破碎頂板巷道圍巖支護技術實踐

梁智超

(汾西礦業正旺煤業,山西 孝義 032300)

隨著礦井采掘深度不斷增加,破碎頂板巷道圍巖控制難度也隨之增大,成為深部區域煤炭開采需要重點解決的現實問題[1～3]。為此,眾多的學者及工程技術人員對破碎頂板巷道圍巖變形機理及控制技術進行了研究,其中任碩等[4]針對安陽煤礦1512膠帶巷沿5號煤頂板掘進期間面臨的頂板巖體破碎、承載能力差、遇水容易膨脹及巷幫煤體破碎、松散等問題,提出以增大錨桿、錨索預緊力并提升支護體護表面積為核心的圍巖支護技術,具體采用高預緊力錨桿索+噴漿方式支護圍巖,并依據現場條件給出圍巖支護技術參數,現場應用后實現了破碎頂板巷道圍巖變形的有效控制。劉鵬亮[5]以屯蘭礦23011工作面回采巷道在破碎頂板條件下面臨的圍巖變形量大、支護效果不佳等為背景,采用FLAC3D軟件對圍巖變形及應力分布特征等進行分析,提出用錨桿索+鋼筋網支護方式支護圍巖,現場應用后頂板下沉量控制在35 mm以內,實現了破碎頂板巷道圍巖變形的有效控制,為采面煤炭安全回采創造了良好條件。聶建斌[6]以13102運輸聯巷圍巖控制為工程背景,分析了地質構造、圍巖承載能力低是導致巷道在破碎頂板條件下變形量大的主要原因,提出采用錨網索+高壓注漿方式支護圍巖,達到提高頂板巖體完整性、強度以及控制圍巖變形的目的,工程應用后巷道頂底板、巷幫變形量分別控制在60 mm、70 mm以內。本文在借鑒前人研究成果的基礎上,以山西某礦31103工作面運輸巷遇破碎頂板圍巖控制為工程背景,提出采用錨網索+注漿+噴漿方式支護圍巖,現場應用后取得了較為顯著的效果。

1 工程概況

1.1 地質概況

31103工作面設計走向、傾向長度分別為1 050 m、210 m.開采的11號煤層厚度均值為3.5 m、傾角3°～6°,煤層基本頂以深灰色的石灰巖為主,厚度均值5 m,節理及裂隙發育,內部含有少量的泥巖、砂質泥巖等;直接頂以灰黑色的泥巖為主,厚度均值2.5 m,質地松軟,裂隙發育;直接底為灰色的砂質泥巖,厚度均值3.3 m,強度及承載能力等均較差。

11號煤層頂板特別是直接頂裂隙發育、質地松軟,導致回采巷道掘進期間支護難度較大,容易出現頂板離層量大、變形嚴重等問題,若采用的支護參數不合理極容易出現頂板冒落事故。本文以31103運輸巷為工程背景,對破碎頂板巷道圍巖支護技術進行分析探討。

1.2 運輸巷圍巖變形特征

31103運輸巷原設計采用錨桿+錨索+金屬網支護方式,具體支護參數為:頂板布置2根規格為Φ22 mm×4 300 mm的鋼絞線錨索,按2 500 mm×1 000 mm間排距布置;頂板設計布置6根規格Φ20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿,按850 mm×1 000 mm間排距布置;巷幫均布置3根規格Φ20 mm×1 800 mm螺紋鋼錨桿,按1 000 mm×1 000 mm間排距布置。運輸巷掘進過程中在原支護條件下受頂板破碎、直接頂強度低等因素影響,出現巷道成型困難,部分區域頂板離層量、圍巖變形量均較大,給運輸巷掘進及后續使用等造成嚴重影響。結合現場調研情況,分析巷道頂板支護難度大、圍巖變形破壞嚴重的主要因素有:

1) 圍巖整體強度偏低。已有資料顯示,巷道圍巖以泥巖、砂質泥巖以及粉砂巖為主,其中泥巖及砂質泥巖抗壓強度在31.7 MPa以內、粉砂巖抗壓強度在39.8 MPa以內,圍巖強度偏低,不利于巷道支護工作開展。

2) 頂板巖體破碎且范圍較大。結合頂板鉆孔窺視結果,運輸巷直接頂(厚度2.5 m左右的泥巖)裂隙發育,呈破碎狀態,頂板松動范圍超過5.0 m,頂板破碎范圍大,導致變形量及離層量控制難度高。

3) 巷道原有支護參數不合理。頂板支護用的錨索長度僅為4 300 mm,錨索錨固端未在頂板穩定巖層中,未能充分發揮錨索懸吊作用;未針對性采取頂板破碎控制措施。

2 破碎頂板巷道支護技術

針對31103運輸巷頂板破碎問題,為改善巷道圍巖承載能力及結構,確保巷道掘進及后續安全使用,提出采用錨網索+注漿+噴漿方式支護,即綜合使用超前注漿、圍巖噴漿、長錨索以及滯后注漿方式實現破碎頂板巷道圍巖加固、支護等工作。通過注漿提高破碎巖體穩定性,并配合錨噴支護,充分發揮圍巖自穩能力以及支護結構圍巖控制作用,達到控制破碎頂板巷道圍巖變形目的[7-9]。

1) 超前注漿。針對巷道直接頂破碎、容易垮落以及頂板成型困難等問題,在運輸巷掘進迎頭位置布置傾斜注漿管進行超前注漿,通過注漿壓力使漿液在頂板巖體裂隙中擴展形成骨架網絡,提高頂板巖體整體穩定性;同時傾斜注漿管也起到了護頂、挑頂效果。在運輸巷迎頭一排布置4根規格Φ15 mm×6 000 mm的注漿管,按照1 000 mm×2 000 mm間排距布置,注漿選用速凝無機材料,注漿壓力設計為4 MPa,采用的速凝無機材料可減少超前注漿對巷道掘進影響,保證巷道掘進進度。

2) 噴漿。為實現破碎圍巖及時封閉、增加護表強度并避免滯后注漿出現漏漿、跑漿等問題,在巷道表面進行噴漿。噴射混凝土強度等級C20,噴射厚度控制在50～100 mm.

3) 長錨索支護。為充分發揮頂板錨索懸吊效果,適當增大錨索長度,確保錨索錨固端位于上覆巖層堅硬且穩定的巖層中。運輸巷頂板破碎范圍約為5.0 m,為此將頂錨索長度由4 300 mm增至6 300 mm.

4) 滯后注漿。為進一步改善巷道圍巖整體性,在滯后巷道掘進迎頭10～20 m范圍內進行滯后注漿。滯后注漿選用注漿錨索并與普通錨索交替布置,即一排普通錨索與一排注漿錨索按照2 500 mm×1 000 mm間排距交替安排。滯后注漿選用的注漿材料為普通硅酸鹽水泥,漿液水灰質量比為2∶1,注漿壓力控制在3～4 MPa.

具體巷道支護參數為:頂板一排布置2根規格Φ22 mm×6 300 mm的錨索,按2 550 mm×800 mm間排距布置,普通錨索與注漿錨索交替布置;頂板一排布置6根規格為Φ20 mm×2 400 mm的螺紋桿錨桿,按850 mm×800 mm間排距布置;頂板錨桿及錨索均配合W鋼帶、托盤及金屬網提高護表強度,錨桿施加預緊力在300 N·m以上,普通錨索張拉力在200 kN以上、注漿錨索張拉力在150 kN以上。具體巷道支護斷面見圖1.

圖1 巷道支護示意(單位:mm)

3 圍巖控制效果分析

在運輸巷后續掘進期間采用新的支護方案,并在巷道布置測站對頂板離層、圍巖變形情況進行跟蹤監測,具體監測結果見圖2.從圖中看出,通過注漿后頂板巖體整體穩定性及強度得以明顯提升,頂板離層量大的問題得以較好解決,其中淺部巖體(0～2.4 m范圍)離層量在3 mm以內,頂板巖體總離層量控制在13 mm以內;在監測期間,運輸巷頂底板、巷幫位移量分別控制在89 mm、148 mm以內,巷道圍巖變形量整體較小。現場應用表明,31103運輸巷采用的圍巖支護技術方案可滿足巷道掘進、后續使用等需要。

圖2 圍巖變形控制情況

4 結 語

1) 31103運輸巷圍巖破碎且承載能力較差,頂板松動圈范圍在5.0 m左右,導致運輸巷圍巖變形量大且支護困難。為提高31103運輸巷圍巖控制效果,結合現場情況提出以充分發揮圍巖自身承載能力及支護體系圍巖控制效果為核心的圍巖支護措施,通過超前注漿、長錨索、噴漿、滯后注漿方式對圍巖進行支護。

2) 結合31103運輸巷現場條件,對注漿及錨索、噴漿等支護參數進行詳細設計并進行工程應用。結果表明,運輸巷頂板總離層量控制在13 mm以內,頂底板、巷幫位移量分別控制在89 mm、148 mm以內,表明現場使用的支護措施可實現破碎頂板巷道圍巖變形有效控制。