華陽一礦81306回風巷過陷落柱段圍巖控制技術研究及應用

李成峰,段振雄

(山西華陽集團新能股份有限公司一礦,山西 陽泉 045000)

受地質活動影響,煤層賦存條件復雜多變,巷道掘進過程中不可避免地需要穿過斷層、陷落柱等地質構造[1-2],其中陷落柱是局部范圍的石灰巖受地下流水長期溶蝕形成溶洞后在構造應力作用下垮塌而成的不規則圓柱狀體[3]。由于陷落柱段構造應力復雜、圍巖完整性較差,巷道掘進過陷落柱時極易發生較大變形,甚至出現支護結構失效和冒頂、片幫現象,嚴重威脅了礦井生產安全。岳學功[4]基于對漳村礦2802運輸巷過陷落柱段地質條件的分析,采用半圓拱形斷面+U29拱架聯合支護方案有效控制了過陷落柱段巷道圍巖變形。田強等[5]分析了2106膠帶巷過陷落柱時圍巖變形特征,提出了“錨網帶索+工字鋼”優化支護方案。曹義勇[6]提出了縮小棚間距和局部圍巖表面硬化的巷道安全過陷落柱措施。上述研究為回采巷道安全過陷落圍巖控制提供了借鑒。由于煤層賦存條件復雜,陷落柱影響范圍各有不同,在制定針對性控制措施時不能一概而論。本文以華陽一礦81306回風巷為研究對象,基于對過陷落柱段巷道變形特征的分析,采用“錨網索+超前注漿加固”綜合控制方案有效控制了過陷落柱段巷道圍巖變形,為類似工程條件巷道施工提供了一定的參考。

1 工程概況

華陽一礦81306回風巷位于8號煤層十三采區,西為采區邊界,東鄰采區軌道大巷,北為81306進風巷(已施工),南為81304工作面。煤層厚度為6.33～7.27 m,平均厚度6.96 m;傾角為1°～4°,平均傾角3°;煤層結構簡單,賦存穩定,為全區可采厚煤層。81306回風巷采用矩形斷面,斷面尺寸為5 500 mm×3 800 mm(凈寬×凈高),沿煤層底板布置,設計長度為1 850 m.煤層頂底板情況如表1所示。

表1 煤層頂底板情況

根據81304工作面進風巷揭露情況及三維地震資料,81306回風巷預計掘進至287 m和1 162 m處將分別揭露X12和X16陷落柱,其中X12陷落柱預計直徑大小為60 m×38 m,X16陷落柱預計直徑大小為50 m×39 m.為有效控制81306回風巷過X12和X16陷落柱時巷道圍巖變形,確保生產安全,需制定針對性圍巖控制措施。

根據陷落柱與工作面開采所形成的“三帶”(垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶)間的層位關系,可分為“內三帶型”和“外三帶型”陷落柱[7],如圖1所示。由于不同類型陷落柱對回采工作面及巷道影響程度不同,應有針對性地制定陷落柱段圍巖控制措施[8]。通常情況下,“內三帶型”陷落柱與工作面接觸范圍較大,對工作面所造成的影響及威脅更大。根據81304工作面進風巷揭露情況及三維地震資料,預測81306回風巷將揭露的X12和X16陷落柱為“內三帶型”陷落柱。陷落柱影響范圍內巷道圍巖應力環境較為復雜,圍巖完整性和整體性均較差,巷道維護難度大,且易發生支護失效及巷道嚴重變形等問題。因此,在81306回風巷過陷落柱時應制定針對性的圍巖控制措施,確保過陷落柱巷道安全穩定,為工作面安全高效生產奠定基礎。

圖1 陷落柱類型劃分

2 過陷落柱段巷道圍巖綜合控制方案設計

2.1 圍巖注漿強化改性

設計采用圍巖注漿強化改性的方式增強過陷落柱段巷道破碎圍巖完整性,以提高其承載能力。巷道頂板注漿鉆孔深度為5.0 m,注漿管長度為4.0 m,鉆孔間排距為1 000 mm×2 000 mm,每排布置5個注漿鉆孔,其中左右兩邊鉆孔與水平呈75°仰角布置,其余鉆孔垂直頂板布置;巷幫鉆孔深度為4.0 m,每排布置3個,其中頂端鉆孔與水平呈15°仰角布置,底端鉆孔與水平呈15°俯角布置。鉆孔直徑均為42 mm,注漿管采用直徑為38 mm的PVC管,注漿壓力為2.0 MPa.注漿鉆孔布置方式及參數如圖2所示。

圖2 注漿鉆孔布置示意

2.2 加強支護及過陷落柱段巷道表面圍巖硬化

81306回風巷正常段掘進期間采用“錨網+W鋼帶”主動支護方式,由于過陷落柱段巷道圍巖較為破碎,鋼帶無法正常使用,設計采用“補強錨索+錨桿+雙層金屬網”的加強支護方式。具體支護參數為:

1) 正常段支護參數。正常段巷道支護斷面如圖3所示。頂板錨桿采用Φ20 mm×2 200 mm左旋螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×900 mm,每排布置6根,其中左右兩端錨桿在距巷幫500 mm處與水平呈75°仰角布置,其余錨桿垂直頂板布置。幫錨桿采用Φ20 mm×2 200 mm左旋螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×900 mm,每排布置4根,其中頂部錨桿在距頂板550 mm處與水平呈15°仰角布置,底部錨桿在距底板550 mm處與水平呈15°俯角布置。每根錨桿配用2支MS雙速23/120型樹脂錨固劑,錨桿扭矩不小于300 N·m,錨固力不小于100 kN.錨桿托盤選用100 mm×100 mm×8 mm的方形鋼托盤,鋼筋網選用Φ6 mm鋼筋編制而成的菱形金屬網,網孔規格為100 mm×100 mm.頂板鋼帶選用BHW-280-5 000 mm型6孔W鋼帶。

圖3 正常段巷道支護斷面圖(單位:mm)

2) 過陷落柱段加強支護參數。過陷落柱段支護斷面如圖4所示。在正常段巷道支護參數的基礎上,結合過陷落柱段巷道圍巖較為破碎的特征,取消頂板W鋼帶,將頂板及巷幫單層鋼筋網改為雙層鋼筋網,同時在頂板和巷幫補打高預應力錨索進行補強支護。頂錨索采用Φ21.8 mm×6 200 mm高預應力錨索,間排距為1 800 mm×1 800 mm,每排垂直于頂板布置3根。幫錨索采用Φ21.8 mm×4 200 mm高預應力錨索,間排距為1 800 mm×1 800 mm,每排垂直巷幫布置2根,其中上部錨索距頂板1 000 mm,下部錨索距底板1 000 mm.錨索托盤采用300 mm×300 mm×12 mm可調心拱型托板+調心球墊,每根錨索配用3支MS雙速23/120型樹脂錨固劑,錨索預緊力不小于120 kN,錨固力不小于300 kN.

圖4 過陷落柱段巷道支護斷面圖(單位:mm)

此外,在過陷落柱段巷道表面噴射C20混凝土,在巷道表面形成層厚100 mm的混凝土噴層以隔絕瓦斯和防止表面圍巖及支護結構風化氧化。

3 工業性應用

為檢驗提出的“圍巖注漿強化改性+補強錨索加強支護+表層圍巖硬化”圍巖綜合控制方案在華陽一礦81306回風巷過陷落柱段的應用效果,采用十字布點法對81306回風巷過X12陷落柱段圍巖變形進行觀測,其中1號測站位于81306回風巷未揭露X12陷落柱區域,2號測站位于X12陷落柱段,觀測結果如圖5所示。

圖5 巷道不同區段表面位移觀測結果

由圖5可知,正常段和過陷落柱段巷道表面位移隨觀測時間均呈現先快速增大后趨于穩定的變化趨勢,即在0～30 d時間內,巷道表面位移量增長速度較快;在30 d以后,巷道表面位移基本趨于穩定。對比1號和2號測站觀測數據可知,正常段巷道頂底板最大位移量為104.26 mm,兩幫最大移近量為126.82 mm;過陷落柱段巷道頂底板最大位移量為112.35 mm,兩幫最大移近量為146.08 mm。相較于正常段,過陷落柱段巷道頂底板最大位移量僅增大8.09 mm,增長幅度為7.76%;兩幫最大移近量僅增大19.26 mm,增長幅度為15.18%.由此可見,所采用的圍巖綜合控制方案對過陷落柱段巷道圍巖控制效果顯著。

4 結 語

1) 分析指出81306回風巷將揭露的X12和X16陷落柱為“內三帶型”陷落柱,陷落柱段巷道圍巖應力環境復雜、圍巖完整性和整體性均較差,巷道維護難度大,且易發生支護失效及巷道嚴重變形等問題。

2) 提出了“圍巖注漿強化改性+補強錨索加強支護+雙層金屬網+表層圍巖硬化”的過陷落柱段巷道圍巖綜合控制措施,并進行了具體方案設計。

3) 現場應用結果表明:過陷落柱段巷道頂底板最大位移量為112.35 mm,兩幫最大移近量為146.08 mm,相較于正常段,頂底板最大位移量僅增大8.09 mm,增長幅度為7.76%;兩幫最大移近量僅增大19.26 mm,增長幅度為15.18%.過陷落柱段巷道圍巖變形得到了有效控制。