綜放工作面超前支護區自承壓支護技術研究

張愛軍,張廣杰,王 文

(1.潞安化工集團 王莊煤礦,山西 長治 046031; 2.河南理工大學 河南理工產業技術研究院,河南 焦作 454003;3.河南理工大學 能源科學與工程學院,河南 焦作 454003)

回采巷道在煤礦開采期間所扮演的角色異常重要,其作用不單用于通風,而且還是運輸的關鍵性通道,對礦井安全生產具有重要作用。受工作面動壓的持續性影響,巷道易發生較大的破壞,致使巷道難以維護,為確保工作面超前一定距離內巷道整體穩定,需對其支護強度進行強化[1]。當前大多數煤礦仍是利用單體柱或超前支架進行支護[2],該種支護主要存在支護強度弱、工效低、勞動強度高、操作繁瑣、反復升降后使得頂板破碎、錨桿(索)失效等問題[3]。因此,如何解決工作面超前支護問題是當前急需解決的關鍵技術之一。

近些年不少的學者對回采巷道超前支護作了大量的科研工作,王國法等[4-5]基于強耦合、超前支護力學特征開發出能夠滿足高強度開采條件下巷道的超前支架。蘇高峰[6]系統研究了巷道主動超前支護原理,提出高摻粉煤灰—水泥漿體超前注漿加固技術,現場實施效果良好。郭文彬[7]、何富連[8]、王根盛[9]、徐亞民[10]、高喜才[11]等基于特殊地質條件下巷道超前支護不易控制的難題,研制出能夠滿足該條件下的超前支架及其液壓支護系統。龍景奎等[12-13]基于深井巷道超前難以支護的問題,通過現場采用錨索梁支護試驗后,其效果與超前單體柱或超前支架支護效果一致。王琦等[14]針對特厚煤層綜放面回采巷道超前支護效率低下且維護困難的問題,基于巷道圍巖與支護裝置相互作用機理,提出超前無反復協同支護技術,現場應用效果良好。謝龍等[15]通過理論分析和數值模擬研究了不同注漿參數下漿液擴散規律,提出采用注漿錨索替代單體柱或超前支架的方法。王宜清等[16]基于厚硬頂版條件下工作面超前支護繁瑣且工效低的問題,通過計算出超前支承壓力,認為分區域主動式超前支護可解決該問題,并在現場進行了工程實踐。何團等[17]針對回采巷道礦壓顯現強烈的情況,通過實施深孔切頂爆破降低超前支護壓力,現場實踐效果良好。王方田等[18]利用模擬軟件研究補強錨索與單體柱支護時巷道損傷破壞特征,而程志斌等[19]則認為組合錨索具有“應力柱”效應。

上述研究在主(如錨索)、被(如單體柱、超前支架)動超前支護控制的領域比較豐富,而不同地質條件下現場實施時差異性較大。所以本文基于王莊煤礦8105工作面的地質特征,通過分析回采巷道變形特征,基于錨注支護技術原理,提出巷道超前自承壓支護技術方案,現場實踐后可滿足安全生產要求。

1 工程背景

8105工作面位于81采區,西接540膠帶大巷,北為8103采空區,南為8106采空區,東為實體煤。開采3號煤層,平均煤厚5.9 m,煤層綜合柱狀如圖1所示。煤層具有爆炸性,為不易自燃煤層。工作面埋深448～479 m,采用綜放開采的采煤方式。且該礦屬高瓦斯礦井。

圖1 工作面綜合柱狀Fig.1 Comprehensive histogram of working face

以往工作面回風巷、運輸巷均采用“單體柱+Π型梁”支護。回風巷超前支護長度不少于50 m,單體柱棚間距0.6 m,其布置形式為“一梁四柱”。運輸巷超前支護長度不少于40 m,單體柱棚間距0.8m,其布置形式為“一梁三柱”。回采期間超前范圍內兩巷變形破壞較為嚴重,主要表現為頂板整體下沉、兩幫鼓出、底鼓量大,變形量高達0.8～1.0 m。因此,該種支護方式存在勞動強度大、適用性較差、巷道返修工作量大、安全性低等問題,維護成本高,嚴重影響了工作面正常的安全回采。

2 超前支護區自承壓支護技術原理

2.1 回采巷道超前變形特征

對于工作面回采巷道超前段,在其傾向方向上,工作面端部會形成弧形三角板,但弧形三角板與工作面內部上覆巖層仍會形成鉸接砌體梁結構,在其形成期間,砌體梁所在巖層及其所承擔荷載一部分通過巖塊A傳遞至工作面側向煤柱內,另一部分通過B、C傳遞至采空區,而回采巷道正處于A巖塊下方,因此,巷道變形主要受巖塊A運動的影響,即在工作面后方。在工作面走向方向上,其覆巖結構仍為砌體梁結構,其本質與工作面側向結構相同,砌體梁結構及其承載巖層荷載仍需要通過巖塊部分傳遞至工作面前方煤體,與側向不同的是,應力拱的后拱腳一般經過已垮落在采空的5～7塊巖層傳遞至采空區,也是在工作面后方60～80 m應力基本恢復至原巖應力。

弧形三角板形成過程如圖2所示,回采巷道超前變形主要受結構塊及其覆巖運動的影響,該結構呈現弧形三角板狀態,即abc塊體,斷裂線ac會超前工作面一定距離形成,但并非貫通裂隙。因此,巷道變形的主因是工作面覆巖破斷形成砌體梁結構,導致結構層荷載傳遞至工作面前方形成超前支承壓力,在巖塊向下運動和超前應力的共同影響下引起巷道變形。

圖2 弧形三角板形成過程Fig.2 Formation process of arc-shaped triangular plates

根據超前支承壓力數值模擬結果顯示,在工作面超前10.5～16 m區域內發生應力集中,應力峰值位置約在12.5 m處,應力值38.5 MPa。在0～4 m內為應力降低區(煤體破裂區),應力值要比原巖應力小,應力值為5～16 MPa;在4.0～12.5 m內應力值從原巖應力16.3 MPa逐漸增加至應力峰值38.5 MPa,即煤體塑性區,應力集中系數2.36;隨著垂直應力向深部轉移,在15.5～60.0 m內應力值從峰值38.2 MPa逐漸減小至16.5 MPa,即煤體的彈性區應力升高部分;在60 m及以外的范圍,應力值基本與原巖應力一致,即煤體的原始應力區。

2.2 錨注支護技術原理

采用注漿錨索式超前支護技術作為超前段加強支護工藝,注漿后可將淺部圍巖破碎區膠結成完整性較好的膠結體,其力學性能得到一定的增強,提高了整體抗破壞能力,在原錨桿支護作用下其穩定性進一步提升;深部圍巖在注漿的作用下完整性及強度也提升,成為注漿錨索的可靠錨固體,在注漿錨索與深部圍巖注漿加固有效結合下控制深部圍巖的同時,也實現了淺部錨桿與注漿組合結構體穩定性控制。在注漿錨索、錨桿及注漿三者綜合加固作用下,巷道頂板圍巖整體性及強度得到提升的同時,深淺部加固結構體互為承載體控制了巷道圍巖整體穩定性[20]。注漿錨索加固機理如圖3所示。

圖3 注漿錨索式加固機理Fig.3 Grouting anchor cable reinforcement mechanism

(1)提高巷道圍巖完整性及強度。使得巖體強度及剛度也得到一定程度提高,也增加了圍巖自承能力,原頂板圍巖破碎區域的自承能力得以增加的同時也是巷道整體支護體系的一部分,注漿改善后的圍巖與外部支護結構協同作用,大幅增加了巷道整體穩定。注漿強化圍巖強度特性如圖4所示。改善圍巖賦存環境,圍巖若長期與空氣中水分接觸將會出現一定的軟化反應,使得頂板力學性能降低;同時可能產生一定的化學反應,使得圍巖內部礦物組成或結構發生改變,從而降低圍巖力學性能。

圖4 注漿提高圍巖完整性示意Fig.4 Schematic diagram of grouting to improve the integrity of surrounding rock

(2)改善圍巖錨固承載性能。漿液固化結構體將裂隙張開兩壁膠結在一起,由于圍巖內部裂隙分布的不規律性,使得漿液固化體在圍巖內部形成不規則的網狀結構(骨架承載結構),可提高巷道圍巖整體強度。全錨改善了端錨受力時對圍巖變形及離層的敏感度,對巖層錯動變形具有更快的反應速度,與索體協同作用抗剪強度進一步提升,能及時有效抑制巖層錯動及離層,進一步提升巷道圍巖穩定性。提高加固拱(頂)厚度,有效承載上部圍巖所傳遞的壓力。

(3)改善圍巖應力環境。實現巷道主動式支護,使得巷道圍巖恢復“三向應力”狀態,有效抑制了圍巖內部裂隙發育,并增強其完整性,同時在錨固區域形成剛度較大的預緊力承載結構,有效治理了巷道變形問題。且頂板應力狀態得以改善,錨索預緊力通過托盤、鋼帶等構件擴散至錨索周邊圍巖中,改善了巷道頂板圍巖應力狀態,使得巷道頂板圍巖內部拉伸破壞大幅度減少,同時減弱了巷道支護死角區域——頂角的應力集中程度,采用高預緊力錨索進行支護可有效控制頂板離層,避免了頂板巖層持續深入破壞,抑制了巷道圍巖變形破壞,保證了頂板完整。

(4)巷道錨索注漿加固時機。根據巷道頂板圍巖裂隙發育情況和超前支承壓力的影響確定注漿時機,一種情況是巷道頂板較為發育時在巷道支護后即可開展注漿工作,另一種情況是超前支承壓力造成巷道頂板裂隙發育情況。根據王莊煤礦超前支承壓力分布情況,其影響范圍一般達到45～55 m,注漿時機是裂隙初始發育而為完全發育時,受超前支承壓力產生裂隙時注漿應在工作面前方40～45 m開始,防止頂板裂隙進一步發展。

3 巷道超前自承壓支護方案

注漿錨索超前支護技術使得錨索受力狀態得到了較好的改善,也使其能夠承受圍巖破碎,并及時向圍巖提供支護阻力。注漿加固是因漿液滲透、壓入到煤巖體中并與錨索有機結合為整體,提升了圍巖自承能力。尤其是圍巖裂隙發育且松動區域較大的條件下,錨索在此情況下無法形成有效的著力基礎,錨固作用效果也無法有效發揮,而錨注能夠大幅增加強動壓且破碎巷道的支護效果與圍巖穩定性。

錨索與圍巖形成整體后支護效果可以充分發揮,也是有效可靠的組合拱;并且錨桿、注漿加固圈均可及時承載,合理控制時間能同時到承載極限,二者重合區域將互相強化,其承載力比各自承載力之和還要大。巷道頂板圍巖整體性及強度得到提升的同時,深部與淺部加固結構體互為承載體控制了巷道圍巖整體穩定性。

3.1 超前支護圍巖控制基本思路

通過對8105工作面運輸巷開采條件進行分析,提出在運輸巷超前段采用注漿錨索替代液壓支柱超前支護的技術思路。為了保證注漿錨索施工完成后能形成有效的應力擴散與疊加效果,從而形成有效承載層,通過對頂板注漿錨索不同預緊力、間排距與錨索長度進行模擬支護,探究在預緊力作用下錨—巖體耦合關系與承載效果,確定巷道頂板錨索支護參數。需要特別指出的是,在此過程中,通過改變巷道頂板及圍巖模型材料力學參數與圍巖塑性區,從而模擬巷道注漿后頂板及圍巖強度的改變與支護加強效果。

在回采巷道采動影響作用下,對巷道的破壞主要表現為對含有軟弱煤體的巷道肩角部位,此處受復雜應力集中影響,煤巖體發生剪切與壓剪破壞,塑性區范圍不斷擴大,煤巖體自承載力大幅下降,圍巖位移量也在快速增長。為保證巷道幫部圍巖能穩定支承頂板,可以通過將錨桿在肩角處以一定的角度傾斜錨固進煤巖體內,對此處軟弱煤體和軟弱結構面起到加強支護的作用,同時提供剪切阻力來抑制圍巖沿破裂面的剪切錯動,防止肩角部位過早破壞,引起巷幫及圍巖失穩,從而提高巷道幫部的穩定性,保證巷道和人員設備的安全。

3.2 工作面超前支護優化方案

根據8105工作面煤層賦存工程地質特征,并考慮當前超前支護技術現狀,提出在8105運輸巷超前壓力作用區域內采用分區域差異化超前支護(圖5)的方法,即劃分為4個階段。

圖5 超前支護布置示意Fig.5 Layout of advance timbering

首先,超前工作面0～50 m內采用單體柱(間距1.8 m、排距2.4 m,3排錨桿1排單體,每排3根單體支柱)配合注漿錨索超前支護的方式;其次,超前50～100 m內采用單體柱(間距3.6 m、排距2.4 m,3排錨桿1排單體,每排2根單體支柱)配合注漿錨索超前支護的方式;然后,超前100～150 m內采用單體支柱(排距2.4 m,3排錨桿1排單體)配合注漿錨索超前支護的方式;最后,超前150 m至停采線范圍內取消單體支柱支護,采用單排2根注漿錨索補強支護。

每排2根注漿錨索(φ21.8 mm×6 200 mm)加固,間距1.8 m、排距1.6 m,打設時與頂板垂直;采用W形鋼帶(φ3 mm×2 400 mm)連接;錨索預緊力不低于150 kN;采用300 mm×300 mm×16 mm高強度球形托盤。在工作面超前30～50 m內實施錨索注漿,采用超細水泥且注漿壓力小于5 MPa。超前支護布置如圖5所示。

4 應用效果分析

為獲得8105運輸巷礦壓顯現規律及注漿錨索超前支護段支護狀態、質量、強度等使用效果,通過監測巷道表面變形及其裂隙發育狀況,為“注漿錨索超前支護”的實踐應用提供依據。結合礦井生產地質特征,在各階段超前工作面5、55、105、155 m處設置了礦壓觀測點。

4.1 頂板裂隙發育狀況

采用鉆孔窺視儀探測巷道頂板鉆孔壁上結構面和裂隙的分布情況,每個測點均有窺視鉆孔,且在頂板中部,窺視孔深8 m,窺視孔直徑38 mm。窺視結果如圖6所示。

圖6 試驗各階段頂板巖層裂隙分布情況Fig.6 Distribution of roof rock strata fissures at each stage of the test

1號、2號測站頂板圍巖完整性好,自孔口0～0.5 m內出現部分離層及裂隙發育;3號、4號測站頂板圍巖完整性好,未見明顯離層及裂隙發育。

根據巷道頂板鉆孔窺視分析結果可知,頂板裂隙發育帶多在1.0 m內;1號測站距工作面15 m,處于應力升高區,但其僅在0～0.3 m和3.01 m處出現了橫向裂隙,在0.02 m處出現了離層,其他區域完整性較好;2號測站距工作面65 m,其僅在0.1 m出現了橫向裂隙,在0.01 m和0.32 m處出現了離層;3號、4號測站分別距工作面115、165 m,未觀察到明顯裂隙和離層區域。

4.2 巷道圍巖變形監測

采用“十字觀測法”對巷道表面位移進行觀測,觀測結果如圖7所示。根據各測站觀測結果可知,1號測站頂板最大移近量205 mm,回采幫最大移近量275 mm,煤柱幫最大移近量147 mm。2號測站頂板最大移近量212 mm,回采幫最大移近量182 mm,煤柱幫最大移近量136 mm。隨著回采工作面的靠近,速度呈增大的趨勢。3號測站頂板最大移近量322 mm,回采幫最大移近量305 mm,煤柱幫最大移近量252 mm。隨著回采工作面的靠近,速度有增大的趨勢。4號測站頂板最大移近量215 mm,回采幫最大移近量224 mm,煤柱幫最大移近量172 mm。

圖7 巷道表面位移監測曲線Fig.7 Monitoring curve of roadway surface displacement

綜上所述,各測站巷道圍巖受本工作面采動影響,均產生頂板及兩幫位移變形,但變形量較小,遠低于圍巖變形安全范圍,礦壓顯現不明顯,巷道斷面保持完整。通過注漿錨索超前支護有效控制了巷道變形,說明注漿錨索能增強巷道頂板支護強度,控制頂板離層及裂隙發育。因此,8105工作面運輸巷注漿錨索替代單體液壓支柱的超前支護形式能很好地控制頂板的裂隙發育和離層,能滿足8105工作面回采期間安全高效生產。

5 結論

(1)根據回采巷道變形破壞特征及傳統超前液壓支護設備的缺點,鑒于錨注支護對巷道超前影響區域圍巖具有雙重加固作用,①通過錨索進行主動錨固,限制巷道圍巖的剪切錯動和擴容變形,減緩離層發育;②漿體可以充分改善圍巖體的物理力學性質,增大了圍巖體的整體強度和抗剪切破壞能力。提出在8105運輸巷采用錨注支護技術替代單體柱超前支護的形式。

(2)在8105運輸巷超前支護實施錨注支護技術后,巷道圍巖力學性能得以大幅改善,錨固巖體的強度和剛度也得以提升,進而有效強化了其承載能力和抗變形能力,巷道圍巖控制的穩定性與適應性得以加強。超前支護范圍內巷道兩幫變形量最大557 mm,頂板下沉量最大322 mm,能夠滿足安全生產要求。