大阳煤矿西翼行人大巷破碎围岩加固技术研究

2021-08-31杜斌斌

煤炭与化工 2021年7期

杜斌斌

（山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿，山西晋城 048003）

0 引言

随着我国经济技术的快速发展以及对能源需求的不断增长，我国煤炭的开采程度不断加深，导致深部巷道围岩变形问题引起的灾害事故愈加严重。为了保证矿井的安全生产，提高社会效益、经济效益，减小巷道的围岩应力，增加巷道围岩的稳定性，选择合理的支护方式，应加强煤岩体的结构观察。通过分析顶板的各种层理、节理、裂隙发育情况，判断其顶板的完整性和稳定性，并在地下开采活动中使用锚杆锚索协调支护技术，以加强巷道围岩稳定控制。目前我国巷道围岩控制技术主要有5类。分别为表面支护、锚固、改性、卸压及联合控制技术。

谢俊在针对五阳煤矿7607 回风巷破碎围岩巷道支护技术研究中，运用FLAC3D 模拟软件进行支护参数的模拟，提出锚网索联合支护的方案；李树刚等针对余吾煤业南二采区S2206 工作面进风巷处于大规模松软破碎围岩中，运用UDEC 数值计算软件，揭示了破碎围岩动压巷道的变形破坏机制，提出了相应的控制对策，并结合现场实际，提出了基于锚索与注浆的支护加固方案；孟庆彬等针对大断面软弱破碎围岩煤巷变形破坏特征与支护难点，提出了全断面锚网索喷初次支护、高预应力锚索与锚注二次加固组成的“三锚”联合支护技术方案；尚晨针对晋煤集团长平公司1603 综放工作面回风巷过断层破碎带期间围岩变形较大的问题，采用理论分析和现场实测的研究方法，对断层破碎带影响范围内巷道支护方案进行研究，提出了超前注浆加固断层破碎带后，采用“锚杆+锚索+金属网+U 型钢架+喷混凝土”的主被动联合支护方案。本文针对西翼行人大巷受邻近巷道掘进、工作面回采采动压力的影响所造成的巷道围岩变形，提出了合理的围岩控制措施并进行了工业性试验。

1 概况

大阳煤矿3 号煤层位于山西组下部，上距K8砂岩平均43.83 m 左右，下距9 号煤层平均62.50 m 左右。煤层厚度4.63～7.15 m，平均厚6.26 m，煤层结构简单~较简单，一般含0~2 层夹矸，位于山西组下部，下有K7 砂岩，此煤层在井田范围内厚度较大，层位稳定，为本井田稳定可采煤层。直接顶岩性主要为泥岩、细粒砂岩，老顶岩性为浅灰色中厚层粉砂岩、中粒砂岩；底板岩性为黑灰色泥岩、粉砂岩，局部为细砂岩。

全井田3 号煤层划分为1 个水平，+750 m 水平；3 个采区，北一、北二、南采区。矿井提升方式为胶带式输送机和串车，通风方式为中央分列式。主要运输大巷采用胶带运输机运输，辅助运输采用8 t、10 t 架线式和蓄电池电机车牵引1 t 和1.5 t 矿车串车运输，采煤方法为走向长壁与倾斜长壁相结合开采，采煤工艺全部采用综合机械化低位放顶煤采煤，全部垮落法管理顶板，回采工作面初次来压步距15 m，老顶周期来压步距25 m。

3 号煤层直接顶主要为泥岩、细粒砂岩，裂隙不太发育，厚度1.90 ～6.88 m，其抗压强度为24.37～62.07 MPa，抗拉强度为2.58～11.10 MPa，抗剪强度为4.36～9.78 MPa，属软质- 坚硬岩石。老顶为浅灰色中厚层粉砂岩、中粒砂岩，钙质胶结，分选性良好，含有包裹体，斜层理明显，裂隙不太发育，厚度平均4.46 m 左右，属坚硬岩石。底板为黑灰色泥岩、粉砂岩，局部为细砂岩，厚度平均3.50 m 左右，其抗压强度为27.00 ～80.50 MPa，抗拉强度为5.10～13.10 MPa，属软质- 坚硬岩石。

西翼行人大巷位于矿井一、二采区之间，北边为西翼胶带大巷，南部为3105 工作面，西部为四采区回风大巷，东部为保安煤柱，保安煤柱东边大部分为以前的矿井采空区。西翼行人大巷沿煤层底板掘进，巷道设计断面为梯形，中宽4.2 m，中高3 m，采用11 号工字钢棚支护。

通过分析矿井地质资料及采掘平面图，并结合大阳煤矿技术人员反映及现场考察可知，矿井西翼行人大巷处于向斜轴附近，地应力复杂，且陷落柱较多，属于复杂构造地质条件。在大巷附近有回采工作面经过，大巷反复受动压影响，原有工字钢棚支护已不能控制巷道围岩的变形，出现两帮位移量大、工字钢棚架破坏、底鼓变形持续增大等问题。由于西翼行人大巷受邻近巷道掘进、工作面回采采动压力的影响，其围岩承受相当大的集中压力影响，岩石吸水膨胀，导致局部底鼓变形量明显，而工字钢刚性支护为被动支护，如不改变支护方式，即使将巷道返修，也不能保证短期内巷道的正常安全使用，施工后很快就会再次发生破坏，因此，必须采用合适的支护方式和支护参数对大巷进行修复和加固，有效控制巷道围岩变形，确保大巷在服务期内的安全使用。

2 巷道破坏情况分析

通过对大阳煤矿在掘巷道的调研可知，已掘巷道全部采用锚网、锚索联合支护，特别是回采巷道，一般均沿煤层底板掘进，巷道顶板和两帮均为煤层，经过现场调研和与工程技术人员沟通，现对巷道所处不利条件作如下分析。

（1）围岩岩性不一致、变形不均匀，将加剧巷道围岩的变形。巷道沿煤层底板掘进，巷道实际揭露的岩层性质与该巷道附近钻孔地质柱状图均表明，煤层直接底为泥岩、细粉砂岩等，岩性松软，遇水易泥化；巷道两帮和顶板均为煤层，巷道顶板煤层厚约为3 m，巷道围岩有明显的流变特性，具有典型的软岩特征。由于巷道围岩岩性不一致，且强度相差较大，在地应力作用下，其变形破坏必定不均匀。

（2）巷道掘进扰动加剧了巷道围岩岩性的弱化。西翼行人大巷属于3 面是煤、底板是岩性较差的泥岩层组成的巷道，巷道掘进扰动会进一步加剧巷道围岩岩性的弱化，使巷道两帮煤体和顶板岩层破碎，从而增加支护难度。

（3）地质构造较多，陷落柱发育，破坏了巷道围岩的稳定性。根据三维地震勘探结果，该矿处于陷落柱发育地区，西翼行人大巷通过很多小的陷落柱和小断层，但构造本身导水性很弱，一般无渗水。因此，断层和陷落柱构造附近的岩层较为松软破碎，岩层强度较低，锚杆支护在此类破碎顶板围岩内进行，支护效果较差，巷道围岩发生变形。

（4）锚杆拧紧力矩较小，高强预应力锚杆的支护作用未发挥出来。对新掘巷道围岩及时进行锚杆锚索支护，并施加足够的预紧力，可有效控制围岩裂隙的张开，使围岩形成次生承载结构，充分发挥围岩承载能力，防止发生围岩扩容破坏，是从根本上解决高应力、大断面巷道围岩变形破坏的可靠方法。

3 大巷加固方案

根据现场生产、地质条件调查，由于煤矿西翼行人大巷受陷落柱、断层等构造及邻近工作面回采动压影响，围岩已遭到严重破坏，压力大、围岩结构破碎松软。大量工程实践表明，单一的加固方法不能有效控制此类破碎围岩的长期蠕变及进一步破坏，为保证加固效果，针对西翼行人大巷的围岩变形提出高强锚杆、锚索+喷浆联合加固方案。

加固施工顺序为：扩巷—临时支护—打树脂锚杆孔—安装树脂锚杆—打锚索孔—安装锚索—喷浆封闭围岩。

西翼行人大巷加固锚杆、锚索布置示意如图1所示。

图1 西翼行人大巷加固锚杆、锚索布置示意Fig.1 Reinforced anchor rod and anchor cable arrangement in West Wing Pedestrian roadway

3.1 扩巷

西翼行人大巷破坏段两帮围岩大都为煤体，顶板围岩大都为煤体、细粉砂岩和泥岩，由于围岩岩性不一致，当受到复杂高地应力和周围工作面回采的扰动影响后，巷道顶底板和两帮发生了严重的变形，如果不进行处理，将影响巷道的安全使用。巷道加固既要控制巷道的大变形，又要允许巷道释放部分变形，因此，为了防止巷道释放部分变形时造成巷道断面变小，影响正常使用，加固前必须对巷道进行扩宽，将巷道扩展至比原来的轮廓4 200 mm×3 000 mm 宽100 mm 后再进行加固，即扩宽后的巷道为矩形断面，巷道尺寸为4400mm×3100mm。巷道掘进采用风镐落煤，尽量不放炮。

3.2 临时支护

巷道临时支护采用前探梁托网、锚杆梯子梁临时支护空顶，巷道顶板前探梁不少于3 根。

3.3 打树脂锚杆孔

使用MQT120 锚杆钻机打孔，钻头直径为28 mm。树脂锚杆长度定为2 200 mm，钻孔深2 150 mm，顶板为5 根锚杆，间距为1 000 mm，两帮各4 根锚杆，间距均为900 mm，顶帮锚杆排距均为900 mm。

巷道遇陷落柱时，首先对锚杆做拉拔力试验，如果锚杆锚固力达到5 t 以上，则顶板锚杆增加1根，即2 锚杆间距减小200 mm，为800 mm，锚杆排距不变。如果锚杆锚固力达不到5 t，则考虑采用架工字钢棚通过陷落柱，棚距800 mm。

3.4 安装树脂锚杆

连接铁丝网：采用8 号铁丝编织，相邻铁丝网之间搭接100 mm，使用10 号铁丝铰紧。

锚固方式：高强树脂锚杆采用树脂加长锚固，顶板选用2 支低粘度锚固剂，1 支规格S2360，1支规格为Z2360，锚固长度约1 269 mm；两帮亦选用2 支低粘度锚固剂，1 支规格S2340，1 支规格为Z2340，锚固长度约846 mm。树脂锚杆的安装是采用旋转安装法，即先将2 只树脂放入到锚杆钻孔后，将带有锚杆托板的锚杆插入到锚杆钻孔内，用锚杆钻机一边推进，一边旋转，直到将锚杆推进所要求的深度，此时锚杆钻机不需要推进，只进行旋转，大约旋转20 s 后，停止钻机，2 min 后再用钻机或风动搬手将锚杆的压紧螺母拧紧为止，并使用扭力扳手检验锚杆预紧力矩，应不小于150 N·m。

3.5 打锚索孔

高强锚索钻孔使用MQT120 锚杆钻机打孔，钻头φ28 mm，孔深700 030 mm。由于西翼行人大巷与3303 工作面回风顺槽断面相差不大，故锚索布置方案参考3303 工作面回风顺槽的计算结果，锚索间距2 000 mm，排距1 800 mm，1 排2 根。

3.6 安装锚索

原则上锚索必须紧跟迎头施工，锚索必须垂直顶板布置。

高强锚索采用树脂端部锚固，3 支低粘度锚固剂，1 支规格为S2360，另2 支规格为Z2360，树脂锚固长度约1 632 mm。

钻孔打好后，轻轻将锚固剂推入钻孔，确保不使锚固剂外壳破裂。用锚索将锚固剂缓缓推入钻孔，直至推不动。将预先安装在钻机上的锚索搅拌器与锚索尾部连接，快速搅拌锚固剂，搅拌锚固剂的同时钻机推力要最大。锚固剂搅拌的时间为20～25 s，搅拌锚固剂停止时，要确保锚索托盘靠近岩面。锚固剂搅拌完毕10 min 后，安装托盘和索具，并用锚索张拉器拉紧锚索。锚索预紧力≥150 kN。

当巷道通过陷落柱时，锚索采用20 号槽钢连接成一个桁架，锚索长度可以适当加长，并向两侧倾斜，尽量将锚索锚固到稳定岩层中，锚索托盘采用100 mm×100 mm×14 mm 的平托盘，托盘中心孔径比钢绞线公称直径大2～4 mm，锚索预紧力应≥150 kN，外露长度为200～300 mm。

3.7 喷浆封闭围岩

巷道锚杆、锚索加固结束后对围岩表面进行喷浆。喷浆材料强度等级C20，525 号普通硅酸盐水泥，配比为水泥∶砂子∶石粉=1∶2∶2，水灰比0.45～0.55，速凝剂添加量为水泥用量的3%～5%，喷层厚度为100 mm，最低不能低于80 mm，喷层封闭围岩表面裸露区、围岩缝隙等。

4 工业性试验

为全面检查巷道锚杆、锚索支护的工作状态，监控巷道受到掘进影响前后的状况，掌握围岩的变形规律，以确定巷道的稳定程度，以便及时采取相应的处理措施，并且通过监测来验证设计的合理性，检验支护质量，同时为修改设计提供科学依据。

巷道表面位移观察采用“十”字布点法进行。测试断面布置的当天进行第一次测量，以后每天观测1 次，20 d 后每3 d 观测1 次，监测结果如图2所示。

从图2 可知，2 个测站的巷道围岩变形规律基本一致。在30 d 的观察期内，大巷加固方案实行初期由于受到采动影响较大，未能形成整体支护，巷道围岩变形较大，巷道顶、底板移近量和两帮移近量变化幅度大，但在稳定开采中后期时，巷道围岩应力重新分布，高强锚杆和锚索起到关键作用。测站1 顶底板相对最大移近量为198 mm，两帮移近量为100 mm，顶、底板移近量稳定在195 mm，两帮移近量稳定在100 mm；测站2 顶底板相对最大累计移近量为190 mm，两帮移近量为90 mm，顶、底板移近量稳定在185 mm，两帮移近量稳定在90 mm。由此可知，随着时间的变化，围岩变形速度逐渐减小，围岩变化趋于稳定，可见高强锚杆、锚索+喷浆联合加固方案满足西翼行人大巷的要求，围岩的整体性和稳定性得到显著提升。