大埋深破碎圍巖巷道變形控制技術

王瑞峰

(山西焦煤水峪煤業,山西 孝義 032302)

隨著礦井采掘深度不斷增加,煤炭開采受地應力、構造、破碎頂板、瓦斯等各類不利因素的影響更趨明顯,給井下巷道掘進以及煤炭開采均帶來一定制約[1-2]。當圍巖破碎時,巷道掘進及后續使用期間往往面臨圍巖支護難度大、變形嚴重等問題,給行人、通風及運輸造成影響。實現深部破碎圍巖巷道變形的有效控制是確保安全高效回采的基礎[3-4]。為此,眾多的學者及技術人員對深部破碎圍巖巷道變形控制技術展開研究。樊寶柱[5]針對萬安礦1102回風巷掘進過F3斷層、X2陷落柱高應力區期間面臨的頂板破碎、離層以及巷幫變形嚴重等問題,結合現場條件提出頂板采用“深孔注漿+桁架錨索+梯形鋼棚”組合支護方式,陷落柱影響幫采用“T型鋼棚+混凝土墻體”支護方式,現場應用后,頂板離層、變形量大以及巷幫收斂嚴重等問題得以較好解決,頂板、巷幫最大位移量分別控制在150 mm,320 mm以內;于洋等[6]對紅嶺礦15141回采巷道在破碎圍巖條件下的巷道圍巖應力演化及變形特征進行分析,并提出通過高預緊力非對稱耦合支護+圍巖注漿方式控制巷道圍巖變形,實現了破碎圍巖變形的有效控制,巷道可滿足采面回采需求;李中偉[7]針對李雅莊礦回采巷道在地應力、斷層構造等多因素影響下出現的巷幫收斂量大、頂板下沉明顯等問題,在分析圍巖力學參數的基礎上,提出通過采用大直徑高強度錨桿、錨索支護圍巖,并在巷幫增設補強錨索,提升麻桿、錨索自身強度及預緊力,采用金屬網、鋼筋網提升護表強度,有效應對巷道圍巖變形。文章在借鑒以往研究成果的基礎上,針對山西某礦120801回采巷道圍巖破碎問題,結合現場情況,針對性地提出巷道圍巖控制技術方案,實現了圍巖變形的有效控制。

1 工程概況

120801工作面開采的12號煤層埋深均值為650 m,煤厚均值為1.4 m,煤質為開采經濟效益極佳的焦煤,煤層傾角5°～8°,采面設計走向、傾向長度分別為905 m,120 m.120801工作面上覆已經回采完畢的11號煤層110801工作面采空區,具體采面位置關系見圖1.

圖1 采面位置圖

120801運輸巷沿著回采的12號煤層底板掘進,巷道設計為矩形斷面,凈寬×凈高=4 600 mm×2 300 mm,掘進區域內煤層頂底板巖性以泥巖、砂質泥巖、細砂巖為主,煤層頂、底板巖性見圖2.

圖2 12號煤頂底板巖性

根據臨近采掘作業面回采及掘進揭露資料、已有物探及鉆探資料顯示,在120801運輸巷掘進范圍內發育有多條落差在1.0～3.6 m的斷層,在斷層影響范圍內煤巖體裂隙發育,給巷道掘進造成一定影響。120801運輸巷采用EBZ-160掘進機+SGB-420刮板輸送機+SDJ-800型膠帶輸送機實現煤巖截割、運輸等,采用2臺型號BDNO.7.1-2×45 kW型風機供風,供風量為580～850 m3/min.由于120801運輸巷掘進區域煤層埋深較大且受上覆11號煤層回采影響,巷道圍巖破碎,導致120801運輸巷圍巖支護難度較高,需結合現場情況針對性地制定巷道圍巖控制技術方案。

2 破碎圍巖巷道變形控制技術

120801運輸巷上覆11號煤層采空區,在11號煤層采動影響下,120801運輸巷圍巖破碎,給巷道圍巖變形控制工作造成影響,具體表現為:

1) 巷道掘進期間頂板泥巖、砂質泥巖以及細砂巖層較為破碎、強度及承載能力較差,容易誘發冒頂、大變形等問題;

2) 由于頂板巖體破碎、圍巖松動破壞范圍大,導致支護用的錨桿錨固端不牢靠,影響錨桿圍巖支護效果。

結合120801運輸巷現場實際條件以及以往類似條件巷道圍巖支護經驗,提出采用中空注漿錨桿+高強柔性金屬網+工字鋼架棚支護方式控制圍巖,具體巷道支護斷面見圖3.

圖3 圍巖支護示意(單位:mm)

120801運輸巷頂板采用規格為Φ28 mm×2 600 mm的漲殼式中空注漿錨桿,具體結構見圖4.錨桿壁厚5.5 mm.頂板錨桿間、排距為1 000 mm×1 000 mm.向頂板中空錨桿內注入水灰質量比為0.38～0.45的水泥漿,注漿壓力控制在2～4 MPa,通過注漿提升巷道頂板整體穩定性及強度,避免出現失穩或者冒落等問題,進一步發揮錨桿對頂板破碎巖體的支護效果,控制頂板變形量。頂錨桿注漿完成后,通過止漿塞即可封堵錨桿尾部,避免注漿漿液外溢。巷幫采用規格為Φ20 mm×2 500 mm的樹脂錨桿配合金屬網支護,間、排距為1 000 mm×1 000 mm.頂板及巷幫錨桿端頭均采用2節規格為Φ23 mm×350 mm的MSK2335型錨固劑錨固。在滯后采面10～15 m位置架設由11號工字鋼制作的梯形棚,棚腿長度為2 200 mm,橫梁長度為4 200 mm,棚間距為1 000 mm.在梯形棚與巷道壁間充填木料,確保架棚給巷道表面圍巖足夠的支護作用力。

圖4 頂板錨桿結構圖

在巷道頂板及巷幫使用TECCO高強度柔性金屬網見圖5.網格為菱形結構,尺寸為140 mm×80 mm,金屬絲直徑為3 mm,最大抗拉強度可達到1 770 MPa,具備韌性和柔性好、強度大等優點,在巷道圍巖支護時可緊貼巷道壁,提升巷道圍巖整體穩定性。

圖5 高強度柔性金屬網

3 圍巖變形控制效果

在120801運輸巷支護完成后,布置測點監測巷道圍巖變形情況,巷道圍巖變形監測結果見圖6.從監測結果看出,運輸巷頂底板、巷幫移近量隨著支護時間的增加而增大。支護完成20 d后,圍巖變形量基本趨于穩定,其中運輸巷頂、底板最大移近量為66 mm,兩幫最大移進量為58 mm.支護用的工字鋼架棚、錨桿等均正常,未出現架棚彎曲或者變形等情況,錨桿無失效情況;工字鋼架棚與巷道圍巖接觸密實,可為圍巖提供較大的支護作用力。120801運輸巷現場應用表明,巷道圍巖支護采用的中空注漿錨桿+高強柔性金屬網+工字鋼架棚支護方式可有效控制深部破碎圍巖變形,巷道支護成本較低,圍巖控制效果較好。

圖6 圍巖變形監測曲線

4 結 語

120801運輸巷沿著12號煤層頂板掘進,煤層埋深均值為650 m,巷道埋深較大,同時受到上覆11號煤層采動影響,巷道圍巖破碎,巷道掘進及后續使用期間存在冒頂、圍巖變形嚴重以及支護困難等問題。120801運輸巷圍巖控制的關鍵是確保巷道頂板穩定,為此結合120801運輸巷現場條件,在巷道頂板采用漲殼式中空注漿錨桿+注漿+高強柔性金屬網+工字鋼架棚組合方式支護頂板,在巷幫用樹脂錨桿配合金屬網支護。通過對破碎頂板進行注漿可提升頂板巖體整體穩定性及承載能力,并增強錨桿與頂板巖體耦合效果;高強柔性金屬網及工字鋼架可為運輸巷表面圍巖提供較強的作用力,減少圍巖變形量。現場應用后, 120801運輸巷頂底板最大移近量為66 mm,兩幫最大移進量為58 mm,巷道圍巖保持了穩定狀態,圍巖變形控制技術取得了較好的應用效果。