖易吸水膨脹,直接頂范圍內的泥巖較為軟弱,極易導致巷道圍巖發生較大變形。巷道頂板原支護方案為:

巷道頂板選用直徑22 mm,長度2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿,錨桿均與頂板垂直,錨桿間排距為900 mm×1 000 mm,錨桿螺母預緊力矩不得低于300 N·m,錨固力為190 kN.

錨索采用Φ20 mm×5 300 mm預應力鋼絞線錨索,間排距為1 800 mm×2 000 mm,選用180 mm×180 mm×12 mm的球型鋼板托盤,施加預緊力不小于300 kN.保證錨索錨固端深入穩定巖體中不少于1 m.

兩幫選用直徑22 mm,長度2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿,錨桿均與幫部垂直,兩幫錨桿的間排距為950 mm×1 000 mm,錨桿螺母預緊力矩不得低于300 N·m,錨固力為160 kN.

在巷道的頂板、兩幫均鋪設六邊形金屬網,規格分別為長×寬=5 500 mm×1 100 mm、長×寬=2 900 mm×1 100 mm,鋼筋網的搭接長度為50 mm,同時使用16號雙股聯網絲進行聯接,聯網絲的扭結大于3扣,聯網距小于200 mm.

從支護方案可以看出,錨桿長度為2 400 mm,錨桿的錨固區處于泥巖中,在該區域內錨桿只對剪切應力起作用,并不能完全發揮錨桿的支護作用,支護效果不佳。

2.3 地應力的影響

選取破碎圍巖嚴重段的地應力作為測點,分析巷道圍巖的變形破壞機理﹐破碎圍巖嚴重段所受地應力大小和方向如圖1所示。

圖1 地應力大小和方向

由圖1可知,回采巷道的走向為正東西方向,最大水平主應力與回采巷道的夾角為45°.

圖2 莫爾圓與抗剪強度間的關系

結合圖1、圖2可知,回采巷道的走向為正東西方向,在最大和最小水平主應力的作用下,巷道頂板巖石會在41°～60°范圍發生剪切破壞,破壞角度范圍平行于回采巷道,對巷道圍巖的支護十分不利,其是10-208工作面回采巷道圍巖變形破壞的主要機理。

3 加固支護方案

3.1 注漿加固方案

在圍巖進行注漿前,先對圍巖進行掃噴,封閉裸露處圍巖的表面。頂板注漿孔的間排距為1 600 mm×2 000 mm,注漿孔采用“4-3-4”進行布置,注漿孔的直徑為36 mm,深度為8 000 mm;巷道幫部注漿孔的間排距為2 000 mm×2 000 mm,每排2根,注漿孔的直徑為36 mm,深度為7 000 mm;底板注漿孔的間排距為2 000 mm×2 000 mm,每排2根,注漿孔的直徑為36 mm,深度為6 000 mm.

采用鑿巖機打設注漿孔,注漿孔與巷道圍巖表面全部垂直,同時在注漿孔內埋設射漿管進行一次性全鉆孔注漿,注漿壓力約為6.0 MPa,采用水泥-水玻璃雙液漿的注漿材料,水灰比為0.8,水玻璃的濃度約為50Be’,模數為3.0,水玻璃與水泥漿液的體積之比約為0.5∶1[4-7],注漿孔布置如圖3所示。

圖3 注漿孔布置圖(單位:mm)

3.2 錨桿索支護方案

1) 頂板支護。巷道頂板采用CRM500Φ22-M24-2 400的強力錨桿,錨桿打設時,需使錨桿與頂板相互垂直,錨桿的間排距設計為900 mm×900 mm,每排5根錨桿,錨桿螺母預緊力矩大于400 N·m,且不超過500 N·m.同時錨桿配合使用3.8 m的鋼帶進行加強支護。

巷道頂板錨索采用SKP22-1/1 860/8 300強力錨索,錨索采用“2-3-2”方式進行布置,錨索2根時,間排距為1 800 mm×1 000 mm;錨索3根時,間排距為1 700 mm×1 000 mm.錨索作業時需使錨索與巷道頂板相互垂直進行打設。

2) 兩幫支護。巷道兩幫采用CRM500Φ22-M24-2 400的強力錨桿,間排距為950 mm×1 000 mm,巷道左、右幫處錨桿均打設4根,左右兩幫錨桿對稱布設。

巷道兩幫采用SKP22-1/1 860/4 300強力錨索進行加強支護,錨索作業時,需使錨索與巷道幫部相互垂直進行打設,錨索的間排距為2 000 mm×2 000 mm,每排共打設2根錨索,左右兩幫錨索對稱布設。

其他支護技術材料、參數同原支護方案,支護技術方案如圖4所示。

圖4 優化支護方案圖(單位:mm)

4 工業性試驗

將優化支護方案應用于10-208工作面回采巷道過破碎圍巖段,同時布設兩組測站,間距40 m.在巷道掘進施工過程中,采用“十字布點法”對巷道頂底板及兩幫的圍巖變形進行現場觀測,頂部測點布置在巷道中心線上,幫部測點布置在距巷道地面1 m的位置處,頂幫測點布置在同一斷面內,底板監測點采用鐵釬,釘入底板圍巖內的長度為250 mm.圍巖觀測站按每周1次進行測讀和記錄,為期90 d,不同測站巷道圍巖表面位移情況如圖5所示。

圖5 不同測站巷道圍巖表面位移情況

由圖5可以看出,頂底板相對移近量及兩幫相對移近量隨觀測時間均呈現出先增大,后趨于穩定的變化趨勢,具體表現為在0～58 d范圍內,頂底板及兩幫相對移近量呈增大趨勢;在58 d以后,頂底板及兩幫相對移近量基本趨于穩定,頂底板及兩幫累計變形量最大值分別為49.5 mm和64.6 mm,同時掘進期間巷道無冒頂片幫現象發生。由此可見,優化支護技術能有效控制其過圍巖破碎段的變形破壞。

5 結 語

以木瓜煤礦10-208工作面回采巷道過圍巖破碎段為工程背景,對過圍巖破碎段巷道圍巖的控制及支護技術展開研究,得出以下主要結論:

1) 通過對破碎巷道圍巖變形機理分析,確定了10-208工作面回采巷道過圍巖破碎段“注漿加固+錨桿索”優化支護技術方案。

2) 現場實測結果表明:10-208工作面回采巷道過圍巖破碎段掘進期間,頂底板及兩幫累計變形量最大值分別為49.5 mm和64.6 mm,圍巖變形得到有效控制。