厚煤層巷道掘進(jìn)冒漏機(jī)理及安全支護(hù)技術(shù)

張立業(yè)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)公司，山西 大同 037031）

巷道掘進(jìn)過程中受斷層影響破壞了原巖穩(wěn)定性，改變了圍巖力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致斷層帶附近圍巖出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為頂板破碎、斷裂、下沉甚至局部冒漏，底板鼓起，兩幫片幫以及收斂等。采用傳統(tǒng)錨桿（索）對變形圍巖進(jìn)行支護(hù)時，支護(hù)體錨固效果差，支護(hù)失效率高，無法對變形圍巖進(jìn)行控制。本文以白洞礦2106巷為研究對象，對巷道掘進(jìn)過斷層期間頂板出現(xiàn)冒漏機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)掘進(jìn)現(xiàn)狀采取合理有效的圍巖聯(lián)合控制技術(shù)[1-5]，保證巷道快速過冒漏區(qū)，防止冒漏區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

1 概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)公司2106巷位于301盤區(qū)3#煤層南部，北部為實(shí)煤區(qū)，西部為盤區(qū)回風(fēng)巷、軌道巷和皮帶巷，南部為已采的8108工作面，東部為礦界煤柱。2106巷設(shè)計全長144.6 m，掘進(jìn)煤層為石炭系3#煤層，煤層總厚為10.42～11.37 m，煤層普遍有5～8層夾矸，夾矸厚一般為0.72 m，夾矸斷斷續(xù)續(xù)，不穩(wěn)定。煤層屬于穩(wěn)定煤層，巷道在煤層中掘進(jìn)時煤層結(jié)構(gòu)、煤體基本無變化。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r性表

2106巷設(shè)計為矩形斷面，凈寬5500 mm，凈高為4000 mm，凈斷面積為22.0 m2，底板硬化鋪設(shè)150 mm混凝土。

2 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀及問題分析

2.1 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

（1）巷道采用錨桿（索）+W型鋼帶聯(lián)合支護(hù)，如圖1。

2106巷頂板采用錨桿與W型鋼帶配合支護(hù)。每排布置6根長度為2.0 m、直徑為20 mm錨桿，錨桿間距1.0 m，排距為1.2 m。W型鋼帶長度5.2 m，寬度為0.25 m。巷道每掘進(jìn)3.0 m在頂板施工3根單錨索，錨索布置間距為2.0 m，錨索長度為5.0 m，直徑為17.8 mm。錨索與長度及寬度為0.3 m鋼托板聯(lián)合支護(hù)。

2106巷巷幫采用單錨桿與金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。巷幫布置4排長度為2.0 m、直徑為18 mm單錨桿，錨桿外露端安裝一根長度0.4 m、寬度0.25 m“W”型鋼帶，錨桿安裝間排距為1.0 m。

（2）2106巷采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，已掘進(jìn)至572 m。巷道掘進(jìn)至560 m處時揭露F7正斷層，斷層落差為1.9 m，傾角為65°，斷層與巷道成67°夾角，斷層對巷道掘進(jìn)影響長度為52 m。巷道掘進(jìn)至560 m處時頂板破碎，掘進(jìn)至562 m處時頂板出現(xiàn)第一次冒漏，冒漏高度為1.2 m，冒漏寬度為2.3 m，巷道冒漏后及時采取密集錨索進(jìn)行加固，控制了頂板冒漏現(xiàn)象。掘進(jìn)至568 m時，頂板第二次出現(xiàn)冒漏，冒漏高度達(dá)3.5 m，寬度為3.7 m，長度為4.0 m，冒漏區(qū)成不規(guī)則半圓狀，冒漏區(qū)內(nèi)煤巖體無穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致冒漏區(qū)支護(hù)難度大、支護(hù)效果差。

2.2 頂板冒漏機(jī)理

（1）煤層賦存差。2106巷為全煤巷道，3#煤層結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，煤層內(nèi)多層夾矸破壞了煤體結(jié)構(gòu)，3#煤層平均單軸抗壓強(qiáng)度不足15 MPa。巷道為矩形斷面，巷道掘進(jìn)過程中頂板與巷幫之間的肩角煤易出現(xiàn)失穩(wěn)，煤體間靜摩擦角變小，局部肩角煤柱垮落、破碎，導(dǎo)致兩幫煤柱穩(wěn)定性降低。兩幫煤柱失穩(wěn)過程中造成頂板承載梁力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低了頂板穩(wěn)定性。

（2）地質(zhì)構(gòu)造影響。F7斷層侵入對2106巷影響較大，斷層侵入后破壞了煤巖體連續(xù)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，巷道在揭露斷層前后期間構(gòu)造應(yīng)力沿掘進(jìn)空間以及斷裂帶下卸壓釋放。在卸壓過程中構(gòu)造應(yīng)力對煤巖體產(chǎn)生水平剪切破壞作用，造成斷層帶附近煤體酥松破碎，局部煤體硅化現(xiàn)象。

（3）掘進(jìn)工藝影響。2106巷沿3#煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)高度為4.0 m，留頂煤厚度達(dá)7.37 m。巷道掘進(jìn)后雖然采用錨桿（索）對頂煤及時進(jìn)行控制維護(hù)，但是頂煤受構(gòu)造應(yīng)力、上覆巖體重力等影響，煤體出現(xiàn)斷裂、破碎現(xiàn)象，頂煤承載強(qiáng)度降低。

（4）支護(hù)強(qiáng)度不足。原頂板中主要采用錨桿（索）支護(hù)，錨桿（索）支護(hù)主要通過錨固和預(yù)應(yīng)力作用實(shí)現(xiàn)支護(hù)作用。而2106巷在掘進(jìn)過程中頂煤穩(wěn)定性差，頂板破碎過程中形成圍巖松動圈，松動圈范圍擴(kuò)散至錨桿（索）錨固段時，造成錨桿（索）錨固失效現(xiàn)象，支護(hù)質(zhì)量降低。

3 冒漏區(qū)支護(hù)技術(shù)

為了控制冒漏區(qū)范圍擴(kuò)大，提高冒漏區(qū)圍巖穩(wěn)定性，防止冒漏區(qū)有害氣體超限，決定對2106巷冒漏區(qū)圍巖采取“注錨加固+人工假頂填充+密集鋼棚”聯(lián)合加固技術(shù)。

3.1 注漿加固

（1）注漿加固目的。通過對2106巷冒漏區(qū)附近裂隙巖體進(jìn)行注漿，使?jié){液滲透至裂隙帶內(nèi)對裂隙巖體進(jìn)行填充、粘接，從而加固裂隙巖體整體穩(wěn)定性，形成具有柔性的人工承載結(jié)構(gòu)，增加破碎巖體抗載荷能力，防止巖體二次冒漏。

（2）注漿材料及設(shè)備。采用2ZBQS7/12型氣動注漿泵進(jìn)行注漿施工，額定流量為7 L/min，額定注漿壓力為12 MPa，供氣壓力為0.5 MPa。該注漿泵可利用工作介質(zhì)（漿液，壓縮空氣）傳遞壓力，組成閉環(huán)自動調(diào)控性能，結(jié)構(gòu)簡單可靠。注漿材料采用聚氨酯與固化劑以1:1混合的高分子材料，該注漿材料具有黏度低、滲透能力強(qiáng)、凝固速度快且凝固過程中發(fā)熱溫度為90 ℃、不易自燃等優(yōu)點(diǎn)。

（3）注漿工序。① 首先在巷道冒漏區(qū)以及冒漏區(qū)往后10 m范圍內(nèi)頂板施工注漿鉆孔。冒漏區(qū)內(nèi)注漿鉆孔沿冒漏區(qū)頂板四周布置，鉆孔深4.0 m；冒漏區(qū)往后10 m范圍內(nèi)注漿鉆孔深度為3.0 m。鉆孔布置間距為2.0 m。② 注漿時由外向里依次注漿加固，單孔注漿順序?yàn)椋喊惭b注漿軟管→安裝封孔器→連接注漿泵→開啟注漿泵。③ 注漿過程中單孔注漿量不得低于45 kg，注漿壓力控制在1.5 MPa左右，注漿時間不低于15 min。

3.2 人工假頂施工

待工作面注漿加固完成后，對工作面施工人工假頂及組合錨索。

（1）由于冒漏區(qū)范圍及高度較大，為了提高冒漏區(qū)假頂穩(wěn)定性，首先在冒漏區(qū)下方施工三架錨索吊棚。吊棚長度為4.2 m，每架吊棚采用兩根長度為4.0 m錨索起吊，錨索吊棚與巷道兩幫垂直布置，吊棚布置間距為1.5 m。吊棚施工后，吊棚面與頂板之間間隙為0.1 m。

（2）冒漏區(qū)錨索吊棚施工完后，在吊棚上方依次鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、風(fēng)筒布，然后在其上方采用道木架設(shè)雙組“井”的木垛。木垛架設(shè)后必須與冒漏區(qū)頂板接觸嚴(yán)實(shí)。

（3）冒漏區(qū)人工假頂施工完后，采用注漿泵對假頂間隙注入羅克休進(jìn)行封堵，防止煤體氧化自燃現(xiàn)象。

（4）假頂施工完后10 m范圍采用組合錨索加固。組合錨索主要由一塊寬度及長度為0.5 m鋼板以及3根長度為10.3 m、直徑為21.8 mm恒阻錨索組成。每排施工兩組組合錨索，布置間距為2.0 m，排距為3.0 m，如圖2。

3.3 梯形鋼棚加固

冒漏區(qū)圍巖注漿、假頂施工后，為防止巷道掘進(jìn)過程中受施工擾動影響，假頂區(qū)下沉、垮落，決定從560 m處對巷道頂板安裝梯形鋼棚進(jìn)行加固。

（1）梯形鋼棚主要由頂梁、棚腿、卡纜、底座、連接桿等部分組成。頂梁長度為5.2 m，頂梁采用14#槽鋼焊制而成，頂梁兩端各焊制一組直徑為30 mm圓孔。棚腿采用U29型鋼棚焊制而成，每根棚腿由兩節(jié)長度為2.5 mU29型鋼組成。

（2）梯形棚安裝順序?yàn)椋旱鬃锿取斄骸ｄ撆锇惭b過程棚腿與頂梁之間夾角為75°，鋼棚底座與底板采用地錨進(jìn)行固定，鋼棚安裝間距為1.0 m。所有鋼棚安裝后在相鄰兩架鋼棚棚腿之間采用一組連接桿進(jìn)行固定。

4 結(jié)論

（1）冒漏區(qū)圍巖采取注漿后，裂隙巖體單軸抗壓強(qiáng)度由原來不足20 MPa提高至38.7 MPa，大大提高原巖強(qiáng)度，對裂隙帶進(jìn)行有效填充，控制了裂隙帶延伸以及圍巖松動圈范圍擴(kuò)大。

（2）對冒漏區(qū)采取人工假頂施工后，實(shí)現(xiàn)了冒漏區(qū)填充加固作用，增加了冒漏區(qū)頂板巖體穩(wěn)定性，防止因巷道掘進(jìn)過程中受掘進(jìn)擾動影響以及圍巖蠕動變形影響，出現(xiàn)冒漏范圍擴(kuò)大現(xiàn)象；對冒漏區(qū)填充后杜絕了冒漏區(qū)圍巖與空氣接觸氧化現(xiàn)象。

（3）相比傳統(tǒng)矩形鋼棚，梯形鋼棚可調(diào)整棚腿迎山角適應(yīng)不同應(yīng)力狀態(tài)下的圍巖支護(hù)，具有變形率小、支撐強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。通過安裝梯形鋼棚后降低了冒漏區(qū)圍巖應(yīng)力對煤柱剝離破壞作用，提高了兩幫煤柱穩(wěn)定性，控制了肩角煤柱垮落現(xiàn)象。