大埋深破碎围岩巷道变形控制技术

王瑞峰

(山西焦煤水峪煤业,山西 孝义 032302)

随着矿井采掘深度不断增加,煤炭开采受地应力、构造、破碎顶板、瓦斯等各类不利因素的影响更趋明显,给井下巷道掘进以及煤炭开采均带来一定制约[1-2]。当围岩破碎时,巷道掘进及后续使用期间往往面临围岩支护难度大、变形严重等问题,给行人、通风及运输造成影响。实现深部破碎围岩巷道变形的有效控制是确保安全高效回采的基础[3-4]。为此,众多的学者及技术人员对深部破碎围岩巷道变形控制技术展开研究。樊宝柱[5]针对万安矿1102回风巷掘进过F3断层、X2陷落柱高应力区期间面临的顶板破碎、离层以及巷帮变形严重等问题,结合现场条件提出顶板采用“深孔注浆+桁架锚索+梯形钢棚”组合支护方式,陷落柱影响帮采用“T型钢棚+混凝土墙体”支护方式,现场应用后,顶板离层、变形量大以及巷帮收敛严重等问题得以较好解决,顶板、巷帮最大位移量分别控制在150 mm,320 mm以内;于洋等[6]对红岭矿15141回采巷道在破碎围岩条件下的巷道围岩应力演化及变形特征进行分析,并提出通过高预紧力非对称耦合支护+围岩注浆方式控制巷道围岩变形,实现了破碎围岩变形的有效控制,巷道可满足采面回采需求;李中伟[7]针对李雅庄矿回采巷道在地应力、断层构造等多因素影响下出现的巷帮收敛量大、顶板下沉明显等问题,在分析围岩力学参数的基础上,提出通过采用大直径高强度锚杆、锚索支护围岩,并在巷帮增设补强锚索,提升麻杆、锚索自身强度及预紧力,采用金属网、钢筋网提升护表强度,有效应对巷道围岩变形。文章在借鉴以往研究成果的基础上,针对山西某矿120801回采巷道围岩破碎问题,结合现场情况,针对性地提出巷道围岩控制技术方案,实现了围岩变形的有效控制。

1 工程概况

120801工作面开采的12号煤层埋深均值为650 m,煤厚均值为1.4 m,煤质为开采经济效益极佳的焦煤,煤层倾角5°～8°,采面设计走向、倾向长度分别为905 m,120 m.120801工作面上覆已经回采完毕的11号煤层110801工作面采空区,具体采面位置关系见图1.

图1 采面位置图

120801运输巷沿着回采的12号煤层底板掘进,巷道设计为矩形断面,净宽×净高=4 600 mm×2 300 mm,掘进区域内煤层顶底板岩性以泥岩、砂质泥岩、细砂岩为主,煤层顶、底板岩性见图2.

图2 12号煤顶底板岩性

根据临近采掘作业面回采及掘进揭露资料、已有物探及钻探资料显示,在120801运输巷掘进范围内发育有多条落差在1.0～3.6 m的断层,在断层影响范围内煤岩体裂隙发育,给巷道掘进造成一定影响。120801运输巷采用EBZ-160掘进机+SGB-420刮板输送机+SDJ-800型胶带输送机实现煤岩截割、运输等,采用2台型号BDNO.7.1-2×45 kW型风机供风,供风量为580～850 m3/min.由于120801运输巷掘进区域煤层埋深较大且受上覆11号煤层回采影响,巷道围岩破碎,导致120801运输巷围岩支护难度较高,需结合现场情况针对性地制定巷道围岩控制技术方案。

2 破碎围岩巷道变形控制技术

120801运输巷上覆11号煤层采空区,在11号煤层采动影响下,120801运输巷围岩破碎,给巷道围岩变形控制工作造成影响,具体表现为:

1) 巷道掘进期间顶板泥岩、砂质泥岩以及细砂岩层较为破碎、强度及承载能力较差,容易诱发冒顶、大变形等问题;

2) 由于顶板岩体破碎、围岩松动破坏范围大,导致支护用的锚杆锚固端不牢靠,影响锚杆围岩支护效果。

结合120801运输巷现场实际条件以及以往类似条件巷道围岩支护经验,提出采用中空注浆锚杆+高强柔性金属网+工字钢架棚支护方式控制围岩,具体巷道支护断面见图3.

图3 围岩支护示意(单位:mm)

120801运输巷顶板采用规格为Φ28 mm×2 600 mm的涨壳式中空注浆锚杆,具体结构见图4.锚杆壁厚5.5 mm.顶板锚杆间、排距为1 000 mm×1 000 mm.向顶板中空锚杆内注入水灰质量比为0.38～0.45的水泥浆,注浆压力控制在2～4 MPa,通过注浆提升巷道顶板整体稳定性及强度,避免出现失稳或者冒落等问题,进一步发挥锚杆对顶板破碎岩体的支护效果,控制顶板变形量。顶锚杆注浆完成后,通过止浆塞即可封堵锚杆尾部,避免注浆浆液外溢。巷帮采用规格为Φ20 mm×2 500 mm的树脂锚杆配合金属网支护,间、排距为1 000 mm×1 000 mm.顶板及巷帮锚杆端头均采用2节规格为Φ23 mm×350 mm的MSK2335型锚固剂锚固。在滞后采面10～15 m位置架设由11号工字钢制作的梯形棚,棚腿长度为2 200 mm,横梁长度为4 200 mm,棚间距为1 000 mm.在梯形棚与巷道壁间充填木料,确保架棚给巷道表面围岩足够的支护作用力。

图4 顶板锚杆结构图

在巷道顶板及巷帮使用TECCO高强度柔性金属网见图5.网格为菱形结构,尺寸为140 mm×80 mm,金属丝直径为3 mm,最大抗拉强度可达到1 770 MPa,具备韧性和柔性好、强度大等优点,在巷道围岩支护时可紧贴巷道壁,提升巷道围岩整体稳定性。

图5 高强度柔性金属网

3 围岩变形控制效果

在120801运输巷支护完成后,布置测点监测巷道围岩变形情况,巷道围岩变形监测结果见图6.从监测结果看出,运输巷顶底板、巷帮移近量随着支护时间的增加而增大。支护完成20 d后,围岩变形量基本趋于稳定,其中运输巷顶、底板最大移近量为66 mm,两帮最大移进量为58 mm.支护用的工字钢架棚、锚杆等均正常,未出现架棚弯曲或者变形等情况,锚杆无失效情况;工字钢架棚与巷道围岩接触密实,可为围岩提供较大的支护作用力。120801运输巷现场应用表明,巷道围岩支护采用的中空注浆锚杆+高强柔性金属网+工字钢架棚支护方式可有效控制深部破碎围岩变形,巷道支护成本较低,围岩控制效果较好。

图6 围岩变形监测曲线

4 结 语

120801运输巷沿着12号煤层顶板掘进,煤层埋深均值为650 m,巷道埋深较大,同时受到上覆11号煤层采动影响,巷道围岩破碎,巷道掘进及后续使用期间存在冒顶、围岩变形严重以及支护困难等问题。120801运输巷围岩控制的关键是确保巷道顶板稳定,为此结合120801运输巷现场条件,在巷道顶板采用涨壳式中空注浆锚杆+注浆+高强柔性金属网+工字钢架棚组合方式支护顶板,在巷帮用树脂锚杆配合金属网支护。通过对破碎顶板进行注浆可提升顶板岩体整体稳定性及承载能力,并增强锚杆与顶板岩体耦合效果;高强柔性金属网及工字钢架可为运输巷表面围岩提供较强的作用力,减少围岩变形量。现场应用后, 120801运输巷顶底板最大移近量为66 mm,两帮最大移进量为58 mm,巷道围岩保持了稳定状态,围岩变形控制技术取得了较好的应用效果。