千米深井孤岛工作面软岩巷道支护技术试验

2020-09-02李冰冰

山东煤炭科技 2020年8期

李冰冰

（中煤新集能源股份有限公司口孜东矿，安徽阜阳 236153）

孤岛工作面回采是煤矿生产面临的一项严峻的技术挑战[1]。目前，针对孤岛工作面巷道支护许多学者进行了大量的研究，取得了一定的研究成果[2-3]。口孜东矿是千米深井薄基岩厚松散层矿井，巷道围岩呈现典型的软岩特性，巷道支护也一直是制约矿井安全高效生产的主要难题。为此进行了大量探索与实践[4-5]，但都是针对岩巷的支护形式进行研究，对工作面两巷的煤巷支护研究相对较少，因此孤岛工作面巷道支护技术研究迫在眉睫。

1 概况

1.1 工程概况

口孜东矿位于安徽省阜阳市颖东区杨楼镇境内，设计生产能力5.0Mt/a，服务年限60.2a。矿井采用立井开拓，目前开采第一水平，埋深994.7m。井田地处淮河冲积平原，煤系地层为石炭二叠系，覆盖于煤系地层以上的新生界松散层平均厚度591.60m。矿井主要巷道揭露的岩层以泥岩、砂质泥岩为主。

2014 年迫于采掘接替紧张，形成了121302孤岛工作面。1213采区共4个工作面，前3个工作面已回采结束，剩余最后一个121302工作面。121302工作面南侧邻近一组开拓大巷，北、东、西面分别为111304工作面采空区、121301工作面采空区及121303工作面采空区，三面采空区收作日期分别为2015年4月25日、2016年10月5日和2017年8月9日。如图1所示。

121302 工作面为倾斜长壁工作面，工作面长332m，可采倾斜长1010.9m，煤层平均厚度4.8m，可采储量218万t，煤层倾角6°～12°，平均倾角约9°。121302工作面顶板柱状图及钻孔窥视显示：顶板21.7m范围为裂隙发育的泥岩层，21.7～37.5m范围内为泥岩和砂岩交互的复合岩层，37.5～45.7m范围为坚硬的细砂岩。

图1 121302孤岛工作面布置图

1.2 巷道变形破坏特征

（1）煤柱帮部内挤变形突出。口孜东矿埋藏深，地压大，巷道软岩特征突出，煤体在高应力作用下破碎，整体性降低，破碎煤体加剧了风化程度，导致煤柱煤体碎涨变形突出，部分区域表现为向巷道空间内整体内挤。

（2）强烈底鼓。巷道底鼓是口孜东矿井普遍存在的问题，部分巷道需要反复多次卧底才能满足生产需要。

（3）支护构件破坏严重。由于存在煤帮内挤变形以及强烈底鼓特征，导致支护结构承载了较大的作用力。锚索是巷道锚杆支护的关键承载体，但是锚索延展率低，难以满足围岩大变形的要求，导致锚索破断、钢带撕裂等现象，在一定程度上加剧了巷道围岩的变形失稳。如图2所示。

图2 采空区侧帮部鼓出、底鼓、锚索破断、钢带断裂

2 类比法确定孤岛工作面两巷煤柱参数

与口孜东矿相邻的刘庄煤矿一般沿空掘巷煤柱按10m留设，孤岛工作面最小煤柱按20m留设。刘庄煤矿120502孤岛工作面风巷煤柱留设20m、机巷留设30m的实践证明，效果较好。在121302孤岛工作面之前，口孜东矿有两条巷道为沿空掘巷，参照刘庄煤矿留设煤柱宽均为10m。

121302 工作面埋深较这两条风巷更深，故121302工作面煤柱应大于原来的沿空掘巷煤柱。参照刘庄煤矿120502孤岛工作面煤柱留设，考虑111304工作面采空区积水位于121302孤岛工作面切眼斜上方，故煤柱留设应相对保守，即采用30m煤柱。由于与111304工作面存在一定角度，煤柱形状为梯形，宽度为30～90m，则风机巷按20m留设。再结合机巷侧121301工作面采空区压实期较长，煤柱适当减小，取10m和20m的中间值，即15m煤柱。综上所述，121302孤岛工作面切眼煤柱30m，风巷煤柱20m，机巷煤柱15m。

3 掘进时两巷支护

121302 工作面两巷采用直墙半圆拱形断面，巷道净宽×巷中高=5800×4100mm，净面积20.16m2，如图3所示，采用锚杆、锚网、锚索、M钢带、H钢带联合支护方式。锚杆为Φ22mm×2500mm的左旋无纵筋高强螺纹钢，间排距700×700mm，每排19根；锚杆托盘为150×150×12mm钢板；锚索为Φ21.8mm钢绞线，顶部锚索间排距1200×1400mm，每排7根9200mm锚索，帮部锚索排距1400mm，每帮各3根6200mm锚索；锚索托盘为300×300×14mm和150×150×14mm大小两块钢板，支护时大在上、小在下；锚固剂为MSZ2850型树脂锚固剂，每根锚杆配用3支锚固剂，每根锚索配用4支锚固剂，搅拌时间20～35s；锚网为Φ6×1000×2000mm钢筋网；钢带采用Φ12mm圆钢焊接而成，根据现场需要配有1.9m、2.5m、3.04m、3.6m等不同规格。

图3 121302工作面两巷支护断面图

当巷道顶板围岩岩性较差、易片帮时，采用超前钢筋作为超前支护，巷道顶板围岩岩性较好、胶结性好、不易片掉时，采用戴帽点柱作为临时支护。

4 注浆加固煤柱

4.1 注浆加固原理

（1）对于易风化煤岩体，注浆材料在高压下进入风化破碎带以及裂隙内，形成胶结体粘结破碎带，封堵围岩裂隙，隔绝空气与内部围岩之间的接触，避免其风化，抑制煤岩体自身强度的降低。

（2）注浆材料挤压到钻头端头深处围岩裂隙中，扩大浆液的扩散范围，与破碎围岩胶结后形成整体结构，改变了破碎煤岩体结构，提高了煤岩体整体黏聚力和抗拉、抗压强度，改善支护结构的受力条件。

（3）对煤岩体中的裂隙进行充填，使松散煤岩体的破坏机制得到改善，使围岩的弹性模量和强度大大提高。

（4）加固浆液注入到围岩纵横交贯的裂隙中，形成新的网格骨架结构，提高围岩的残余破坏强度，使其在受到较大的应力时不会破坏，从而延缓了变形破坏进程，改善了巷道维护状态。

4.2 煤柱侧注浆加固方案

孤岛工作面两巷在掘进时巷道局部变形，尤其以煤柱侧变形为重。为此，在掘进后不久，即开始对煤柱侧进行喷浆、注浆，同时安排一支队伍专门进行反复注浆，确保注浆效果。

4.2.1 掘进超前注浆

首先在121302机巷进行超前注浆，每循环布置两个注浆孔。巷道掘进方向为上山，角度10°，注浆孔1距离底板1m，长度11m，仰角3°，垂直煤柱往里偏转36°；注浆孔2距离底板1.5m，长度8m，仰角12°，垂直煤柱往里偏转64°。

因121302工作面机巷是分台阶施工，在综掘机掘进完、迎头支护时，在确保安全的前提下，同时进行注浆。超前注浆试验了50m巷道，但注浆效果不佳，主要原因是巷道刚刚掘进，围岩裂隙较小，吃浆量较小。因此改为掘进后滞后迎头注浆，滞后距离50～150m。

4.2.2 滞后注浆

（1）注浆顺序

在巷道完成表面喷浆的情况下，从外向里，先帮部底脚后肩窝，先浅孔后深孔，深、浅孔纵向交替布置，逐根打眼、注浆。注浆孔布置如图4所示。

（2）表面喷浆

喷浆强度C20，配合比（重量比）为水∶水泥∶黄砂∶瓜子片=0.45:1:2:2，速凝剂掺入量为水泥重量的4%，喷浆厚度以注浆时不漏浆为准。

（3）浅孔注浆

注浆以单液水泥浆为主，水灰比为0.7～1:1。若单孔吃浆量过大，而达不到设计终压时，可增加浆液浓度。采用P.C32.5复合硅酸盐水泥，漏浆时采用黄泥、锚固剂、玻璃水等封堵。

注浆排号为单排号，间排距1.6×3.2m，每排布置2个孔，浅孔孔深4m，浅孔终压为3.5MPa。巷道底脚注浆锚杆锚注管与巷道底板成30°～45°角，距离底板不大于300mm，其余孔口管均与巷道周边轮廓成垂直布置，最小角度不得小于75°，严格按孔深要求，孔深误差控制在±50mm范围内。

（4）深孔注浆

浅孔注浆20m后，在浅孔之间按排距3.2m布置深孔，注浆排号为双排号。每排布置1个孔，与浅孔形成五花布置，深孔孔深6m，深孔注浆终压4.5MPa，锚注管加镀锌钢管累计长4m。

注浆锚杆采用管径DN20mm无缝钢管制作而成，规格有3m、2m、1m三种，搭配使用，两头套丝，注浆钢管之间用束结连接。在端部使用1根杆体带眼的注浆钢管或加工尖头开眼的镀锌钢管，以防安设注浆管时端头被堵塞而不能出浆。

5 现场试验

按照上述注浆设计方案，121302工作面机巷共计注浆201t，后期进行复注，但是单孔吃浆量减小，说明采空区侧煤柱裂隙明显减少，停止注浆。为了分析注浆支护效果，在注浆段巷道布置了测点，对巷道围岩变形与支护结构受力情况进行监测与分析。

5.1 巷道变形分析

在非注浆巷道和注浆巷道滞后迎头100m处各布置观测点，均观测4个月。巷道变形主要体现在底鼓，主要原因是回采巷道服务期短，底板一般是无支护状态，且巷道底板留有2～3m底煤，加大了底板变形量。在观测期内，底鼓较为突出，其次是煤柱侧帮内挤变形大于回采侧帮部的内挤变形，两帮呈现非对称变形，顶板下沉量相对较小。注浆前，底鼓量1956mm，煤柱侧帮位移694mm，回采侧帮部位移428mm，顶板下沉量190mm。注浆后，底鼓量1199mm，煤柱侧帮位移505mm，回采侧帮部位移365mm，顶板下沉量122mm。注浆效果明显，巷道表面位移明显减小，底鼓量减少39%，煤柱侧位移减少27%。

5.2 支护构件受力分析

在注浆前由于煤体破碎，锚杆与锚索锚固基础薄弱，难以达到较高的预紧力与承载能力。在观测期内，注浆前，煤柱侧锚杆受力均不超过100kN，其中煤柱肩窝锚杆受力仅20kN，煤柱侧拱顶锚索受力158kN，回采侧拱顶锚索受力302kN。注浆后，锚杆受力都超过130kN，煤柱侧帮锚杆受力156kN，顶板锚杆206kN，回采侧锚杆135kN；煤柱侧锚索受力明显提高，达229kN，提高了45%，回采侧拱顶锚索受力也有所提高，达到335kN，起到了较好的注浆加固效果。如图5所示。