王雍昌

（山西同煤集團虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036010）

破碎硅化煤層巷道的支護問題一直是制約煤礦安全生產(chǎn)的一個重要因素?；鸪蓭r侵入煤層巷道使煤層頂?shù)装宕嘈宰兇?，易碎，裂隙發(fā)育且強度低，同時煤巖體的力學(xué)性能降低，導(dǎo)致錨索、錨桿錨固性差[1-2]。在生產(chǎn)過程中常常造成棚式支護、錨網(wǎng)支護的結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，而導(dǎo)致支護承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞[3]。因此，研究如何提高支護承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力至關(guān)重要。本文以虎龍溝煤礦81511 工作面為工程背景，針對破碎硅化煤層巷道棚-索協(xié)同支護技術(shù)展開研究。

1 工程背景

虎龍溝煤業(yè)公司5#煤層81511 工作面位于東盤區(qū)中部，對應(yīng)地面標(biāo)高1327～1483 m，巷道標(biāo)高1064～1076 m。煤層埋深呈南淺北深，總厚度在29.15～30.24 m 之間，上部被火成巖順層侵蝕，其下部正常煤層厚度在9.08～11.21 m 之間，傾角3～5°，平均4°，煤質(zhì)穩(wěn)定，硬度極硬，普氏硬度為4.5，平均密度為1.4 t/m3。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度變化穩(wěn)定，以暗淡型為主，上部為硅化煤，中間夾5～10 層夾矸，夾矸為煌斑巖和泥巖。煤層直接頂為13.15～15.91 m 的細砂巖，基本頂為8.68～12.20 m 的高嶺石，直接底為1.34～2.0 m 的高嶺質(zhì)泥巖。

2 火成巖對煤體的影響

2.1 火成巖侵入形式

在工作面的上方火成巖侵入影響比較嚴重，其主要呈巖床式順層侵入，使得附近煤層變質(zhì)，且附近煤層較疏松。

巖漿巖在侵入煤體的過程中除了會引起煤體的大范圍變質(zhì)外，還會對煤層進行吞噬和替代，導(dǎo)致原來結(jié)構(gòu)單一且煤質(zhì)正常的煤巖體發(fā)展成為包含煌斑巖、硅化煤和正常煤等多種成分混雜的煤巖體。

在現(xiàn)場利用RBST 巖石鉆孔剪切測試儀對受火成巖侵入范圍內(nèi)外巖體的抗剪強度進行測試。結(jié)果表明：煤體在受到火成巖侵入后，會變得硅化而且易碎，黏聚力為1 MPa，相對于原煤降低了52.4%，內(nèi)摩擦角較原煤降低了26.1%，可見火成巖的侵入對煤體自身強度的影響很大。因此，隨著煤體強度的大幅度降低其變得異常松軟破碎，在后期的采掘影響下，巷道圍巖的變形量也會隨之增大。

2.2 巷道變形特征

受火成巖侵入影響，煤巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)疏松的硅化煤、煌斑巖內(nèi)部有很多裂隙，局部可能毫無內(nèi)聚力，在采動影響作用下，巷道內(nèi)的松散煤巖體內(nèi)部可能會發(fā)生微裂隙的貫通，塊體沿宏、微觀結(jié)構(gòu)面滑移。

煤巷頂板若發(fā)生火成巖單層侵入時，其附近會形成軟弱易碎的硅化煤，形成的硅化煤相當(dāng)于一層軟弱夾層存在于巷道頂板中。當(dāng)硅化煤層距離巷道較近時，很容易發(fā)生離層而出現(xiàn)頂板垮冒現(xiàn)象（如圖1 所示）；當(dāng)硅化煤層距離巷道較遠時，對頂板淺部的圍巖承載能力影響不大，但是由軟弱易碎的硅化煤所組成的軟弱夾層仍然容易出現(xiàn)離層，如果受到采動高應(yīng)力作用時，頂板控制不當(dāng)，將導(dǎo)致圍巖發(fā)生逐層垮冒。

圖1 火成巖侵入巷道頂板垮冒形態(tài)

3 圍巖松動圈探測

巷道圍巖松動圈的大小決定了巷道變形量的大小，通過對圍巖松動圈的探測可為巷道支護提供參考。為了確定81511 工作面回風(fēng)巷道松動圈的范圍，優(yōu)化錨索的支護參數(shù)，采用地質(zhì)雷達對81511 工作面回風(fēng)巷附近的一次維修巷道和二次維修巷道的松動圈進行探測。測試過程中排除U 型鋼、工字鋼等影響，結(jié)果如圖2、圖3 所示。

從圖2 可看出，一次維修巷道的拱底中部較完整，兩端的破碎深度較大，大約2.5 m，拱頂至左幫這一范圍破碎深度較大，其中拱頂達到了4.1 m，右?guī)洼^小，約2.6 m。從圖3 可看出，二次維修巷道的左幫至拱頂?shù)钠扑閹Х秶鄬τ谝淮尉S修巷道增大了很多，其中左肩窩處達到了5.9 m，左幫達到了4.3 m。說明在4.3～5.9 m 范圍內(nèi)的巖體中存在裂隙帶，且比較密集。底板兩端處破碎帶范圍有所增大，中部較淺，約1.3 m。

從圖中可知81511 工作面回風(fēng)巷除底板的破碎深度較小以外，其他位置的破環(huán)深度都達到了2.0 m以上，屬于大松動圈極不穩(wěn)定圍巖。

圖2 一次維修巷道松動圈圖

圖3 二次維修巷道松動圈圖

4 支護方案

在確定了81511 工作面巷道破環(huán)機理和松動圈類型的基礎(chǔ)上，提出了棚-索協(xié)同支護方案。利用U 型鋼的高阻可縮性控制淺部圍巖的剪漲變形從而實現(xiàn)對圍巖的基本支護。在基本支護的基礎(chǔ)上，在支架關(guān)鍵部位施加錨索對其進行補償支護，使主動支護與被動支護耦合，從而發(fā)揮深部巖體的承載能力，提高U 型鋼支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4.1 基本支護

基本支護采用36U 型鋼支架支護，棚間距600 mm。對U 型鋼進行固定時使用1 副普通雙槽夾板卡纜和2 副雙槽夾板限位卡纜，卡纜預(yù)緊力矩不低于300 N·m。

為了能夠提高支架的承載能力，在基本支護后再進行壁后注漿。注漿不僅可以改善支架與圍巖的相互作用關(guān)系，還可以將破碎的巖體膠結(jié)起來，提高圍巖強度和完整性。

4.2 二次補償支護

通過對巷道圍巖松動圈的探測可知，影響支架穩(wěn)定性的關(guān)鍵部位是拱頂至左幫部位和底角位置，因此需要在U 型鋼支架的關(guān)鍵部位施工錨索進行補償支護，提高支架穩(wěn)定性。為控制巷道底鼓，還需在巷道底板施加錨索。

根據(jù)圍巖松動圈的探測結(jié)果：一次維修巷道的拱底兩端的破碎深度較大，大約2.5 m，最大處拱頂達到了4.1 m；二次維修巷道左肩窩處松動圈達到了5.9 m，左幫達到了4.3 m，底板中部較淺，約1.3 m。因此，補償支護的錨索長度：支架的拱底至左幫部位選用長度為6100 mm 的錨索，底板選用長3400 mm 錨索。

二次補償支護參數(shù)：所有使用的錨索均為抗拉強度為1860 MPa 的鋼絞線。底板選用Ф17.8 mm×3400 mm 的錨索，間排距2500 mm×1000 mm；兩幫和肩窩處用Ф17.8 mm×6100 mm 的錨索，間排距1500 mm×1000 mm。錨索的錨固長度約1.8 m，錨固劑使用1 支K2350 樹脂錨固劑、2支Z2350 樹脂錨固劑。補償支護要求錨索預(yù)緊力不低于100 kN。錨索托梁可以使用廢舊的U 型鋼加工而來。巷道支護斷面如圖4 所示。

圖4 巷道支護斷面圖

4.3 支護效果

采用十字布點法對巷道的頂?shù)装逡平窟M行監(jiān)測。巷道共布置10 個測站，每個測站相距50 m。監(jiān)測起始時間為支護工作完成后。其中5#測站的監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 5#測站巷道表面位移

從圖中可看出，在25 d 時，及時采取二次支護措施后，工作面巷道頂?shù)装逡七M速度明顯下降，并趨于穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的底鼓現(xiàn)象，可見棚-索協(xié)同支護技術(shù)能夠有效地控制破碎硅化煤層巷道圍巖的變形。

5 結(jié)論

（1）棚-索協(xié)同支護技術(shù)主要是先利用U 型鋼支架控制幫底及淺部圍巖的剪漲變形，然后利用錨索對支架關(guān)鍵部位進行補償支護，提高U 型鋼支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（2）采用棚-索協(xié)同支護技術(shù)后，巷道頂?shù)装逡七M速度明顯下降，整體位移量穩(wěn)定在10 mm 以內(nèi)，沒有明顯的底鼓現(xiàn)象。

（3）針對虎龍溝煤礦破碎硅化煤層巷道支護的研究表明，棚-索協(xié)同支護技術(shù)可有效地控制巷道圍巖變形，研究結(jié)果可為相似礦井的巷道支護提供參考。