采區圍巖力學研究及控制技術應用

王 亮，高翔宇

（1.山西煤炭運銷集團陽泉二景和諧煤業有限公司，山西 陽泉 045000；2.山西煤炭運銷集團科學技術研究有限公司，山西 太原 030000）

1 概述

二景和諧煤礦井田位于陽泉市盂縣縣城西南12 km 處南婁鎮南上社村西一帶，批準開采6#～15#煤層，開采方式為地下開采，生產規模為90 萬t/a，礦區面積3.211 9 km2。

15 號煤層位于太原組下部，上距12#煤層27.60～39.13 m，平均34.82 m。煤層厚度4.12～8.85m，平均6.08 m，煤層結構簡單～復雜，一般含0～3 層泥巖夾矸。煤層頂板為K2 石灰巖，有時有0.60 m 泥巖偽頂，底板為泥巖、砂質泥巖。15#煤層為穩定全區可采煤層，井田內中東部大部分已采。15#煤層埋藏較深，未被氧化和剝蝕。

一采區主要巷道均布置在15#煤層中，采區膠帶、軌道、回風巷均為矩形斷面，沿15# 煤層頂板掘進，錨網支護，巷道間距為30m；工作面順槽均在采區大巷東側沿傾向布置，矩形斷面，錨網支護，沿15#煤層底板托頂煤掘進，綜掘機掘進；一采區共規劃有15101、15102、15103、15104、15105 共5 個工作面。15103 工作面為采區首采工作面，已于2021 年8 月回采完畢；15101 工作面為現采工作面。

由于15#煤層圍巖穩定性，15103 工作面在回采過程中受集中應力影響，出現圍巖破碎現象，制約著工作面安全高效回采，對此二景和諧煤礦通過技術研究對15#煤層圍巖力學性質進行分析，并對15103 回風順槽破碎圍巖提出了聯合支護技術。

2 圍巖力學性質分析研究

為了準確掌握15#煤層圍巖結構及力學性質，二景和諧煤礦決定在15103 回風順槽中施工鉆孔取樣以及施工鉆孔窺視。

2.1 煤巖樣取芯位置

二景和諧煤礦對15103 運輸順槽頂板圍巖結構進行了觀測，采用水壓致裂法對測試點的地應力進行了測試。取樣鉆孔的位置為15#煤15103 回風順槽350 m 處。鉆孔從15#煤層開始向頂板方向垂直向上鉆取20 m 的巖芯，向15#煤層底板方向垂直向下鉆取5 m 的巖芯，取300 mm×300 mm×300 mm 的15#煤的塊樣若干。

2.2 圍巖結構窺視

1）考慮到和諧煤礦一采區已有多個工作面開采，且有在掘巷道，故本次圍巖結構觀測選擇多點進行，力求能夠代表整個采區。本次共選擇3 個觀測點，分別位于15103 回風順槽350 m 處、750 m 處、以及1 150 m 處。

2）ZKXG100 礦用鉆孔成像軌跡檢測裝置進行鉆孔觀察，主要由儀器硬件和軟件兩部分組成，其中儀器硬件由鉆孔成像儀主機、探頭、深度計數器、推桿及連接線組成；軟件采用武漢天宸偉業科技有限公司研發的TSC2013 高清晰智能鉆孔成像儀分析評價系統[1]。

2.3 圍巖觀測結果分析

1）15103 回風順槽直接頂砂質泥巖抗壓強度20.3～22.9 MPa 平均21.2 MPa，抗拉強度0.95～1.04 MPa，平均0.99 MPa，屬軟巖石。基本頂為石灰巖抗壓強度58.8～69.6 MPa，平均63 MPa，抗拉強度2.90～3.13 MPa，平均3.05 MPa，屬較堅硬-堅硬巖石，巖體穩定性較好。

2）通過窺視發現頂板0～1.28 m 為泥巖，巖層呈黑色，巖層破碎，完整性差；1.28～16 m 為石灰巖，巖層呈灰白色-灰黑色，分解石脈充填；其中6.3、6.5、8.1、8.3 m 處有裂隙發育，10.59 m 處有環狀裂隙，8.48～8.73 m、9.2～9.47 m、13～13.1 m 處有縱向裂隙，其余巖層完整性好。

3 圍巖控制技術應用

通過對15103 回風順槽圍巖力學性質分析以及圍巖結構觀察發現，15103 回風順槽圍巖穩定性差，結構復雜，在應力作用下產生剪切破壞作用，是導致圍巖破碎重要原因，所以決定對圍巖提出注漿加固以及安裝U29 型鋼棚聯合支護技術。

3.1 注漿加固技術

1）15103 回風順槽注漿區布置在工作面超前20 m 范圍內，注漿區域集中頂板及煤壁側煤柱上，每排布置三個注漿孔（1#、2#、3#），其中頂板布置兩個（1#、2#），煤壁側巷幫布置1 個（3#）。

2）注漿鉆孔布置排距為10 m，鉆孔深度為5 m，直徑為45 mm，1#鉆孔布置巷道頂板中部[2]，2#鉆孔布置在距煤壁0.3 m 處，3#鉆孔布置在煤壁側巷幫上，距頂板間距為1 m。1#、2#鉆孔布置仰角為25°，2#鉆孔向回采側布置水平角為20°，3#鉆孔布置仰角為45°，水平角為30°。

3）注漿鉆孔施工完后對鉆孔內安裝注漿管路，并采用封孔器對孔口進行封堵，注漿管路外端依次連接壓力表、空閥門、混合器，并通過注漿管路與專用注漿泵連接[3]，如圖1 所示。

圖1 注漿施工注漿設備連接示意圖

4）注漿材料采用水玻璃與水泥砂漿混合漿液，混合比為0.4∶1,為了加快注漿液凝固速度，提高凝固強度[4]，對注漿液中添加速凝劑，注漿壓力為5 MPa。

3.2 架棚施工

通過現場觀察發現，15103 工作面在回采過程中受超前應力應力，回風順槽兩幫煤柱支撐強度低，特別是在過斷層區時兩幫煤柱垮落嚴重，傳統超前應力區采用的單體柱支護時，支護強度低且支護數量大，所以決定對超前應力區采取架棚支護，如圖2 所示。

圖2 15103 回風順槽鋼棚支護斷面示意圖（單位：mm）

1）15103 回風順槽架設的鋼棚主要由U29 型鋼焊制而成，棚腿長度為3.5 m，頂梁長度為4.2 m，棚腿與頂梁之間采用卡纜進行固定，底座采用一塊長度及寬度為0.3 m，厚度為8 mm 鋼板焊制而成，棚腿與底座之間采用螺栓進行固定[5]。

2）U29 型鋼棚架設順序為：底座→棚腿→頂梁→連接桿，鋼棚架設間距為1.5 m，待所有鋼棚架設完成后在相鄰兩架鋼棚棚腿之間采用兩組拉桿進行連接，拉桿成邁步式布置。

3）U29 型鋼棚在安裝時應注意以下事項：鋼棚在安裝前需對巷道底板進行平整，嚴禁將鋼棚安裝在松軟、底鼓底板上；同一架鋼棚在安裝時棚腿必須安裝平直，必要時采用錨桿將棚腿固定在巷幫上，棚腿與底座采用螺栓固定時必須擰固牢靠；鋼棚頂梁安裝后必須保證80%頂梁與頂板接觸嚴實，若頂梁出現懸空或不接頂時必須采用背板進行填充[6]。

4 結語

山西煤炭運銷集團陽泉二景和諧煤業有限公司針對15103 回采期間順槽圍巖出現破碎現象，對順槽圍巖采樣、實驗分析，去頂15103 順槽圍巖表層為不穩定軟巖，通過對圍巖內部結構進行觀察發現，圍巖結構復雜，從而導致工作面回采過程中出現圍巖應力顯現現象，通過對圍巖采取注漿以及架棚聯合控制技術后，彌補了原永久支護不足，控制了不穩定圍巖變形現象，工作面在后期回采過程中順槽圍巖變形現象得到了有效控制，取得了顯著應用成效。