辛置礦10-430B采面區(qū)段平巷破碎段控制與治理實(shí)踐

申亞峰

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州031412）

1 10-430B1采面工程地質(zhì)條件

新置煤礦10-430B采面布置于二水平東四采區(qū)，成型采面位于左翼皮帶巷右側(cè)，北部為10-428A工作面（已圈定），西部緊鄰東四左翼軌道巷，南部為10-428A1巷區(qū)段巷道。所回采10#煤層埋深+418～+456m，煤層傾角為2°，為近水平煤層。煤層厚度為1.95～2.78m，平均煤厚為2.62m，內(nèi)部不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在頂?shù)装鍘r性構(gòu)成中，直接頂由9#煤層和泥巖組成，呈黑色層狀分布，直接頂內(nèi)節(jié)理較發(fā)育。老頂為灰色K2石灰?guī)r，厚層狀分布，節(jié)理不發(fā)育，兩者共同組成較為穩(wěn)定的頂板。底板為砂質(zhì)泥巖和中-細(xì)砂巖，含黃鐵礦結(jié)核，遇水易軟化破壞，發(fā)生底鼓現(xiàn)象。

10-430B1平巷為430B采面配套運(yùn)輸平巷，矩形斷面設(shè)計(jì)，巷道寬×高分別為5.0m×3.5m。當(dāng)平巷開掘至430A1巷29#導(dǎo)線點(diǎn)146m處，揭露有煤層斷層構(gòu)造帶，該破碎段內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圍巖松散、破碎，導(dǎo)致頂、底板巖層頻繁出現(xiàn)兜網(wǎng)、片幫和底鼓等災(zāi)害。原有支護(hù)方案無法滿足巷道安全掘進(jìn)需求，斷面成型效果差，為施工人員、設(shè)備安全和巷道高效掘進(jìn)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?；诖耍?30B1運(yùn)輸平巷與采面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 430B1運(yùn)輸平巷位置關(guān)系

2 圍巖破碎段巷道變形原因與治理方案

2.1 430B1平巷圍巖破壞原因

1）破碎段構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響。在地質(zhì)成煤過程中，煤層與頂、底板巖石強(qiáng)度受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，導(dǎo)致內(nèi)部斷層、節(jié)理、構(gòu)造力分布狀態(tài)不盡相同。同時(shí)，一水平煤層采收作業(yè)的完結(jié)，導(dǎo)致上覆老頂發(fā)生規(guī)律性破斷，也極大改變了二水平巖（煤）層中的原巖應(yīng)力分布。在兩者共同下，10#煤層區(qū)段巷道破碎段內(nèi)原巖應(yīng)力分布呈現(xiàn)不均勻和無規(guī)律性。另一方面，在430B1運(yùn)輸平巷掘進(jìn)中，揭露有Z01～03、F01～03編號(hào)正、逆斷層，并與其它小型斷層共同組成430采面的斷層群，也為巷道圍巖控制增加了難度。

2）采動(dòng)壓力與巖性變化影響。430B1運(yùn)輸平巷所服務(wù)10#煤層埋深約450m，埋藏深度的增加，使得煤層內(nèi)水平應(yīng)力明顯高于垂直應(yīng)力。在區(qū)段平巷掘進(jìn)時(shí)，較高的水平應(yīng)力顯著提升了巷幫處載荷峰值，進(jìn)一步改變頂板、兩幫向巷道內(nèi)變形和位移值[9]。在揭露斷層破碎段內(nèi)，破碎巖石的力學(xué)強(qiáng)度明顯低于完整巖樣，內(nèi)部泥巖含量較高，屬于弱膠結(jié)軟巖。開掘后，所暴露破碎巖石風(fēng)化、遇水膨脹現(xiàn)象更為明顯。除此之外，破碎段內(nèi)破壞范圍與圍巖節(jié)理發(fā)育密切相關(guān)，主要表現(xiàn)為局部圍巖發(fā)生隨機(jī)的小范圍結(jié)構(gòu)性破壞，這也為圍巖穩(wěn)定性控制增加難度[10]。

2.2 破碎段圍巖破壞失穩(wěn)范圍與控制方案

當(dāng)430B1平巷開掘至破碎段后，松散、破碎圍巖導(dǎo)致巖石力學(xué)性能持續(xù)降低，進(jìn)而促使巷道變形量增大，僅依靠吊環(huán)式前探臨時(shí)超前支護(hù)難以保證效果。不僅嚴(yán)重降低了施工效率，也對(duì)人員安全構(gòu)成極大威脅。在超前預(yù)注漿充填破碎巖層技術(shù)中，通過注入不同組分的漿液，進(jìn)而提升破碎巖石膠結(jié)性能與自身承載力，與其它主動(dòng)支護(hù)相配合可有效控制破碎段變形[12,13]。在新置煤礦注漿材料選定與施工中，主要由無機(jī)礦粉和硅酸鹽水泥類漿料為主。因此，不同水灰比的無機(jī)礦粉注漿材料膠結(jié)強(qiáng)度表1所示。

表1 不同水灰比條件下漿料固結(jié)強(qiáng)度

當(dāng)430B1運(yùn)輸平巷過F01斷層破碎段時(shí)，平巷永久支護(hù)斷面尺寸為5m×3.5m。根據(jù)前期破碎段鉆孔探查結(jié)果以及鉆孔、注漿裝備布置，最終確定超前預(yù)注漿鉆孔長度為15m。注漿鉆孔沿開挖斷面向外輪廓方向延伸，外擴(kuò)角4°。頂板注漿孔間距為270cm，兩幫注漿孔間距為240cm，共布置7個(gè)注漿孔。選用水灰比為0.8：1的無機(jī)礦粉作為骨料，超前預(yù)注漿鉆孔施工布置圖如圖2所示。

圖2 超前注漿鉆孔布置

在超前注漿新支護(hù)方案中，結(jié)合注漿后巷道塑性區(qū)方程，提出了治理430B1運(yùn)輸平巷過破碎段的“超前預(yù)注漿+錨索網(wǎng)”新型支護(hù)方案。新支護(hù)方案內(nèi)容如下：

除預(yù)注漿改善圍巖破碎工藝，為控制頂板巖層下沉，額外布置6根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。錨桿屈服強(qiáng)度不低于500MPa，間排距為900mm×1000mm，預(yù)緊力不小于20kN，肩部錨桿外延角度為15°。頂板錨索采用1×19股高強(qiáng)鋼絞線制作，錨索間排距為2000mm×2000mm，每排布置2根，錨索預(yù)緊力不小于300kN。在巷幫支護(hù)中，兩幫處各布置4根錨桿，幫部錨桿間排距為1000mm×1000mm。與肩錨桿相同，兩幫部頂、底兩根錨桿分別向上、向下傾斜15°。幫部錨索規(guī)格與頂板錨索相同，但間排距調(diào)整為1600mm×2000mm。巷道支護(hù)斷面設(shè)計(jì)如表2、圖3所示。

表2 原支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 430B1平巷支護(hù)斷面

3 430B1運(yùn)輸平巷預(yù)注漿控制破碎圍巖效果

3.1 破碎段圍巖控制數(shù)值模型

根據(jù)所開采10#煤層地質(zhì)情況，使用FLAC3D有限元軟件，建立起破碎段圍巖塑性破壞數(shù)值模型，研究注漿注漿前后，圍巖塑性區(qū)變化。所建立模型長度×寬度=20m×15m，掘進(jìn)面尺寸如節(jié)1所示。劃分網(wǎng)格后，共使用31350個(gè)單元以及30187個(gè)節(jié)點(diǎn)。在邊界條件設(shè)置中，模型頂部為壓力邊界，施加12MPa上覆巖層壓力。四周根據(jù)10#煤層地應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，施加16.78MPa水平側(cè)向應(yīng)力。模型內(nèi)參數(shù)如表3所示。

表3 數(shù)值模型參數(shù)

3.2 注漿作用下塑性區(qū)范圍變化

圖4 430B1平巷支護(hù)斷面

430B1運(yùn)輸平巷注漿膠結(jié)作用下塑性區(qū)對(duì)比如圖4所示。在圖中，當(dāng)迎頭接近破碎段時(shí)，有無預(yù)注漿對(duì)圍巖塑性區(qū)的擴(kuò)展有明顯影響。注漿前，破碎段巖層力學(xué)性能的降低，在地應(yīng)力作用下，使得巷道頂板、底板出現(xiàn)冒頂與底鼓現(xiàn)象，并且圍巖塑性區(qū)是平巷半徑的1.5～2.5倍。在注漿治理方案中，注漿后的漿液與破碎巖石膠結(jié)為一體，減少了圍巖單元拉伸、剪切破壞單元，及時(shí)改善了圍巖力學(xué)強(qiáng)度，減小了底板底鼓與頂板下沉量。對(duì)比圖4未注漿時(shí)巷道塑性區(qū)，塑性破壞區(qū)范圍減小了40%以上，達(dá)到有效控制巷道圍巖變形的目的。

3.3 破碎帶治理效果

為監(jiān)測(cè)430B1運(yùn)輸平巷破碎段支護(hù)控制效果，依據(jù)掘進(jìn)要求，在掘進(jìn)成巷一側(cè)布置有2處測(cè)點(diǎn)，用于收集過破碎段后的圍巖變形數(shù)據(jù)。按照作業(yè)規(guī)程要求，成巷斷面頂板監(jiān)測(cè)方法有兩種，一是安裝機(jī)械式頂板離層儀和錨桿（索）壓力表，主要收集巷道頂板離層量和錨桿受力狀態(tài)。二是采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)斷面位移，采集內(nèi)容包括頂?shù)装逑鄬?duì)移近量，兩幫相對(duì)移近量。根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2處圍巖變形規(guī)律如圖5所示。

如圖5所示，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處圍巖變形趨勢(shì)中，經(jīng)“注漿+錨網(wǎng)索”加固作業(yè)后，圍巖頂?shù)装遄冃尉尸F(xiàn)前期變形劇烈，后期逐漸趨緩的趨勢(shì)。在圖5a中，注漿前頂板最大變形400mm，遠(yuǎn)超出錨桿拉伸極限。顯然，原有支護(hù)方案無法滿足控制頂板變形的目的。當(dāng)注漿后，掘進(jìn)迎頭處頂板最大下沉量僅為150mm，經(jīng)加固后，頂板下沉量減少50%以上，極大保證巷道圍巖安全。與頂?shù)装褰^對(duì)變形量相同，當(dāng)平巷開掘后，頂?shù)装遄冃嗡俾室渤尸F(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。觀察伊始，頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處最大變形速率為60mm/d。經(jīng)注漿作業(yè)后，頂板最大變形速率下降至43 mm/d。通過改進(jìn)后加強(qiáng)支護(hù)方案，可以在較短時(shí)間內(nèi)，將頂?shù)装遄冃慰刂圃?00mm安全限定以內(nèi)，達(dá)到改造巖層強(qiáng)度的目的。

圖5 430B1平巷內(nèi)圍巖變形量

4 結(jié) 論

1）當(dāng)430B1采面過地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域時(shí)，破碎段圍巖受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地應(yīng)力和隨機(jī)節(jié)理共同影響，使得圍巖松散破碎，巷道內(nèi)頂、底板變形嚴(yán)重，極大的增加后續(xù)返修工作量。

2）在虎克-布朗理論與數(shù)值模型基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了“超前預(yù)注漿+錨索網(wǎng)”支護(hù)方案的合理性。新型漿料有效提升了破碎段內(nèi)圍巖力學(xué)性能，使圍巖承載能力極大提升，錨索網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)能有效控制破碎帶內(nèi)變形。相較于原支護(hù)方案，注漿后頂板最大移近量下降至160mm，使破碎帶內(nèi)大變形得到有效控制。

3）在錨索網(wǎng)支護(hù)中，通過加固巷道肩部、底角，可有效控制頂板離層與巷幫塑性區(qū)向巷道內(nèi)的擠壓變形。在提高巷幫圍巖自身承載力基礎(chǔ)上，同時(shí)削弱巷幫應(yīng)力向頂、底板圍巖內(nèi)轉(zhuǎn)移。