富水泥化頂板條件下開(kāi)切眼圍巖控制技術(shù)研究

郜鵬

（山西高平科興申家莊煤業(yè)有限公司，山西 晉城 046700）

0 引 言

近年來(lái)，隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，綜采工作面開(kāi)切眼尺寸進(jìn)一步加大[1-3]。由于工作面巷道高度和寬度的增加，兩側(cè)及頂板均為煤層，圍巖強(qiáng)度弱，回采難度大，圍巖變形破壞范圍大，較難開(kāi)采。鉆孔后，直接影響了開(kāi)口段周?chē)鷰r石的穩(wěn)定性[4-6]。如果不及時(shí)支護(hù)，承載力不足，會(huì)導(dǎo)致斷面變形加大，給后續(xù)支護(hù)帶來(lái)困難[7-8]。國(guó)內(nèi)外對(duì)大斷面支護(hù)的研究較多，但大部分支護(hù)強(qiáng)度未優(yōu)化，支護(hù)強(qiáng)度過(guò)小可能會(huì)引起安全問(wèn)題[12]。如果支護(hù)強(qiáng)度過(guò)大，后期對(duì)工作面進(jìn)行強(qiáng)制放頂將是無(wú)效的，也會(huì)帶來(lái)安全隱患。申家莊煤業(yè)N11511 切眼的順利完工，有效緩解了15 號(hào)煤采掘接續(xù)緊張局面，為保證完成2022 年度原煤產(chǎn)量目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。根據(jù)N11507、N11509、N11511 的兩順槽掘進(jìn)期間已揭露頂板情況，不排除N11513 工作面在850 m 后同樣遇到此類(lèi)頂板巖性突變區(qū)，屆時(shí)可能也面臨開(kāi)切與退讓的雙向選擇，此次N11511 開(kāi)切眼大斷面開(kāi)口不僅避免16 萬(wàn)t 煤量損失，500 余米無(wú)效進(jìn)尺產(chǎn)生，同時(shí)，也為在今后施工中采用新技術(shù)過(guò)頂板巖性突變區(qū)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 開(kāi)切眼地質(zhì)概況

N11511 工作面15 號(hào)煤K2 灰?guī)r頂板裂隙發(fā)育、局部賦存小型溶洞，富水區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間受水浸泡后頂板變質(zhì)，整個(gè)錨索錨固區(qū)域?yàn)檐浫跄鄮r+碎石的復(fù)合頂板，在該類(lèi)頂板條件下，施工中錨網(wǎng)索支護(hù)已不能滿(mǎn)足支護(hù)要求，通常采取幫部錨網(wǎng)+鋼棚的復(fù)合支護(hù)。在以往的切眼施工中，如設(shè)計(jì)切眼開(kāi)口區(qū)域處于裂隙發(fā)育區(qū)、鋼棚復(fù)合支護(hù)時(shí)，則避開(kāi)此類(lèi)地質(zhì)區(qū)域，選取兩順槽均為錨網(wǎng)索支護(hù)或頂板正常區(qū)域（鋼棚支護(hù)下錨索施工預(yù)緊達(dá)標(biāo)）進(jìn)行切眼定口施工。

2 開(kāi)切眼支護(hù)工藝設(shè)計(jì)

2.1 錨索+工字鋼梁組合懸吊支護(hù)頂板

如圖1 所示。采用φ17.8 mm×6 300 mm 錨索+11 號(hào)工字鋼對(duì)注漿后的切眼開(kāi)口側(cè)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，另采取2 根φ17.8 mm×6 300 mm 錨索+三層鋼筋網(wǎng)的連體支護(hù)對(duì)順槽中部及煤柱側(cè)頂板進(jìn)行加固支護(hù)；共打設(shè)14 根錨索、搭配7 根工字鋼，其中合格錨索11 根，不合格的錨索3 根。注漿加固后，錨索錨固效果顯著。未注漿時(shí)錨索鉆孔施工會(huì)遇空、裂隙，在加入錨固劑攪拌時(shí)因孔壁四周?chē)鷰r為松散質(zhì)，出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)攪拌而不凝結(jié)、錨固失敗現(xiàn)象；注漿加固后，漿液對(duì)頂板裂隙進(jìn)行了有效填充，通過(guò)加壓、擠壓使原本松散質(zhì)的泥巖進(jìn)一步密實(shí)，另外漿液的粘結(jié)效應(yīng)使圍巖中的碎石有效粘結(jié)，錨索在攪拌、凝固時(shí)基本遇到長(zhǎng)時(shí)攪拌而不凝結(jié)現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試錨索錨固力平均在30 MPa 以上。

圖1 開(kāi)口前的注漿加固孔及錨索布置Fig.1 Grouting reinforcement hole and anchor cable arrangement before opening

2.2 小斷面開(kāi)口預(yù)注漿

選取4 m 小斷面開(kāi)口，提前預(yù)注漿，預(yù)注漿區(qū)域因未掘巷道原生裂隙較少，注漿效果不理想（漿液從煤壁溢出），開(kāi)切眼5 m 范圍內(nèi)共打注漿孔2個(gè)，注漿1 t，打設(shè)23 根錨索，其中有4 根不達(dá)標(biāo)，19 根合格。如圖2 所示。

圖2 4 m斷面注漿后錨索布置示意Fig.2 Anchor cable layout after grouting of 4 m section

預(yù)注漿+全錨索支護(hù)在實(shí)施中，因頂板特性，注漿孔施工和錨索孔施工效率較低，1 個(gè)注漿孔施工需耗時(shí)1 h，1 根錨索從打孔-攪拌預(yù)緊需耗時(shí)2 h，極度制約掘進(jìn)進(jìn)度。故施工5 m 后改為鋼棚復(fù)合支護(hù)，棚距0.8 m，棚腿角度控制不超87°～89°（基本垂直頂?shù)装澹C掘機(jī)割煤采用先掏兩側(cè)柱窩，后割煤架棚的方法，可有效控制頂板暴露時(shí)間，后幫棚腿1.2 m 位置增設(shè)設(shè)防倒錨桿，配合兩棚架間三路撐木，提高棚架整體性，增加棚架整體抗壓能力，在施工至50～70 m 時(shí)，頂板有少量淋水，泥質(zhì)頂板遇水不穩(wěn)定，頂板愈加破碎，該段采取托頂煤、穿鋼釬超管控等手段順利通過(guò)。

2.3 二次擴(kuò)巷預(yù)注漿

二次擴(kuò)巷前對(duì)開(kāi)切眼三岔口10 m 進(jìn)行預(yù)注漿，共設(shè)計(jì)10 個(gè)注漿孔，2021 年2 月19 日開(kāi)始注漿，歷時(shí)3 d，注漿區(qū)打設(shè)13 根錨索+6 根工字鋼，其中2 根錨索預(yù)緊力不達(dá)標(biāo)。前10 m 采用炮掘作業(yè)，炮孔長(zhǎng)度0.6 m，短掘短支、分段掘進(jìn)，控制頂板暴露面積，擴(kuò)巷區(qū)西幫沿用棚腿架設(shè)，鋼梁與第一次棚架鋼梁交錯(cuò)鋪設(shè)，搭接800 mm，10 m 注漿區(qū)域采用錨梁懸吊管理兩鋼梁鉸接處，未注漿區(qū)域采用單體柱+π 鋼管理，10 m 后綜掘機(jī)截割，為防止二次擴(kuò)巷區(qū)域前增壓區(qū)應(yīng)力集中，對(duì)原第一次支護(hù)造成影響，擴(kuò)巷期間在第一次斷面西幫打設(shè)一排中柱（單體柱+π 鋼，均為一梁三柱），綜掘機(jī)割煤同樣采用先掏柱窩再割煤，之后架設(shè)鋼梁，中間棚腿預(yù)先使用單體柱替換，3～4 m 后再使用單體柱+π 鋼完成管理。

2.4 貫通點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

根據(jù)頂板揭露情況，頂板巖性較差，易破碎，為保證頂板安全，防止在巷道三岔口貫通后頂板失穩(wěn)造成冒頂事故，在一次施工貫通前，使用6 顆單體柱+π 鋼提前對(duì)軌道順槽貫通點(diǎn)巷道中部位置處補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2.5 貫通后注漿加固及補(bǔ)強(qiáng)錨索

貫通后，在貫通點(diǎn)至切眼15 m 范圍內(nèi)注漿加固，設(shè)計(jì)布置14 個(gè)注漿孔，注8 孔，打設(shè)21 根錨索，配與9 根工字鋼管理，如圖3 所示。至此N11511 開(kāi)切眼施工補(bǔ)強(qiáng)全部結(jié)束，切眼內(nèi)共計(jì)打設(shè)單體柱278 根（π 鋼+單體柱，均為一梁三柱），架設(shè)鋼梁384 架，補(bǔ)強(qiáng)錨索57 根，10 根不達(dá)標(biāo)。

圖3 貫通后注漿加固布置及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意Fig.3 Grouting layout and reinforcement support after penetration

3 圍巖穩(wěn)定性控制效果

（1）大斷面掘進(jìn)采用架棚被動(dòng)支護(hù)，在第一次掘進(jìn)中，圍巖應(yīng)力明顯，存在背板折斷、鋼棚承壓變形現(xiàn)象，在50～70 m 局部頂板有淋水情況下，頂板遇水產(chǎn)生膨脹性礦壓，造成該段頂部離矸較多，鋼梁變形量較大，為防止二次擴(kuò)巷時(shí)圍巖應(yīng)力過(guò)大，難于控制，預(yù)先在第一次架設(shè)鋼棚下支設(shè)一排中柱，第二次掘進(jìn)架棚時(shí)，二次擴(kuò)巷中隨著掘進(jìn)斷面變大，圍巖應(yīng)力重新分布，原第一次掘進(jìn)斷面圍巖應(yīng)力明顯變小，第二次掘進(jìn)巷道圍壓整體增高，二次架設(shè)鋼棚變形嚴(yán)重，在補(bǔ)棚、補(bǔ)強(qiáng)單體柱后，得以有效控制。

（2）切眼內(nèi)每30 m 設(shè)置一組圍巖觀測(cè)點(diǎn)，順槽岔口處打設(shè)圍巖觀測(cè)點(diǎn)、頂板離層儀，掘進(jìn)期間每日觀測(cè)底板和開(kāi)切眼兩幫變形量。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，開(kāi)切眼兩幫在30 d 內(nèi)移近量為390 mm，之后逐步趨于穩(wěn)定。圍巖變形曲線(xiàn)如圖4 所示。

圖4 開(kāi)切眼圍巖變形曲線(xiàn)Fig.4 Deformation curve of open-off cut surrounding rock

4 結(jié) 論

（1）將設(shè)計(jì)的支護(hù)方案應(yīng)用到N11511 工作面開(kāi)切眼巷道中，巷道頂板的變形得到有效控制，在施工過(guò)程中，巷道頂?shù)装逡平靠刂圃?00 mm左右，兩幫變形量在390 mm 左右，開(kāi)切眼處于一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定狀態(tài)，可以滿(mǎn)足工作面正常回采的需要。

（2）為了保證支護(hù)設(shè)計(jì)效率，除采用傳統(tǒng)的工程類(lèi)比法和理論分析法確定巷道支護(hù)參數(shù)外，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)情況對(duì)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在評(píng)估支護(hù)效果時(shí)，調(diào)整支護(hù)參數(shù)。