和正華

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 東曲煤礦, 山西 太原 030200)

巷道作為煤礦運(yùn)輸和人員的必經(jīng)通道,其穩(wěn)定性是安全生產(chǎn)的重要保障。隨著煤炭開(kāi)采逐漸向深部發(fā)展,開(kāi)采環(huán)境日趨復(fù)雜,導(dǎo)致每年新開(kāi)挖巷道中高應(yīng)力巷道占28%～30%[1]. 因此,高應(yīng)力巷道的維護(hù)與控制至關(guān)重要,但此類巷道普遍存在流變性強(qiáng)、變形量大、錨固性能差等問(wèn)題,巷道返工率高達(dá)70%以上。高應(yīng)力破碎圍巖巷道變形特征及頂板裂縫演化規(guī)律是工程巖體失穩(wěn)的關(guān)鍵問(wèn)題,與巷道支護(hù)時(shí)間密切相關(guān)[2]. 以古交礦區(qū)東曲煤礦為例,分析了傳統(tǒng)超前單體+π梁支護(hù)下的巷道及頂板變形、裂縫時(shí)空演化規(guī)律,得出29204順槽的最佳注漿時(shí)間,提出了新型超前錨注支護(hù)方案,以有效改善巷道的應(yīng)力環(huán)境,保障煤礦的安全高效生產(chǎn)。

1 地質(zhì)概況

東曲煤礦地處太原古交礦區(qū),以+860 m水平二采區(qū)9#煤工作面為研究區(qū)。9#煤層屬上石炭統(tǒng)太原組煤層,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,煤層厚度變化不大,2.34～3.14 m,平均2.67 m,屬穩(wěn)定煤層。

29204工作面為東曲礦9#煤層第二個(gè)工作面,煤層厚度2.73 m,層間距4.35 m,為近距離煤層。29204工作面布置于28204工作面正下方,29204皮帶順槽與28204軌道順槽內(nèi)錯(cuò)20 m,29204軌道順槽與28204皮帶順槽內(nèi)錯(cuò)40 m. 29204工作面軌道順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1150 m,支護(hù)方式為傳統(tǒng)超前單體+π梁支護(hù),巷道頂板為砂質(zhì)泥巖。29204工作面和28204工作面布置圖見(jiàn)圖1.

圖1 29204工作面和28204工作面布置

2 高應(yīng)力破碎圍巖巷道變形特征及頂板裂縫演化規(guī)律

2.1 巷道變形特征

高應(yīng)力圍巖巷道變形隨時(shí)間的變化關(guān)系分為穩(wěn)定變形和非穩(wěn)定變形兩種情況,這兩種情況均具有明顯的階段性。高應(yīng)力圍巖巷道變形特征圖見(jiàn)圖2.

圖2 高應(yīng)力圍巖巷道變形特征

Li等將頂板穩(wěn)定變形分為劇烈變形、逐漸加速、減速和停滯4個(gè)階段,每個(gè)階段頂板表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)特征[3]. 29204順槽圍巖變形特征與其劃分的階段基本一致。巷道掘進(jìn)初期,圍巖處于彈塑性強(qiáng)化階段,此時(shí)頂板完好無(wú)損,圍巖具有良好的承載能力。然而,隨著掘進(jìn)的進(jìn)行,圍巖不再急劇變形,而是逐漸變形。在這一階段,頂板淺層圍巖破壞,在掘進(jìn)工作面處應(yīng)力影響區(qū)圍巖發(fā)生剝落,此時(shí)巷道趨于穩(wěn)定變形,如圖2(a). 表現(xiàn)為巷道在掘進(jìn)擾動(dòng)作用下由發(fā)育向穩(wěn)定轉(zhuǎn)變的過(guò)程。也就是說(shuō),礦山原有的支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑹軗p圍巖穩(wěn)定在一個(gè)臨界區(qū)間內(nèi)[4].

非穩(wěn)定變形包括劇烈變形、逐漸加速、減速和失穩(wěn)4個(gè)階段,前3個(gè)階段與穩(wěn)定變形階段一致,而第4個(gè)階段作為主要區(qū)別,涉及以下兩種情況[5]. 首先,圍巖極不穩(wěn)定,常規(guī)支護(hù)無(wú)法抑制其變形,變形日益嚴(yán)重,表現(xiàn)出漸進(jìn)擴(kuò)展和時(shí)間效應(yīng)的特點(diǎn),即變形首先加速,然后以較低的速度逐漸增大,最后再次加速,最終引起頂板冒落失穩(wěn),見(jiàn)圖2(b). 其次,圍巖變形隨時(shí)間衰減但仍在小范圍內(nèi)持續(xù),見(jiàn)圖2(c). 隨著巖體逐漸向深部破壞,巷道變形呈階梯狀,變形越來(lái)越嚴(yán)重,主要是由于原支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理造成的。

圍巖的階段變形特征可為準(zhǔn)確確定注漿時(shí)間提供可靠依據(jù)。掘進(jìn)初期,圍巖應(yīng)力高度集中,巷道表面變形處于劇烈變化階段,圍巖中新裂縫較少,圍巖可注性較差,難以實(shí)施注漿加固。隨著圍巖應(yīng)力調(diào)整趨于穩(wěn)定,巷道變形由緩慢增加階段進(jìn)入減速階段,巖體裂隙不斷增加,裂隙開(kāi)度變大,圍巖可注性增加,并隨著裂隙孔徑的增加達(dá)到峰值。圍巖變形進(jìn)入第四階段后,裂縫的累計(jì)數(shù)量增加,但由于圍巖的膨脹擠壓,裂縫孔徑變小,圍巖的可注性變差。而且?guī)r體破碎嚴(yán)重后注漿時(shí)間過(guò)晚,殘余強(qiáng)度過(guò)低,不利于注漿加固后圍巖強(qiáng)度的提高,因此認(rèn)為最佳注漿時(shí)間應(yīng)在圍巖變形第三階段。

2.2 頂板裂縫演化規(guī)律

1) 內(nèi)部裂縫演化規(guī)律。

通過(guò)在不同位置同一時(shí)間點(diǎn)、不同時(shí)間點(diǎn)同一位置的數(shù)字化探測(cè),研究了29204工作面頂板裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律。結(jié)果表明,裂縫演化具有顯著的時(shí)空特征,可作為定量確定最佳注漿時(shí)間的關(guān)鍵指標(biāo)。

沿巷道軸向在距29204工作面0～270 m進(jìn)行鉆孔觀測(cè),見(jiàn)圖3. 研究發(fā)現(xiàn),在不同位置同一時(shí)間點(diǎn),隨著距掘進(jìn)工作面距離的增加,裂縫最大深度、裂縫數(shù)量等參數(shù)隨掘進(jìn)時(shí)間的增加而逐漸增大,頂板裂縫深度由小于2 m到大于6 m,期間圍巖破壞越來(lái)越嚴(yán)重。正常支護(hù)區(qū)頂板主要為水平裂縫,π梁支護(hù)和注漿區(qū)發(fā)育非水平裂縫,占圍巖內(nèi)全部裂縫的50%以上。分析認(rèn)為,圍巖表面變形主要是由于水平裂縫在垂直方向上的擴(kuò)展,而非水平裂縫主要是在支護(hù)后期產(chǎn)生的拉張和剪切裂縫,說(shuō)明初始支護(hù)的關(guān)鍵在于抑制水平裂縫的數(shù)量。

圖3 沿巷道軸線的頂板裂縫空間特征

在不同時(shí)間點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)斷裂帶同一位置頂板裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)育演化特征,在距原鉆孔1 m范圍內(nèi)鉆設(shè)一個(gè)新孔,并在孔坍塌后對(duì)29204順槽進(jìn)行了兩次擴(kuò)展,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4. 掘進(jìn)當(dāng)天頂板未出現(xiàn)初始裂縫,但3天后,頂板裂縫迅速擴(kuò)展,其中小于2.5 m處裂縫發(fā)育,0.5 m和1.5 m處裂縫較大。5天后,0.5 m處碎塊因膨脹發(fā)生破碎變形,導(dǎo)致孔洞坍塌。7天后,頂板裂縫深度達(dá)到6.6 m,破碎帶進(jìn)一步擴(kuò)大。30天后,淺層巖體大部分裂縫演化為離層和裂縫,深部地層中發(fā)育大量新裂縫。同時(shí),由于3.0 m巖層的整體移動(dòng),大量松散巖塊從孔壁上的巖石掉落,堵塞鉆孔。40天后發(fā)現(xiàn),隨著淺層巖體進(jìn)一步斷裂,鉆進(jìn)過(guò)程中圍巖逐漸垮塌。此時(shí),裂縫深度達(dá)7.65 m,并有向深部地層擴(kuò)展的趨勢(shì)。

圖4 沿巷道徑向的頂板裂縫的時(shí)空特征

2) 圍巖表面變形規(guī)律。

掘進(jìn)當(dāng)天巷道表面光滑,圍巖完整,見(jiàn)圖5(a). 15天后,圍巖左側(cè)變形超過(guò)500 mm,局部開(kāi)裂,導(dǎo)致左側(cè)拱頂明顯下沉,頂板表面巖石損壞嚴(yán)重,泥漿涂層開(kāi)裂甚至脫落。25天后,巷道礦壓顯現(xiàn),沖擊地壓頻繁發(fā)生,支護(hù)系統(tǒng)幾乎達(dá)到極限載荷,導(dǎo)致多處錨桿和錨索斷裂,右側(cè)拱頂塌陷,見(jiàn)圖5(b). 在掘進(jìn)的第35天,兩個(gè)拱形頂板急劇收縮成三角形,巷道左側(cè)發(fā)生蠕變,右側(cè)繼續(xù)變形,頂板下沉量大于500 mm,表明錨桿、錨索錨固力下降。同時(shí),錨固系統(tǒng)突破極限,進(jìn)入衰減階段,圍巖不斷變形,見(jiàn)圖5(c)、(d). 245天后,由于破碎圍巖的長(zhǎng)期蠕變效應(yīng),巷道整體收縮明顯,已不能滿足使用要求,需要對(duì)整個(gè)巷道進(jìn)行修復(fù),見(jiàn)圖5(e)、(f).

圖5 圍巖表面變形規(guī)律

3 錨注支護(hù)方案及應(yīng)用效果

3.1 錨注支護(hù)方案

選取29204工作面軌道順槽570～1150 m段和皮帶順槽1030～1150 m段開(kāi)展錨注支護(hù)工作,支護(hù)材料根據(jù)層間距不同,分別選取3.3 m和4.3 m的SKZ22-1/1860中空注漿錨索,間排距為1.6 m×1 m,每排打設(shè)兩根;注漿材料選取ZHM-Ⅲ固安豐注漿加固材料,水灰體積比0.28～0.3,根據(jù)工作面推進(jìn)速度、注漿施工工藝以及注漿料凝固時(shí)間,選擇注漿加固距離為超前工作面20 m. 巷道錨注支護(hù)示意圖見(jiàn)圖6.

圖6 巷道錨注支護(hù)示意

項(xiàng)目分試驗(yàn)階段、正常推進(jìn)階段,29204工作面軌道順槽570～670 m為項(xiàng)目試驗(yàn)階段,在570～600 m、600～630 m、630～670 m通過(guò)調(diào)整支護(hù)方案進(jìn)行錨注超前支護(hù)試驗(yàn),檢驗(yàn)不同情況下的錨注支護(hù)強(qiáng)度和實(shí)際效果。軌道順槽670～1150 m和皮帶順槽1030～1150 m為項(xiàng)目正常推進(jìn)階段,在前期試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,調(diào)整錨注支護(hù)方案,采取改進(jìn)措施,提高錨注支護(hù)質(zhì)量。工作面進(jìn)入錨注超前支護(hù)段后,做好注漿記錄和頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),密切觀測(cè)工作面隅角的頂板垮落情況。

3.2 支護(hù)效果分析

1) 試驗(yàn)段支護(hù)效果。

超前支護(hù)進(jìn)入軌道順槽570～600 m試驗(yàn)段后,注漿方案為錨索全部正常注漿,超前支護(hù)由原一梁三柱改為一梁兩柱。與傳統(tǒng)單體超前支護(hù)方式對(duì)比,巷道頂板未出現(xiàn)破碎情況,頂板最大下沉量由250 mm減少到35 mm,減少86%,見(jiàn)表1.

表1 570～670 m試驗(yàn)段支護(hù)效果

超前支護(hù)進(jìn)入600～630 m試驗(yàn)段后,錨索注漿方式為間隔注漿,每排錨索只選擇一根進(jìn)行注漿,超前支護(hù)為一根帶帽點(diǎn)柱,排距2 m. 與傳統(tǒng)單體超前支護(hù)方式對(duì)比,巷道頂板未出現(xiàn)破碎情況,頂板最大下沉量由250 mm減少到15 mm,減少94%.

超前支護(hù)進(jìn)入630～670 m試驗(yàn)段后,錨索注漿方式為隔排注漿,每隔一排錨索對(duì)下一排錨索進(jìn)行注漿,超前支護(hù)為一根帶帽點(diǎn)柱,排距4 m. 與傳統(tǒng)單體超前支護(hù)方式對(duì)比,巷道頂板未出現(xiàn)破碎情況,頂板最大下沉量由250 mm減少到10 mm,減少96%.

2) 正常推進(jìn)階段支護(hù)效果。

軌道順槽670～1150 m段和皮帶順槽1030～1150 m段,取消傳統(tǒng)超前單體+π梁支護(hù)方式,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取不同的錨注支護(hù)方案。正常情況下,采取隔排注漿方式;異常情況下,如超前段頂板破碎、工作面過(guò)構(gòu)造、推進(jìn)慢時(shí),錨索全部注漿。全段頂板無(wú)明顯變形,支護(hù)效果良好,減少單體投入60根、π梁30根,單班減少3個(gè)工,有效提高了回采效率,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

工作面采用錨注支護(hù)以來(lái),單根錨索最大注漿量為15 kg,平均注漿量為9.7 kg,所有注漿錨索最終注漿壓力均達(dá)到4 MPa;工作面采空區(qū)垮落距離最大為7 m,平均垮落距離為3.6 m;超前5 m范圍內(nèi)最大頂板下沉量為100 mm,錨索最大應(yīng)力為356 kN.

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 將高應(yīng)力圍巖巷道變形隨時(shí)間的變化關(guān)系分為穩(wěn)定變形和非穩(wěn)定變形兩種情況,其中頂板穩(wěn)定變形分為劇烈變形、逐漸加速、減速和停滯4個(gè)階段,非穩(wěn)定變形包括劇烈變形、逐漸加速、減速和失穩(wěn)4個(gè)階段,根據(jù)圍巖的階段變形特征確定了最佳注漿時(shí)間應(yīng)在圍巖變形第4階段之前。

2) 圍巖表面變形主要是由于水平裂縫在垂直方向上的擴(kuò)展,而非水平裂縫主要是在支護(hù)后期產(chǎn)生的拉張和剪切裂縫;傳統(tǒng)超前單體+π梁支護(hù)下的巷道及頂板變形明顯,難以滿足使用要求,需要對(duì)整個(gè)巷道進(jìn)行修復(fù)。

3) 提出并實(shí)施了新型錨注支護(hù)方案,570～600 m試驗(yàn)段頂板最大下沉量減少到35 mm,減少86%;600～630 m試驗(yàn)段下沉量減少到15 mm,減少94%;630～670 m試驗(yàn)段下沉量減少到10 mm,減少96%. 軌道順槽670～1150 m和皮帶順槽1030～1150 m正常推進(jìn)階段單根錨索平均注漿量為9.7 kg;工作面采空區(qū)平均垮落距離為3.6 m;超前5 m范圍內(nèi)最大頂板下沉量為100 mm,錨索最大應(yīng)力為356 kN.