1301 綜采面回風(fēng)巷過(guò)斷層破碎帶支護(hù)技術(shù)研究

李穎博

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

玉溪煤礦1301 綜采工作面回風(fēng)大巷在掘進(jìn)過(guò)程中揭露斷層破碎帶，巷道頂板下沉明顯且涌水量增加，兩幫發(fā)生大范圍的片幫現(xiàn)象。探究該巷道的破壞原因并采取行之有效的支護(hù)方法不僅可以保障該礦井的正常安全生產(chǎn)，同時(shí)對(duì)于其他類似條件下的巷道支護(hù)也具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

玉溪煤礦1301 綜采工作面回風(fēng)巷位于一盤區(qū)南部東側(cè)，開(kāi)采3#煤層，煤層厚度5.8～6.2m，平均厚度為6.1m，埋藏深度為600m。該巷道沿3#煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1267.75m。巷道斷面為矩形，凈寬4.6m，凈高3.8m，采用錨桿+錨索+W 鋼帶+金屬菱形網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。其中頂板每排打5 根左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1m×1m，直徑均為20mm，長(zhǎng)度均為2400mm；兩幫每排打4 根錨桿，錨桿間排距為0.9m×1m，錨桿的型號(hào)、尺寸同頂板一致。頂板和兩幫的錨桿所施加的預(yù)緊力均為50kN。頂板錨索的直徑為17.8mm，長(zhǎng)度為6400mm，布置方式為第一排距巷中線0.9m 處左右各布置一根，第二排在巷中布置一根，依次循環(huán)布置，排距為1m，所施加的預(yù)緊力為150kN?；仫L(fēng)巷的錨桿（索）均垂直于巖面布置。巷道斷面支護(hù)如圖1 所示。

圖1 巷道斷面支護(hù)圖

巷道掘進(jìn)至683m 處時(shí)揭露F23 斷層，在順斷層走向推進(jìn)的過(guò)程中頂板下沉明顯且水涌量增大，頂板鋼帶彎曲，如圖2 所示。多處錨桿失效，兩幫片幫時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約礦井的正常生產(chǎn)作業(yè)。

圖2 頂板鋼帶彎曲變形圖

2 巷道圍巖原位實(shí)測(cè)

2.1 巷道頂?shù)装鍑鷰r力學(xué)參數(shù)測(cè)試

為了解巷道頂?shù)装甯鲙r層的賦存情況，在現(xiàn)場(chǎng)選取合適的位置進(jìn)行打鉆取芯，并通過(guò)電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 巷道頂?shù)装鍑鷰r力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從表中可以看出距巷道頂板6.9m 范圍內(nèi)分別為砂質(zhì)泥巖和泥巖，其中砂質(zhì)泥巖的厚度為3.2m，泥巖的厚度為3.7m。這兩層巖層的強(qiáng)度比起同類巖層的強(qiáng)度低許多且裂隙較為發(fā)育。砂質(zhì)泥巖之上則覆蓋著一層5.4m 厚的細(xì)粒砂巖，該巖層具有較高的強(qiáng)度。3#煤層之下則為6.4m 的泥巖。該段巷道內(nèi)的煤層以亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層中含2～3 層泥質(zhì)夾矸，厚度為0.20～1.00m 左右，導(dǎo)致煤體強(qiáng)度整體偏低。

2.2 地應(yīng)力測(cè)試

為了進(jìn)一步了解巷道地應(yīng)力的分布情況，在巷道選取合適的位置對(duì)其展開(kāi)測(cè)試。采用空芯包體應(yīng)力解除法，設(shè)置兩個(gè)地應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果顯示，1#測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力為26.9MPa,傾角為4.02°，方位角為98.26°；中間主應(yīng)力為19.8MPa，傾角為81.33°，方位角為35.7°；最小主應(yīng)力為17.2 MPa，傾角為3.09°，方位角為174°。2#測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果與1#測(cè)點(diǎn)相近。由此可知，該段巷道的最大、最小主應(yīng)力均為水平應(yīng)力，垂直應(yīng)力為中間主應(yīng)力，巷道整體受水平構(gòu)造應(yīng)力明顯。

2.3 頂板巖石礦物成分分析

將巷道頂板所取的巖芯送至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行X 射線衍射試驗(yàn)，通過(guò)X 射線衍射結(jié)果可以看出巷道頂板的泥巖中含有較多的石英、高嶺石、蒙脫石和伊利石。其中高嶺石在礦物成分中所占的比例最大，達(dá)到了19.8%，其次為伊利石，含量達(dá)到了10.2%。這兩種礦物成分具有較強(qiáng)的吸水性且遇水后易發(fā)生膨脹、崩解、軟化，進(jìn)而導(dǎo)致泥巖強(qiáng)度出現(xiàn)進(jìn)一步的弱化。

2.4 頂板含水層探測(cè)

通過(guò)采用探測(cè)雷達(dá)和鉆孔相結(jié)合的方式對(duì)頂板涌水量增大的原因進(jìn)行了探測(cè)。探測(cè)結(jié)果表明，距巷道頂板9～13m 之間存在著砂巖裂隙含水層，該含水層的厚度約為4m，富水性較弱，不會(huì)對(duì)巷道產(chǎn)生較大影響。在巷道掘進(jìn)的過(guò)程中頂板圍巖裂隙不斷向深部發(fā)育，最終與含水層相導(dǎo)通，這是造成頂板涌水量增大的主要原因。

2.5 巷道頂板圍巖窺視

為了進(jìn)一步了解巷道頂板圍巖的破壞情況，在巷道頂板選取合適的位置布置窺視孔。其中窺視孔的累計(jì)深度為10.5m，采用TYGD10 巖層鉆孔探測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行窺視。圖3 為巷道頂板的窺視結(jié)果。

圖3 頂板圍巖窺視結(jié)果圖

從圖中可以看出，窺視孔1.3m 處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的塌孔現(xiàn)象，2.2m 和5.4m 處裂隙較為發(fā)育且張開(kāi)度較大，6.7m 處孔壁較為粗糙。

3 巷道圍巖變形破壞原因

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)測(cè)以及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果，將布置于F23 斷層中的巷道破壞較為嚴(yán)重的原因歸結(jié)為如下四點(diǎn)：

（1）巷道頂板6.9m 范圍內(nèi)為泥巖和砂質(zhì)泥巖，圍巖強(qiáng)度較低且裂隙較為發(fā)育，錨索的長(zhǎng)度為6.4m，錨固基礎(chǔ)較差，巷道兩幫的煤體以亮煤為主且含有0.20～1.00m 左右的泥質(zhì)夾矸，進(jìn)而造成煤體整體強(qiáng)度偏低，兩幫易松散片幫。

（2）巷道為大斷面巷道，受水平構(gòu)造應(yīng)力明顯，頂板巖層層間剪切作用較強(qiáng)，而所用的錨桿直徑較小，抗剪能力較弱，易發(fā)生剪切損壞，巷道整體的支護(hù)強(qiáng)度明顯不足。

（3）在掘進(jìn)擾動(dòng)和回采擾動(dòng)的影響下，頂板圍巖裂隙增多，最終與上覆砂巖裂隙含水層相導(dǎo)通，張開(kāi)度較大的縱向裂隙成為了導(dǎo)水通道，進(jìn)而導(dǎo)致頂板淋水現(xiàn)象加重，錨桿（索）長(zhǎng)期遭受侵蝕，對(duì)頂板的支護(hù)能力出現(xiàn)了一定程度的下降。

（4）頂板泥巖中親水性礦物成分含量較多、水涌量增大的情況下較淺部圍巖易吸水軟化，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)難度增加。

4 支護(hù)方案優(yōu)化

通過(guò)對(duì)巷道變形破壞的原因進(jìn)行綜合分析后，現(xiàn)對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

（1）巷道頂板7m 深處為細(xì)粒砂巖，該巖層強(qiáng)度較高，圍巖完整性較好，可以作為錨索的錨固基礎(chǔ)。故將錨索的長(zhǎng)度由原來(lái)的6.4m 增加至7.5m，布置方式則改為三二五花布置。即第一排錨索的布置方式不變，第二排錨索則由原來(lái)的一根增加至三根，布置方式為巷中布置一根，距巷中線左右1.8m處分別布置一根，依次循環(huán)。錨索的排距則統(tǒng)一縮短至0.9m，預(yù)緊力由原來(lái)的150kN 提高至200kN。

（2）為了提高巷道頂板較淺部圍巖的強(qiáng)度以及錨桿的抗剪能力，同時(shí)提高注漿效果、降低涌水量，將頂板錨桿改為注漿錨桿，直徑增加至22mm，長(zhǎng)度增長(zhǎng)至3m，錨桿間距不變，排距縮短至0.9m，施加的預(yù)緊力由原來(lái)的50kN 提高至80kN。注漿材料選用固瑞特201 化學(xué)加固材料，注漿壓力設(shè)定為8MPa。

（3）兩幫錨桿的直徑增加至22mm，長(zhǎng)度加長(zhǎng)至3m，間排距調(diào)整為0.9m×0.9m。

（4）注漿完畢后隨即對(duì)巷道圍巖表面噴射混凝土，防止圍巖氧化風(fēng)化。

為了防止深部的裂隙水排泄不出來(lái)而導(dǎo)致水壓升高，進(jìn)而對(duì)周邊巖體造成破壞，支護(hù)前先在距巷道頂板中線左右兩側(cè)1.5m 處垂直于巖面分別布置一根導(dǎo)水管。導(dǎo)水管的長(zhǎng)度為10m，直徑為34mm，對(duì)深部的水進(jìn)行引流。圖4 為優(yōu)化后的巷道斷面支護(hù)示意圖。

圖4 優(yōu)化后的巷道斷面支護(hù)示意圖

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

巷道采用新的支護(hù)方案后對(duì)其變形展開(kāi)了為期30d 的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 巷道圍巖變形隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化曲線

從圖中可以看出，在原方案的支護(hù)下，巷道圍巖的變形量較大，其中頂?shù)装宓囊平窟_(dá)到了310mm，左右兩幫的收斂量達(dá)到了251mm；采用優(yōu)化方案支護(hù)后，巷道圍巖變形量得到了較好的控制，頂?shù)装宓囊平繛?7mm，左右兩幫的收斂量為84mm，比原支護(hù)方案分別減少了84.8%和66.5%，巷道圍巖較為穩(wěn)定。

6 結(jié)論

（1）1301 綜采工作面回風(fēng)巷在掘進(jìn)過(guò)程中揭露F23 斷層，該段巷道受水平構(gòu)造應(yīng)力明顯，圍巖強(qiáng)度較低，頂板較為破碎且易吸水軟化，加之支護(hù)強(qiáng)度不足，在這些因素的共同作用下巷道破壞嚴(yán)重。

（2）根據(jù)巷道變形破壞的原因，針對(duì)性地提出了加大支護(hù)強(qiáng)度+注漿+噴射混凝土的聯(lián)合支護(hù)方式。

（3）工程應(yīng)用表明，在優(yōu)化方案的支護(hù)下巷道頂?shù)装宓囊平?、左右兩幫的收斂量與原支護(hù)方案相比分別減少了84.8%和66.5%，表明優(yōu)化方案對(duì)巷道的支護(hù)效果較好，滿足安全生產(chǎn)要求。