全煤巷道掘進(jìn)漏頂分析及治理技術(shù)研究

趙志勇

（汾西礦業(yè)柳灣煤礦， 山西 孝義 032303）

0 引言

厚煤層開采對提升礦井煤炭產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)效益具有顯著促進(jìn)意義，厚煤層開采回采巷道多為全煤巷道，受煤體自身承載能力差、松軟等影響，容易出現(xiàn)頂板冒落、圍巖變形量大等問題[1-2]。特別是巷道在掘進(jìn)期間遇斷層、褶曲等構(gòu)造時(shí)，在構(gòu)造影響下會降低原巖穩(wěn)定性、造成局部位置應(yīng)力集中，巷道掘進(jìn)時(shí)往往伴隨頂板破碎、下沉甚至局部冒落等問題[3-5]。山西某礦3203 運(yùn)輸巷為全煤巷道，巷道在掘進(jìn)過斷層影響帶期間出現(xiàn)頂板冒落問題，給巷道掘進(jìn)效率及掘進(jìn)安全帶來較大制約。針對3203 運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)頂板冒落機(jī)理進(jìn)行分析，并根據(jù)現(xiàn)場情況提出有效的圍巖控制措施，確保巷道得以安全高效掘進(jìn)。

1 3203 運(yùn)輸巷概況

1.1 地質(zhì)概況

3203 運(yùn)輸巷位于3 盤區(qū)西側(cè)，巷道北側(cè)為實(shí)體煤、南側(cè)為采空區(qū)，沿3 號層底板掘進(jìn)，長度2 520 m，采用綜掘方式掘進(jìn)。3 號煤層為礦井主采煤層，煤厚10.23～12.48 m，中間夾雜有3～8 層泥巖、砂巖夾矸，夾矸層累積厚0.78 m，具體3 號煤頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 3 號煤層頂?shù)装鍘r性

1.2 巷道支護(hù)參數(shù)

3203 運(yùn)輸巷斷面為矩形（寬5 500 mm、高4 000 mm），頂板及巷幫用錨網(wǎng)索支護(hù)方式，底板用150 mm混凝土硬化，圍巖支護(hù)斷面如圖1 所示。頂板每排6根Φ20 mm×2 000 mm 錨桿，間排距1 000 mm、1 200 mm，并用W 鋼帶（寬250 mm、長5200 mm）連接；頂板錨索（Φ17.8 mm×5 000 mm）間排距2 000 mm、3 000 mm，一排布置3 根，錨索配合鋼托盤（12 mm×300 mm×300 mm）護(hù)表。巷幫用錨桿+金屬網(wǎng)護(hù)表，巷幫錨桿布置4 排規(guī)格Φ20 mm×2 000 mm 錨桿，間排距為1 000 mm、1 200 mm。

圖1 3203 運(yùn)輸巷支護(hù)斷面圖（單位：mm）

2 巷道掘進(jìn)冒頂分析

2.1 巷道掘進(jìn)冒頂現(xiàn)狀

3203 運(yùn)輸巷采用綜掘掘進(jìn)工藝，掘進(jìn)進(jìn)尺平均為350 m/月，現(xiàn)掘進(jìn)至850 m 位置。巷道在掘進(jìn)至835 m 位置時(shí)揭露有F32 斷層（落差H=1.9 m，161°∠63°），F(xiàn)32 斷層與3203 運(yùn)輸巷掘進(jìn)方向間有67°夾角，斷層影響巷道掘進(jìn)長度為53 m。3203 運(yùn)輸巷掘進(jìn)至838 m 位置時(shí)頂板出現(xiàn)第一次漏頂，漏頂寬度、高度分別為2 300 mm、1 200 mm，隨后通過密集錨索對漏頂區(qū)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固；巷道掘進(jìn)至849 m 處出現(xiàn)第二次漏頂，寬度、高度分別為3 700 mm、4 000 mm，漏頂區(qū)為不規(guī)則半圓形，冒落區(qū)域內(nèi)煤巖體穩(wěn)定性較差。

2.2 冒頂原因分析

1）煤層賦存條件差。3203 運(yùn)輸巷為全煤巷道，3號煤層內(nèi)部有多層夾矸，取樣測試發(fā)現(xiàn)煤層單軸抗壓強(qiáng)度在15 MPa 以下，本身承載能力及強(qiáng)度較低。3203運(yùn)輸巷斷面為矩形，在掘進(jìn)期間頂板及巷幫交匯的肩角位置容易失穩(wěn)，肩角位置煤柱破碎、垮落導(dǎo)致巷幫變形量增大，降低頂板穩(wěn)定性。

2）地質(zhì)構(gòu)造影響。在F32 斷層影響范圍內(nèi)煤體穩(wěn)定性遭到一定破壞，斷層影響區(qū)內(nèi)存在一定程度構(gòu)造應(yīng)力集中，掘進(jìn)時(shí)應(yīng)力釋放（包括地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等），會加劇巷道圍巖變形。

3）掘進(jìn)工藝。3203 運(yùn)輸巷沿著3 號煤層底板掘進(jìn)，巷道頂板為厚度在7.5 m 的頂煤，巷道掘進(jìn)后雖然采用錨桿索支護(hù)頂板，但是頂煤在覆巖重力、構(gòu)造應(yīng)力等因素作用下仍出現(xiàn)一定程度的破碎、斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致漏頂情況發(fā)生。

4）現(xiàn)有錨桿索支護(hù)強(qiáng)度較低。原支護(hù)頂板通過錨桿索進(jìn)行支護(hù)，在地質(zhì)條件正常區(qū)域內(nèi)可保持頂板穩(wěn)定；但是巷道掘進(jìn)至斷層影響區(qū)時(shí)，在頂板破碎、構(gòu)造應(yīng)力等因素影響下，頂煤穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致部分位置圍巖松動圈范圍超過錨桿、錨索錨固高度，從而使得部分位置錨桿索支護(hù)體系失效，導(dǎo)致漏頂情況發(fā)生。

3 漏頂控制技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷道漏頂區(qū)有效控制，根據(jù)現(xiàn)場情況在3203 運(yùn)輸巷漏頂區(qū)采用“注漿加固+人工假頂+密集鋼棚”方式進(jìn)行支護(hù)[6-9]。

3.1 注漿加固

通過注漿方式對3203 運(yùn)輸巷漏頂區(qū)裂隙進(jìn)行充填，提高冒頂區(qū)域頂板穩(wěn)定性及承載能力，避免二次漏頂發(fā)生。現(xiàn)場采用的注漿泵型號為2ZBQS7/12 型，額定工作壓力12 MPa、流量7 L/min、供氣壓力0.5 MPa；注漿材料選用高分子材料，成分為聚氨酯及固化劑，按照1∶1 配比均勻混合。

在距離3203 運(yùn)輸巷漏頂區(qū)內(nèi)及漏頂區(qū)外10 m范圍內(nèi)向頂板施工注漿鉆孔，漏頂區(qū)內(nèi)鉆孔孔深均為4 m、間距為2 m；漏頂區(qū)外10 m 范圍內(nèi)鉆孔孔深3 m、間距2 m。注漿鉆孔施工及注漿由漏頂區(qū)外向漏頂區(qū)逐漸進(jìn)行，注漿鉆孔單孔高分子材料注入量控制在45 kg 以上，注漿時(shí)間在15 min 以上、注漿壓力為1.5 MPa。

3.2 構(gòu)建人工假頂

對3203 運(yùn)輸巷漏頂區(qū)完成注漿加固后，構(gòu)建人工假頂以及組合錨索。由于運(yùn)輸巷漏頂區(qū)范圍較大，為提高漏頂區(qū)構(gòu)建的人工假頂穩(wěn)定性，首先在漏頂區(qū)施工錨索吊棚，錨索吊棚（長4 200 mm）用2 根Φ17.8 mm×4.0 m 長錨索懸吊，吊棚與巷道掘進(jìn)方向垂直；鄰近的2 排吊棚間距為1 500 mm，吊棚與巷道頂板間留設(shè)100 mm 間隙。吊棚施工完成后在吊棚上鋪設(shè)風(fēng)筒布、鋼絲鋼筋網(wǎng)以及道木等，道木布置呈“井”字型；吊棚上鋪設(shè)的道木應(yīng)與冒頂區(qū)頂板接觸密實(shí)。

在構(gòu)建完成人工假頂后采用注漿泵向假頂與冒頂區(qū)間隙注漿，封堵冒頂區(qū)裂隙避免冒落區(qū)煤體自燃并避免瓦斯集聚。采用組合錨索對假頂施工區(qū)域附近10 m 范圍進(jìn)行加固，組合錨索結(jié)構(gòu)包括有3 根規(guī)格Φ21.8 mm×10.3 m 恒阻錨索、一塊長寬均為0.5 m 鋼板組成，組成錨索按照2 m 間距、3 m 排距布置，每排施工2 個(gè)組合錨索，具體布置如圖2 所示。

圖2 漏頂區(qū)支護(hù)示意圖（單位：mm）

3.3 密集鋼棚加固

對3203 運(yùn)輸巷漏頂區(qū)完成注漿、假頂施工后，為避免頂板頂板在采掘擾動下出現(xiàn)下沉、垮落等問題，對頂板漏頂區(qū)采用密集鋼棚進(jìn)行加固。密集鋼棚頂梁為14 號槽鋼、長度5 200 mm，棚腿由2 根長度均為2.9 m 的U29 型鋼，密集鋼棚棚距為1.0 m。

4 結(jié)論

1）對3203 運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)漏頂原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)斷層影響導(dǎo)致頂板破碎、原有支護(hù)強(qiáng)度較低及掘進(jìn)擾動等多因素綜合作用是導(dǎo)致巷道漏頂?shù)闹饕颉８鶕?jù)現(xiàn)場情況，提出綜合使用“注漿加固+人工假頂+密集鋼棚”方式對漏頂區(qū)圍巖進(jìn)行控制。

2）對漏頂區(qū)及附近煤體進(jìn)行注漿加固后，頂煤單軸抗壓強(qiáng)度由不足15 MPa 提升至38 MPa，大幅提升了頂煤穩(wěn)定性及強(qiáng)度；同時(shí)注漿漿液充填頂煤裂隙，可有效控制頂煤松動圈擴(kuò)展及頂煤裂隙延伸范圍。

3）采用人工假頂、密集鋼棚對漏頂區(qū)域進(jìn)行加固后，增強(qiáng)支護(hù)區(qū)域內(nèi)頂板穩(wěn)定性，避免后續(xù)巷道在采動或者構(gòu)造應(yīng)力釋放等因素影響下出現(xiàn)變形問題。現(xiàn)場應(yīng)用后，漏頂區(qū)域內(nèi)圍巖穩(wěn)定，頂板基本不出現(xiàn)下沉，現(xiàn)場取得較好治理效果。