火成岩侵入区巷道支护技术研究＊

2014-11-26杜学领张修泽

中国煤炭 2014年6期

杜学领王宁李杨张修泽

(1.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.中国矿业大学 (北京)力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083)

山西永定庄煤矿于2011年11月开拓石炭系3＃～5＃煤层，次年2月沿3＃～5＃煤层底板施工盘区巷道，在巷道掘进范围内多处遇火成岩侵入区，给工作面安全生产造成很大威胁。火成岩侵入区内掘进速度下降，无法保证正常的生产接替。该煤层为石炭系太原组最上一层可采煤层，井田东部受到火成岩侵入体破坏严重，且火成岩侵入无明显规律可循。区域内煤层夹矸层数较多，煤层结构复杂，附近煤层受高温炽热的岩浆侵入影响受热而发生变质、硅化，煤质疏松易碎、易片帮。由于岩浆侵入范围较广，同时煤层设计为放顶煤开采，导致顶煤经常随掘随垮，掘进期间极难维护巷道的稳定性。结合该矿火成岩侵入区巷道的变形破坏特征，研究了工作面运输巷的巷道支护技术。

1 火成岩侵入区全煤巷道变形破坏特征

现场调研发现，受火成岩侵入影响，全煤巷道矿压显现主要有以下3种特征:

(1)顶板突发断裂、冒落。由于火成岩侵入，不管是水平侵入还是垂直或倾斜侵入，都会造成侵入区内煤岩体整体性和连续性下降。因此，侵入区的煤层顶煤稳定性很差，容易发生断裂，部分区域会发生大面积冒落。冒顶以前，巷道并无明显变形破坏，锚杆和锚索等支护构件也无明显受力征兆，冒顶以后也未发现锚杆和锚索拉断现象。

(2)巷帮片帮严重。煤层巷道两帮煤体特别破碎，在火成岩侵入区域内多数地段发生严重片帮，并最终形成明显的倒梯形，不利于支护施工。局部片帮严重的巷道上部宽度达到8m以上，随着控顶面积的增大，支护难度进一步加大。

(3)巷道破坏具有不均衡性。由于火成岩侵入区煤层破碎，煤体结构遭到破坏，整体稳定性差，厚煤层顶板部位锚索锚固效果极差，无法发挥锚索的锚固作用。同时，由于火成岩侵入并无明显规律可循，在进行采区巷道系统布置时，不能有效避开火成岩侵入区，造成局部受火成岩侵入影响的巷道维护困难，未受侵入影响的煤岩体相对较完整。采用相同支护参数时，巷道破坏表现出不均衡性。

2 火成岩侵入区巷道支护设计原则

受火成岩侵入影响，锚杆锚索采用端头锚固时容易发生锚固失效，进行支护设计时，要从个体到整体提升支护系统强度，在整体统一支护设计的基础上，针对不同巷道区段内侵入程度不同采取补强支护、加强支护。具体应遵循以下原则:

(1)提高单根锚杆和锚索的支护强度，提高支护系统的整体刚度，对高强锚杆实施加长锚固，采用注浆锚索实施注浆全长锚固，提高锚杆和锚索的预紧力，提高组合构件的强度和刚度，增加W形钢带和钢筋网片等组合构件的强度和刚度。

(2)考虑注浆锚索有效注浆半径。由于注浆锚索可实现围岩注浆锚固，在相同顶板条件下，单根注浆锚索的注浆范围基本一定，将空间最大的平均料浆范围作为有效注浆半径r。当注浆锚索为n根、巷道宽度为B时，注浆锚索的间排距为2r＝B／n时，能够实现对顶板最大范围的注浆控顶。一般情况下，根据经验公式，考虑生产成本时锚索数量是确定的，此时，按照间排距为B／n时，能够获得最佳注浆锚固效果。若B／n＞2r时，注浆范围有重叠，从顶板一侧到另一侧，浆体与围岩按照均匀注浆→重叠注浆→均匀注浆的方式排列，整体性相对较好；当B／n＜2r时，浆体能够实现在顶板空间的最大注浆范围。因此，从经济性考虑，注浆锚索间排距应小于等于B／n，并沿巷道宽度方向均匀布置。

(3)提高巷道周围煤岩体的整体性。由于受火成岩侵入影响，煤岩体完整性遭到破坏，松散破碎的煤岩体不利于锚固系统与煤岩体形成统一整体，需要提高巷道周围煤岩体的整体性，改善其松散破坏的特性，避免锚固系统失效引起煤岩体动力灾害。如上所述，按照B／n的间距沿巷道宽度方向均匀布置注浆锚索时，能实现最大注浆范围。由于不同地质条件下注浆范围不同，顶板注浆锚固范围也不能局限于巷道宽度范围。在注浆锚索数量一定情况下，应使得注浆范围略向顶板肩角部倾斜，从而提高顶板的整体性。

3 火成岩侵入区巷道支护技术

针对火成岩侵入区掘进巷道顶部围岩锚索锚固性能差等特点，结合本煤层火成岩的不规律侵入及施工条件，为提高巷道施工质量，保证施工期间安全生产，同时避免巷道的重复翻修，5209运输巷过火成岩侵入区支护设计时采用锚杆锚索联合支护作为基础支护，采用中空注浆锚索作为补强支护，采用金属支架作为临时或加强支护。局部严重冒落区设计采用背板、U型金属支架、罗克休泡沫充填的方法来维护巷道及围岩的稳定性。

3.1 工作面巷道基础支护形式

工作面5209运输巷宽4.6m，高2.8m。根据组合梁、悬吊等理论，选用∅22mm×2200mm的螺纹钢锚杆和∅17.8mm×8000mm的锚索联合支护顶板，沿稳定煤层施工。锚杆排距0.8m，间距0.8m，锚杆锚固深度1m，锚杆外露长度0.1m。锚杆锚固力不低于8t，预紧扭矩不小于200N·m。锚索按两排齐排布置，排距1.6m，间距为1.8m，锚固长度1.6m，外露150～250 mm。角锚杆在两帮肩角处施工，间距0.6m，倾角为75°。

巷道两帮采用∅22mm×2200mm的螺纹钢锚杆，间距800mm，排距800mm，且最上端的锚杆距离顶板不超过200mm。所有锚杆均配合高强托板使用，顶板铺设W钢带，帮部铺设护帮网。具体的基础支护形式如图1所示。

图1 工作面运输巷基础支护形式

3.2 中空注浆锚索补强支护

离层注浆或注浆充填可有效改善围岩的稳定性，采用上巷注浆充填时可以不影响工作面的生产，并实现大范围充填，但工序较为复杂，增加生产成本。中空注浆锚索结构特点是索体中空，自带注浆芯管，把注浆锚固和树脂锚固合二为一，通过提高注浆压力 (最大注浆压力可达到7～8MPa)，使浆液充满钻孔，实现全长锚固，可改变围岩松散破碎结构，使围岩具有更好的整体性。考虑注浆锚索的有效注浆半径，在基础支护形式的基础上，设计侵入区巷道的中空注浆锚索排距为3.2m，间距2m。此时，注浆锚索的注浆范围能够在以巷道顶板为重心的基础上略向顶板外缘延伸，能够较好地提高支护效果。中空注浆锚索直径22mm，长度8000mm，安装孔径32mm，强度1760MPa，破断力不小于420kN，树脂锚固长度1000～1500mm，中空注浆管内径7.5mm，外径10 mm。由于锚索安装后即能承载，因此可在掘进头后方一定距离内将一定范围内的锚索一次性完成注浆，以提高支护速度。其支护方案如图2所示。

图2 火成岩侵入区中空注浆锚索补强支护图

3.3 严重冒落区巷道加强支护

在严重冒落区，初期施工时采用锚杆锚索联合支护和梯形金属支架的支护方法维护巷道围岩的初期稳定性，随着巷道的向前推进，采用中空注浆锚索进行补强支护，注浆锚索支护稳定后撤金属支架。

由于掘进形成的巷道毛断面难以在短时间内形成与支护体紧密接触的光滑外形，不可避免地在支护体与巷道表面间形成空隙。特别是在围岩破碎区域，金属支架容易存在较大的空隙。对于部分区域顶板存在冒落严重的问题，设计采用背板、U型金属支架、罗克休泡沫充填的方法加强支护严重冒落区。因此掘进施工过程中，在冒顶区内补打锚杆及钢带，以稳定冒落区巷道顶板，使冒顶区不再扩大；在冒落区使用U29支架上托背板、木板的方法进行支架壁后充填；其中罗克休树脂和催化剂的体积比为4∶1，风动气泵风压为0.4～0.7MPa，流量为8.7L／min。罗克休泡沫注射到冒落区内，会在短时间内硬化，维护围岩的整体性。

4 效果检验

为了检验所设计的支护方式在围岩控制上的效果，对5209运输巷进行了矿压现场监测。选定5209运输巷内150m火成岩侵入段为新型支护试验段，监测两帮收敛量、顶底板移近量。在巷道试验段设置1＃～5＃测站，1＃、5＃测站距试验段巷道开始处15m，2＃、3＃、4＃测站间距为30m。两帮收敛量及顶底板移近量分别如图3、图4所示。

图3 两帮收敛量

图4 顶底板移近量

由监测数据可知，在两个月的现场监测中，两帮收敛量最大为46mm，最大收敛速度为5mm／d；顶底板移近量最大为96mm，最大移近速度为14mm／d。监测后期，巷道两帮收敛量及顶底板位移量都有逐渐稳定的趋势，且越远离掘进头，巷道的变形量越小。矿压监测数据显示，巷道施工期间试验段的顶底板移近量和两帮收敛量能够满足现场工程要求，说明所采用的基础支护、补强支护、加强支护的支护方案能够较好地控制围岩变形，解决因火成岩侵入而造成的顶板易冒落、巷道围岩大变形等问题。