長平礦五盤區(qū)煤層大巷過陷落柱支護(hù)技術(shù)研究

史文龍

（晉城宏圣金成礦山建筑工程有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

長平礦五盤區(qū)陷落柱較為發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層大巷過陷落柱區(qū)域蠕動變形嚴(yán)重，需要不斷巷修才能滿足使用要求。為提高大巷支護(hù)效果，開展了五盤區(qū)煤層大巷過陷落柱區(qū)域支護(hù)技術(shù)研究。

1 工作面概況

長平礦五盤區(qū)大巷共有5 條，大巷地面標(biāo)高為1015～1139 m，周邊煤層標(biāo)高384～448 m，蓋山厚度為567～755 m。五盤區(qū)膠輪車巷為煤層大巷，巷道斷面尺寸為寬×高=5.8 m×5.6 m，煤層總厚度5.95 m。直接頂板為泥巖，平均厚度1.51 m；直接底板為泥巖，平均厚度1.78 m。根據(jù)三維地震資料顯示，五盤區(qū)膠輪車巷掘進(jìn)至1268 m 處揭露DX176 陷落柱。DX176 陷落柱長軸74 m、短軸40 m，陷落柱區(qū)域頂板節(jié)理發(fā)育，煤體疏松破碎，對巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響，需針對性開展支護(hù)技術(shù)研究。五盤區(qū)膠輪車巷及DX176 陷落柱示意圖如圖1。

圖1 五盤區(qū)膠輪車巷及DX176 陷落柱

2 圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試

根據(jù)實(shí)際研究的需要，本次測試共選擇4 個(gè)有代表性的地點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度測試，詳細(xì)了解長平煤礦五盤區(qū)大巷圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，在五盤區(qū)膠輪車巷進(jìn)行鉆孔窺視，為合理確定巷道支護(hù)參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

2.1 地應(yīng)力測試

采用水壓致裂法測試地應(yīng)力，測試裝置為SYY-56 型小孔徑水壓致裂裝置[1]。在陷落柱不同方位選擇測點(diǎn)，測點(diǎn)盡可能靠近陷落柱影響區(qū)域，依據(jù)巷道掘進(jìn)進(jìn)度和現(xiàn)場作業(yè)條件等綜合考慮，選擇的四個(gè)測點(diǎn)布置如下：第一測點(diǎn)布置于53021 巷900 m處，第二測點(diǎn)位于53023 巷600 m 處，第三測點(diǎn)位于五盤區(qū)膠輪車巷250 m 處，第四測點(diǎn)位于43221巷950 m 處。地應(yīng)力測點(diǎn)布置示意圖見圖2，地應(yīng)力測試結(jié)果見表1。

表1 水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果

圖2 地應(yīng)力測點(diǎn)布置示意圖

地應(yīng)力測試結(jié)果表明，所測區(qū)域第一測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力值為16.41 MPa，最小水平主應(yīng)力值為7.84 MPa，垂直應(yīng)力值為17.39 MPa；第二測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力值為13.65 MPa，最小水平主應(yīng)力值為6.96 MPa，垂直應(yīng)力值為15.45 MPa；第三測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力值為15.81 MPa，最小水平主應(yīng)力值為7.95 MPa，垂直應(yīng)力值為13.71 MPa；第四測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力值為17.60 MPa，最小水平主應(yīng)力值為8.06 MPa，垂直應(yīng)力值為13.02 MPa。根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)，可劃分長平礦五盤區(qū)地應(yīng)力場在量值上屬于中等應(yīng)力值區(qū)域[2-3]。

五盤區(qū)布置的第一、第二測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力均小于垂直應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力為最小主應(yīng)力，所測區(qū)域應(yīng)力場類型為σv＞σH＞σh型應(yīng)力場；第三、第四測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力為最小主應(yīng)力，所測區(qū)域應(yīng)力場類型為σH＞σv＞σh型應(yīng)力場。四個(gè)測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向分別為N82.2°E、N89.5°E、N87.2°E 和N62.1°E，為NEE 方向，方向一致性好。

2.2 圍巖強(qiáng)度測試

地應(yīng)力測試結(jié)束后，在原鉆孔內(nèi)采用鉆孔觸探法[4]對巷道頂板以上及巷幫10 m 范圍內(nèi)的煤巖體進(jìn)行了原位強(qiáng)度測試，得到長平煤礦五盤區(qū)頂板和巷幫煤體強(qiáng)度分布情況如下：

第一測點(diǎn)頂板以上0～5.2 m 為中粒砂巖，強(qiáng)度平均值為89.07 MPa；5.2～10.0 m 為細(xì)粒砂巖，強(qiáng)度平均值為88.30 MPa。第二測點(diǎn)頂板以上0～5.6 m為中粒砂巖，強(qiáng)度平均值為92.01 MPa；5.6～10.0 m 為細(xì)粒砂巖與粉砂巖互層，強(qiáng)度平均值為67.08 MPa。第三測點(diǎn)頂板以上0～2.8 m 為泥巖，強(qiáng)度平均值為42.02 MPa；2.8～10.0 m 為細(xì)粒砂巖，強(qiáng)度平均值為77.82 MPa。第四測點(diǎn)頂板以上0～7.7 m為中粒砂巖，強(qiáng)度平均值為85.10 MPa；7.7～10.0 m為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度平均值為63.56 MPa。

第一測點(diǎn)幫孔煤體強(qiáng)度平均值為14.71 MPa，第二測點(diǎn)幫孔煤體強(qiáng)度平均值為12.33 MPa，第三測點(diǎn)幫孔煤體強(qiáng)度平均值為11.35 MPa，第四測點(diǎn)幫孔煤體強(qiáng)度平均值為11.66 MPa。經(jīng)計(jì)算長平礦五盤區(qū)3 號煤的平均強(qiáng)度值為12.52 MPa。

2.3 圍巖結(jié)構(gòu)窺視

巖體中存在許多不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，控制著巖體變形、破壞及其力學(xué)性質(zhì)[5]，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)需對圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)了解。因此，采用礦用小孔徑全景電子窺視儀對五盤區(qū)膠輪車巷進(jìn)行煤巖體結(jié)構(gòu)窺視。

五盤區(qū)膠輪車巷鉆孔窺視結(jié)果：頂板以上0～2.8 m 為泥巖，巖層呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，該段巖層存在多處橫向裂隙，完整性較差；2.8～10.0 m為細(xì)粒砂巖，巖層呈淺灰色，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，其中3.7 m、5.5 m、6.6 m、7.0 m 有明顯橫向裂隙， 7.5～10.0 m 巖層破碎嚴(yán)重，完整性差。巷幫煤體結(jié)構(gòu)：左幫孔鉆孔沿軸向0～1.9 m 煤體輕微破碎，完整性較差；1.9～5.2 m 煤體完整性好；5.2～6.7 m 煤體輕微破碎，完整性較差；6.7 m 后幫孔塌孔，無法繼續(xù)進(jìn)行窺視。

從觀測結(jié)果來看，五盤區(qū)膠輪車巷頂板10 m范圍內(nèi)與錨桿支護(hù)直接相關(guān)的煤巖體巖性主要為泥巖和細(xì)粒砂巖，7.5～10.0 m巖層破碎嚴(yán)重，完整性差。幫孔受開掘擾動影響存在不同程度的塌孔現(xiàn)象，需加強(qiáng)巷幫支護(hù)強(qiáng)度來有效地控制巷幫煤體的變形。

3 膠輪車巷過DX176 陷落柱支護(hù)方案

3.1 可錨性測試

錨桿拉拔力試驗(yàn)的目的是判定巷道圍巖的可錨性，評價(jià)錨桿、樹脂、圍巖錨固系統(tǒng)的性能和錨桿的錨固力[6]，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。試驗(yàn)必須在現(xiàn)場進(jìn)行，使用的材料和設(shè)備與巷道正常支護(hù)相同。錨桿、錨索拉拔力試驗(yàn)記錄見表2。

表2 錨桿、錨索拉拔力試驗(yàn)記錄表

根據(jù)長平礦井五盤區(qū)已有的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和相似條件錨固性能參數(shù)，確定五盤區(qū)煤層大巷頂板錨索初始預(yù)緊力不低于350 kN，巷幫錨桿錨固力不低于150 kN，巷幫錨索初始預(yù)緊力不低于200 kN。

3.2 五盤區(qū)煤層大巷變形原因分析

通過現(xiàn)場勘查、圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試及可錨性測試，對煤層大巷過陷落柱區(qū)域變形大、存在支護(hù)失效現(xiàn)象的問題進(jìn)行深入分析，查找問題出現(xiàn)的原因主要為：1）五盤區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，陷落柱等構(gòu)造極其發(fā)育，對生產(chǎn)影響較大。2）巷道頂板巖層層位及厚度變化大。煤巷頂板泥巖厚度變化大，頂板變形嚴(yán)重多發(fā)生在泥巖增厚區(qū)。3）巷幫煤巖體松軟破碎、可錨性差、單軸抗壓強(qiáng)度低，屬于松軟難錨固圍巖，現(xiàn)場巷幫錨索錨固力一般在150 kN 左右，局部達(dá)不到100 kN，造成張拉過程中錨索外露超長。錨索錨固力不足導(dǎo)致巷幫支護(hù)效能低下，巷幫大變形嚴(yán)重削弱巷道整體支護(hù)效果，兩幫移進(jìn)導(dǎo)致巷道頂板下沉和底鼓。

針對性解決措施：提高巷幫松軟破碎煤巖體支護(hù)效果的關(guān)鍵是提高錨固力、快速恢復(fù)圍巖完整性，對巷幫進(jìn)行高壓多段劈裂注漿改善巖性。采用錨桿索支護(hù)聯(lián)合噴漿、滯后注漿的方式，可控制巷道圍巖的變形。

3.3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

五盤區(qū)膠輪車巷寬×高=5.8 m×5.6 m，掘進(jìn)斷面積為32.48 m2，大巷分兩次成巷，初次掘進(jìn)寬度5.8 m、高度3.8 m，第二次掘進(jìn)寬度5.8 m、高度1.8 m。巷道先沿3#煤層頂板掘進(jìn)，二次刷底為見頂見底巷道。

支護(hù)參數(shù)：頂板采用全錨索支護(hù)，錨索型號為SKP22-1/1720-7300，錨索長7.3 m，直徑22 mm，每排6 根，排距1.0 m，間距1.0 m。兩排錨索中間打設(shè)1 組3 根12#工字鋼錨索，間距1.5 m，錨索均垂直頂板打設(shè)。錨索托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。采用Φ6.5 mm 鋼筋焊接而成的鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)片規(guī)格為3000 mm×1200 mm。錨索采用三支錨固劑端部錨固，一支規(guī)格為MSK2335，另外兩支規(guī)格為MSZ2360，鉆孔直徑30 mm，錨固長度為1970 mm。考慮到錨索預(yù)緊力損失問題，一般要求錨索超張拉（張拉到350 kN），預(yù)緊力損失后不小于250 kN，外露長度不大于250 mm。

巷幫采用錨索支護(hù)，錨索型號SKP22-1/1720-5300，直徑22 mm，長度5.3 m，每幫每排5 根，排距1.0 m，間距1.2 m，錨索均垂直巷幫打設(shè)。錨索托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。采用Φ6.5 mm 鋼筋焊接而成的鋼筋網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)片規(guī)格為3000 mm×1200 mm。錨索采用三支錨固劑加長錨固，一支規(guī)格為MSK2335，另外兩支規(guī)格為MSZ2360，鉆孔直徑30 mm，錨固長度為1970 mm。錨索張拉到150～200 kN（最大限度接近現(xiàn)場所達(dá)到最大預(yù)緊力，可根據(jù)現(xiàn)場張拉試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)確定），外露長度不大于250 mm。

膠輪車巷過DX176 陷落柱區(qū)域巷道支護(hù)斷面如圖3。

圖3 膠輪車巷過DX176 陷落柱區(qū)域支護(hù)斷面圖（mm）

五盤區(qū)膠輪車巷過DX176 陷落柱期間，需加密頂板離層儀觀測，并在陷落柱范圍內(nèi)每間隔5 m 打設(shè)一個(gè)信號柱，延伸至影響區(qū)前后10 m 范圍。

過陷落柱期間，由于巷道部分區(qū)域頂板有淋水，導(dǎo)致支護(hù)體可錨性不符合要求。此時(shí)，除采用錨索支護(hù)外，架設(shè)32 號U 型鋼棚進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，棚距為0.8 m，架棚完畢后對錨索孔進(jìn)行注漿堵水，再對架棚段巷道進(jìn)行噴漿封閉。噴射混凝土厚度為100 mm，所用水泥強(qiáng)度等級為42.5，噴射拌料嚴(yán)格按照比例配制。C20 噴射混凝土配比為水泥:黃沙:石粉=1:2:2（質(zhì)量比），水灰比=0.45，每立方米C20 混凝土用量：水泥433 kg，黃沙886 kg，石子886 kg。

架棚支護(hù)斷面如圖4。

圖4 架棚支護(hù)斷面圖（mm）

3.4 巷幫滯后注漿

由前文五盤區(qū)煤層大巷變形原因分析可知，巷幫煤體松軟破碎、可錨性差、單軸抗壓強(qiáng)度低，是煤層大巷發(fā)生大變形的重要原因之一，相對于巷幫破碎煤體，巷道頂板和底板圍巖破碎程度較弱，因此巷道注漿主要以加固巷幫為主。巷幫采用錨索支護(hù)及噴漿后，滯后工作面對巷幫進(jìn)行注漿加固，對巷幫圍巖進(jìn)行改性，提高巷幫承載能力。

注漿材料添加劑配比：使用XPM 添加劑，添加劑用量為水泥重量的8%～10%。

水灰比：使用XPM 添加劑，水泥漿的水灰比0.6:1～1:1（根據(jù)現(xiàn)場注漿情況調(diào)整）。

水泥-水玻璃配比：使用水泥-水玻璃雙液漿時(shí)，水泥漿配比不變。水玻璃濃度38～42°Bé（根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整），模數(shù)M=2.8～3.2。水泥漿和水玻璃的體積比1:0.4～1:1。

注漿孔布置：注漿鉆孔沿巷道斷面成排布置，注漿鉆孔呈五花布置，排距2000 mm。當(dāng)巷道斷面超寬和超高時(shí)，要根據(jù)鉆孔間距增加鉆孔數(shù)量，具體布置方式可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際斷面進(jìn)行調(diào)整。注漿孔布置示意圖見圖5。

圖5 注漿孔布置示意圖（mm）

打孔：兩幫鉆孔使用ZQS-65/2.5 防突鉆機(jī)打孔，鉆頭Φ42 mm。

鉆孔角度：兩幫靠近頂板的注漿孔上仰15°，其余鉆孔垂直于兩幫。

鉆孔深度：注漿鉆孔深度6000 mm。

注漿方式：埋孔口注漿管，孔口管長度800 mm，孔內(nèi)下射漿管，射漿管5000 mm，全長一次注漿，封孔深度不低于600 mm。

注漿壓力：孔口注漿壓力3～5 MPa，現(xiàn)場注漿時(shí)要根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整。

3.5 支護(hù)方案對比

五盤區(qū)煤層大巷過陷落柱區(qū)域與一般區(qū)域的支護(hù)方案相比：一般區(qū)域僅進(jìn)行了大巷頂板和巷幫的全錨索支護(hù)，錨索排距為1.2 m，未采用U 型鋼棚、噴漿、注漿等措施；過陷落柱區(qū)域的錨索排距由1.2 m 縮短為1.0 m，在頂板兩排錨索中間增加了1 組3 根12#工字鋼錨索，并架設(shè)32 號U 型鋼棚與錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，對架棚段巷道進(jìn)行噴漿封閉，并滯后工作面對巷幫進(jìn)行注漿加固，從支護(hù)密度、強(qiáng)度、支護(hù)手段上進(jìn)行了全方位的提升，為控制巷道變形提供可靠保障。

4 效果分析

4.1 巷道變形和支護(hù)體受力分析

在五盤區(qū)膠輪車巷內(nèi)安設(shè)綜合測站監(jiān)測巷道變形情況和支護(hù)體受力情況，分析評價(jià)支護(hù)效果。

五盤區(qū)膠輪車巷過DX176 陷落柱區(qū)域，掘進(jìn)期間和使用期間表面位移監(jiān)測曲線如圖6。

圖6 五盤區(qū)膠輪車巷表面位移監(jiān)測曲線

由監(jiān)測曲線可知：掘進(jìn)期間五盤區(qū)膠輪車巷兩幫移近量最大為150 mm，頂板下沉量為45 mm，底鼓量為70 mm。使用期間五盤區(qū)膠輪車巷兩幫移近量為470 mm，頂板下沉量為130 mm，底鼓量為160 mm。由于巷幫圍巖強(qiáng)度低，巷道變形主要以兩幫變形量為主，頂板下沉量和底鼓量不大，巷道整體變形不大，圍巖完整性良好。

采用液壓枕式的測力計(jì)測試五盤區(qū)膠輪車巷過DX176 陷落柱區(qū)域錨索受力，頂板安裝3 個(gè)錨索測力計(jì)，監(jiān)測結(jié)果如圖7。由監(jiān)測曲線可知，錨索初期受力位于150～220 kN 之間，隨著時(shí)間的延長，大部分錨索受力逐步增大，錨索受力增加至270～310 kN。錨索受力整體不大，處于合理的范圍之內(nèi)。

圖7 五盤區(qū)膠輪車巷錨索受力監(jiān)測曲線

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

以往長平礦五盤區(qū)煤層大巷過陷落柱區(qū)域每米巷道維修率在20%以上，每次巷修需要全斷面維修、起底，維修采用全錨索支護(hù)。采用本支護(hù)方案后，五盤區(qū)膠輪車巷過DX176 陷落柱區(qū)域一次性控制到位，每米巷道維修率降低至10%以下，巷道平均每米維修成本由6142 元降至4822 元，平均每米巷道維修成本降低1320 元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

在長平礦選擇了4 個(gè)有代表性的地點(diǎn)進(jìn)行了地應(yīng)力測試和圍巖強(qiáng)度測試，在五盤區(qū)膠輪車巷進(jìn)行了圍巖結(jié)構(gòu)窺視和可錨性測試，分析了五盤區(qū)煤層大巷的變形原因，針對性地設(shè)計(jì)了五盤區(qū)膠輪車巷過DX176 陷落柱支護(hù)方案。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，試驗(yàn)巷道兩幫略有變形，但巷道整體變形不大，錨索受力處于合理的范圍之內(nèi)，圍巖完整性良好，平均每米巷道維修成本降低1320 元。巷道支護(hù)效果滿足了煤層大巷的使用要求，保障了礦井安全生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為長平礦五盤區(qū)煤層大巷過陷落柱提供了技術(shù)參考。