破碎顶板巷道围岩支护技术实践

梁智超

(汾西矿业正旺煤业,山西 孝义 032300)

随着矿井采掘深度不断增加,破碎顶板巷道围岩控制难度也随之增大,成为深部区域煤炭开采需要重点解决的现实问题[1～3]。为此,众多的学者及工程技术人员对破碎顶板巷道围岩变形机理及控制技术进行了研究,其中任硕等[4]针对安阳煤矿1512胶带巷沿5号煤顶板掘进期间面临的顶板岩体破碎、承载能力差、遇水容易膨胀及巷帮煤体破碎、松散等问题,提出以增大锚杆、锚索预紧力并提升支护体护表面积为核心的围岩支护技术,具体采用高预紧力锚杆索+喷浆方式支护围岩,并依据现场条件给出围岩支护技术参数,现场应用后实现了破碎顶板巷道围岩变形的有效控制。刘鹏亮[5]以屯兰矿23011工作面回采巷道在破碎顶板条件下面临的围岩变形量大、支护效果不佳等为背景,采用FLAC3D软件对围岩变形及应力分布特征等进行分析,提出用锚杆索+钢筋网支护方式支护围岩,现场应用后顶板下沉量控制在35 mm以内,实现了破碎顶板巷道围岩变形的有效控制,为采面煤炭安全回采创造了良好条件。聂建斌[6]以13102运输联巷围岩控制为工程背景,分析了地质构造、围岩承载能力低是导致巷道在破碎顶板条件下变形量大的主要原因,提出采用锚网索+高压注浆方式支护围岩,达到提高顶板岩体完整性、强度以及控制围岩变形的目的,工程应用后巷道顶底板、巷帮变形量分别控制在60 mm、70 mm以内。本文在借鉴前人研究成果的基础上,以山西某矿31103工作面运输巷遇破碎顶板围岩控制为工程背景,提出采用锚网索+注浆+喷浆方式支护围岩,现场应用后取得了较为显著的效果。

1 工程概况

1.1 地质概况

31103工作面设计走向、倾向长度分别为1 050 m、210 m.开采的11号煤层厚度均值为3.5 m、倾角3°～6°,煤层基本顶以深灰色的石灰岩为主,厚度均值5 m,节理及裂隙发育,内部含有少量的泥岩、砂质泥岩等;直接顶以灰黑色的泥岩为主,厚度均值2.5 m,质地松软,裂隙发育;直接底为灰色的砂质泥岩,厚度均值3.3 m,强度及承载能力等均较差。

11号煤层顶板特别是直接顶裂隙发育、质地松软,导致回采巷道掘进期间支护难度较大,容易出现顶板离层量大、变形严重等问题,若采用的支护参数不合理极容易出现顶板冒落事故。本文以31103运输巷为工程背景,对破碎顶板巷道围岩支护技术进行分析探讨。

1.2 运输巷围岩变形特征

31103运输巷原设计采用锚杆+锚索+金属网支护方式,具体支护参数为:顶板布置2根规格为Φ22 mm×4 300 mm的钢绞线锚索,按2 500 mm×1 000 mm间排距布置;顶板设计布置6根规格Φ20 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆,按850 mm×1 000 mm间排距布置;巷帮均布置3根规格Φ20 mm×1 800 mm螺纹钢锚杆,按1 000 mm×1 000 mm间排距布置。运输巷掘进过程中在原支护条件下受顶板破碎、直接顶强度低等因素影响,出现巷道成型困难,部分区域顶板离层量、围岩变形量均较大,给运输巷掘进及后续使用等造成严重影响。结合现场调研情况,分析巷道顶板支护难度大、围岩变形破坏严重的主要因素有:

1) 围岩整体强度偏低。已有资料显示,巷道围岩以泥岩、砂质泥岩以及粉砂岩为主,其中泥岩及砂质泥岩抗压强度在31.7 MPa以内、粉砂岩抗压强度在39.8 MPa以内,围岩强度偏低,不利于巷道支护工作开展。

2) 顶板岩体破碎且范围较大。结合顶板钻孔窥视结果,运输巷直接顶(厚度2.5 m左右的泥岩)裂隙发育,呈破碎状态,顶板松动范围超过5.0 m,顶板破碎范围大,导致变形量及离层量控制难度高。

3) 巷道原有支护参数不合理。顶板支护用的锚索长度仅为4 300 mm,锚索锚固端未在顶板稳定岩层中,未能充分发挥锚索悬吊作用;未针对性采取顶板破碎控制措施。

2 破碎顶板巷道支护技术

针对31103运输巷顶板破碎问题,为改善巷道围岩承载能力及结构,确保巷道掘进及后续安全使用,提出采用锚网索+注浆+喷浆方式支护,即综合使用超前注浆、围岩喷浆、长锚索以及滞后注浆方式实现破碎顶板巷道围岩加固、支护等工作。通过注浆提高破碎岩体稳定性,并配合锚喷支护,充分发挥围岩自稳能力以及支护结构围岩控制作用,达到控制破碎顶板巷道围岩变形目的[7-9]。

1) 超前注浆。针对巷道直接顶破碎、容易垮落以及顶板成型困难等问题,在运输巷掘进迎头位置布置倾斜注浆管进行超前注浆,通过注浆压力使浆液在顶板岩体裂隙中扩展形成骨架网络,提高顶板岩体整体稳定性;同时倾斜注浆管也起到了护顶、挑顶效果。在运输巷迎头一排布置4根规格Φ15 mm×6 000 mm的注浆管,按照1 000 mm×2 000 mm间排距布置,注浆选用速凝无机材料,注浆压力设计为4 MPa,采用的速凝无机材料可减少超前注浆对巷道掘进影响,保证巷道掘进进度。

2) 喷浆。为实现破碎围岩及时封闭、增加护表强度并避免滞后注浆出现漏浆、跑浆等问题,在巷道表面进行喷浆。喷射混凝土强度等级C20,喷射厚度控制在50～100 mm.

3) 长锚索支护。为充分发挥顶板锚索悬吊效果,适当增大锚索长度,确保锚索锚固端位于上覆岩层坚硬且稳定的岩层中。运输巷顶板破碎范围约为5.0 m,为此将顶锚索长度由4 300 mm增至6 300 mm.

4) 滞后注浆。为进一步改善巷道围岩整体性,在滞后巷道掘进迎头10～20 m范围内进行滞后注浆。滞后注浆选用注浆锚索并与普通锚索交替布置,即一排普通锚索与一排注浆锚索按照2 500 mm×1 000 mm间排距交替安排。滞后注浆选用的注浆材料为普通硅酸盐水泥,浆液水灰质量比为2∶1,注浆压力控制在3～4 MPa.

具体巷道支护参数为:顶板一排布置2根规格Φ22 mm×6 300 mm的锚索,按2 550 mm×800 mm间排距布置,普通锚索与注浆锚索交替布置;顶板一排布置6根规格为Φ20 mm×2 400 mm的螺纹杆锚杆,按850 mm×800 mm间排距布置;顶板锚杆及锚索均配合W钢带、托盘及金属网提高护表强度,锚杆施加预紧力在300 N·m以上,普通锚索张拉力在200 kN以上、注浆锚索张拉力在150 kN以上。具体巷道支护断面见图1.

图1 巷道支护示意(单位:mm)

3 围岩控制效果分析

在运输巷后续掘进期间采用新的支护方案,并在巷道布置测站对顶板离层、围岩变形情况进行跟踪监测,具体监测结果见图2.从图中看出,通过注浆后顶板岩体整体稳定性及强度得以明显提升,顶板离层量大的问题得以较好解决,其中浅部岩体(0～2.4 m范围)离层量在3 mm以内,顶板岩体总离层量控制在13 mm以内;在监测期间,运输巷顶底板、巷帮位移量分别控制在89 mm、148 mm以内,巷道围岩变形量整体较小。现场应用表明,31103运输巷采用的围岩支护技术方案可满足巷道掘进、后续使用等需要。

图2 围岩变形控制情况

4 结 语

1) 31103运输巷围岩破碎且承载能力较差,顶板松动圈范围在5.0 m左右,导致运输巷围岩变形量大且支护困难。为提高31103运输巷围岩控制效果,结合现场情况提出以充分发挥围岩自身承载能力及支护体系围岩控制效果为核心的围岩支护措施,通过超前注浆、长锚索、喷浆、滞后注浆方式对围岩进行支护。

2) 结合31103运输巷现场条件,对注浆及锚索、喷浆等支护参数进行详细设计并进行工程应用。结果表明,运输巷顶板总离层量控制在13 mm以内,顶底板、巷帮位移量分别控制在89 mm、148 mm以内,表明现场使用的支护措施可实现破碎顶板巷道围岩变形有效控制。