朱德智

(晉能控股煤業(yè)集團成莊煤礦,山西 晉城 048021)

1 工程概況

1.1 工程背景

隨著開采的不斷深入,礦井東區(qū)3#煤層資源逐漸枯竭,五盤區(qū)成為成莊礦的主要生產盤區(qū)。2016年開始掘進五盤區(qū)北翼集中膠帶巷和回風巷,初始采用錨網支護、錨索補強的方式,掘進400 m以后兩條巷道礦壓顯現明顯,短時間內產生較大變形。頂板離層儀監(jiān)測發(fā)現,兩條巷道淺部和深部均產生不同程度離層,淺部離層值達到130 mm,深部離層值達到65 mm。為保證安全開采,采用錨索和單體支柱對變形嚴重段頂板進行了補強支護,但圍巖變形仍未得到有效控制,頂板仍未完全穩(wěn)定。隨后對新掘進巷道頂板支護方式作了多次修改,加強支護后巷道掘進一段時間仍出現頂板離層儀監(jiān)測值大面積達到警戒值的情況。

與礦井其他區(qū)域相比,五盤區(qū)北翼地質條件顯得極為異常,其他區(qū)域采用類似的支護參數從未出現過如此強烈的礦壓顯現。在復雜地段,因區(qū)域煤層沉積環(huán)境改變,特別是煤層頂板圍巖沉積環(huán)境變化,導致煤層厚度、煤層結構及頂板巖層結構和性質受到影響,給巷道支護方式的選擇造成了困擾。傳統(tǒng)的頂板支護設計是根據地質鉆孔資料并參照已有巷道的支護方式,采用工程類比法進行。但由于局部區(qū)域基礎地質資料與實際情況差別較大,對支護對象的穩(wěn)定性缺乏科學有效的分析,因此需要根據頂板圍巖穩(wěn)定性分析結果及時修正支護設計,提出針對性措施來增強支護可靠性,解決五盤區(qū)北翼巷道支護難題。

本文以五盤區(qū)北翼巷道為研究對象,采用鉆探取芯、鉆孔窺視和強度測試等方法系統(tǒng)分析了頂板穩(wěn)定性,并開展了復合軟巖頂板變形控制的研究,以期為類似地質條件礦山的安全開采提供參考。

1.2 五盤區(qū)北翼地質概況

1.2.1五盤區(qū)北翼頂板結構

地質資料顯示,北翼集中巷掘進區(qū)域3#煤層老頂為砂質泥巖,黑色,層理清楚,質不堅,巖芯堅硬,完整,局部質不堅,夾薄層細砂巖及泥巖,富含植物化石碎片,下部見細粒砂巖約0.8 m,巖芯灰色,含石英、長石,巖芯堅硬;直接頂為砂質泥巖,黑色,質軟不堅硬,層理發(fā)育,巖芯堅硬,完整,平均厚度為6.22 m。五盤區(qū)北翼綜合柱狀圖見圖1所示。

圖1 五盤區(qū)北翼綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of thenorth wing of No.5 panel

1.2.2五盤區(qū)北翼頂板取芯結果

對復雜地段的煤層頂板進行鉆探取芯,通過取芯可以對圍巖的地質特征(層數、厚度、性質、硬度等分布規(guī)律)進行直接觀測。五盤區(qū)北翼頂板取芯結果如圖2所示。3#煤層頂板10 m范圍內包含砂巖、砂質泥巖、煤、泥巖、炭質泥巖等5種巖性,相互交錯,其中硬度稍大的砂巖共有3層,累計層厚只有3.2 m。取芯結論為3#煤層頂板10 m范圍內以泥巖為主,共分為9層,軟硬相間,結構復雜。

圖2 五盤區(qū)北翼頂板取芯結果示意圖Fig.2 Results of drilling core from the roof in the north wing of No.5 panel

1.2.3頂板窺視情況

為查明巷道變形層位,探明頂板結構,采用鉆孔窺視儀對巷道頂板進行窺視。鉆孔孔壁觀察采用礦用小孔徑全景電子窺視儀進行煤巖體結構觀察。典型窺視結果如圖3所示。從窺視圖片發(fā)現,巷道頂板以上0.5,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.15,1.3,1.75,2.0～2.1,2.4,2.6,3.3 m處出現了明顯的層理擴張,頂板變形處孔口以里1 000 mm范圍內的孔壁十分破碎,多條橫向和縱向裂隙發(fā)育,裂隙開度較大,4 000 mm以下的孔壁可見十多處橫向裂隙,位于2 m處的煤線位置孔壁很破碎;4 m以上圍巖完整性較好。

圖3 集中回風巷頂板鉆孔窺視結果Fig.3 Peeping results of roof in centralized return air roadway

1.2.4五盤區(qū)北翼地質力學測試結果

近年來相關科研單位對成莊礦各盤區(qū)進行了地質力學參數測試。通過地應力測試,較為準確地掌握了成莊礦地應力分布特征與規(guī)律,為巷道支護提供了較為詳實的地應力基礎數據。測試所用儀器為SYY-56型小孔徑水壓致裂地應力測量裝置。該裝置采用小直徑鉆孔(58 mm),可在井下進行快速、大面積的地應力測量,并且同一鉆孔還可以用于圍巖強度測量。

四盤區(qū)6個測站的測試結果如下:四盤區(qū)3#煤層直接頂為砂質泥巖,強度大部分集中在30～55 MPa之間,平均強度為44.35 MPa;老頂為中-細砂巖,中厚層狀,強度大部分集中在80～120 MPa之間,平均強度為93.07 MPa;3#煤層中含有夾矸,完整性普遍較好,平均強度為20.58 MPa,煤層中硬。區(qū)域最大水平主應力為19.16 MPa,垂直應力為12.63 MPa,最小水平主應力為10.01 MPa。

在頂板取芯和鉆孔窺視的基礎上,對五盤區(qū)北翼集中巷進行了地質力學測試,測試結果如下:測試區(qū)域直接頂強度極低,大部區(qū)域因破碎無法測出強度,老頂平均強度43 MPa,煤層平均強度為17.1 MPa,開采條件較差。區(qū)域最大水平主應力為15.29 MPa,垂直應力為12.01 MPa,最小水平主應力為8.31 MPa,整體上屬于中等地應力場,應力小于礦井其他區(qū)域。

對比地質力學測試結果發(fā)現,礦井3#煤層總體來說都屬于中等應力區(qū),四盤區(qū)地應力稍大于五盤區(qū),但四盤區(qū)無論是煤層、直接頂還是老頂在硬度、完整性和穩(wěn)定性上都明顯優(yōu)于五盤區(qū)。通過測試結論結合現場巷道控制難度分析可知,導致五盤區(qū)北翼巷道穩(wěn)定性差的關鍵因素是頂板結構復雜且強度較低。結構越復雜,頂板越容易出現不連續(xù)變形,即產生離層現象,尤其是軟弱和堅硬的相間復合結構;同時,強度越低,受壓時越容易產生裂隙,穩(wěn)定性越差。

2)恒溫熱風干燥：文獻[9]的研究顯示，裝載厚度在一定范圍內對干燥速率的影響不大。因此，本試驗的影響因子取溫度和風速。溫度取4個水平：45，55，65，75℃，能保證辣椒干燥后的質量良好；風速取3個水平：0.6，1.2，1.8m/s，能較好反應風速的影響程度；裝載厚度取單層(10mm左右)，即辣椒單層平鋪在網狀托盤上。

2 五盤區(qū)北翼集中巷巷道變形監(jiān)測及原因分析

2.1 巷道變形破壞特征

五盤區(qū)北翼集中巷2016年1月開始施工,截止2016年6月底集中膠帶巷施工至1 300 m處,回風巷施工至1 000 m處,掘進過程中兩巷自400 m左右開始出現頂板離層儀大面積警戒現象。5月初兩巷頂板同時改為全錨索支護(膠帶巷812 m處,回風巷538 m處),兩巷5#橫川至14#橫川之間的540 m范圍內,膠帶巷有460 m 變形嚴重,回風巷有70 m變形嚴重。統(tǒng)計資料顯示,在巷道開始掘進的6個月之內,集中膠帶巷43個離層儀中有15個離層儀顯示頂板總離層值接近或超過50 mm,集中回風巷29個離層儀中7個離層儀顯示頂板總離層值接近或超過50 mm。

北翼集中巷初始設計采用錨網索支護,巷道頂板支護平面圖,如圖4所示。改用7.4 m全錨索支護后,頂板管控效果增強,變形段減少,但隨著巷道繼續(xù)向前掘進,頂板離層儀又出現了大面積離層警戒的狀況。全錨索支護段巷道頂板支護平面圖,如圖5所示。

圖4 北翼集中巷頂板支護方案一(錨桿支護)Fig.4 Roof support I of centralized roadway in the north wing (bolt support)

圖5 北翼集中巷頂板支護方案二(7.4 m全錨索)Fig.5 Roof support II of centralized roadway in the north wing (7.4 m anchor cable support)

2.2 巷道變形原因分析

通過現場調查和窺視結果分析,北翼集中巷離層較大的主要原因如下。

1)頂板圍巖分層現象明顯。頂板圍巖局部有破碎巖層,破碎巖層在巷道開挖后容易產生離層;破碎巖層與完整巖層形成的復合頂板在受到水平應力擠壓作用下易產生分離,即不連續(xù)、不協調變形,離層基本都分布在復合巖層交界面處。軟巖巷道頂板在高水平應力作用下,沿層理面張開、滑動,并逐步向巷道內凸起,形成V形擠壓式變形破壞。拉伸破壞在整個頂板圍巖的破壞模式發(fā)揮主導作用[1-2]。

2)圍巖軟弱、易風化。巷道圍巖以泥巖為主,強度低、易風化,尤其是頂板淺部泥巖產生風化易導致泥巖產生碎脹變形,從而加劇淺部圍巖離層[3-4]。

3)對巷道淺部的支護強度不夠。錨索預緊力無法阻止巖層原生裂隙的擴張,改用全錨索支護后,雖然預緊力和支護密度提高,但錨索自由段過長,巷道頂板仍然出現了由表及里的離層[5-6]。

3 長短錨索支護技術

3.1 53183巷概況

53183巷斷面尺寸為5 000 mm×3 200 mm(寬×高),根據北翼集中巷支護參數和巷道變形情況,巷道頂板支護設計經過多次調整后采用如下支護參數,即全錨索支護,每排5根錨索,錨索長度7 400 mm,每排錨索之間進行錨索補強,每排補強2根,錨索長度7 400 mm。巷道頂板支護方式平面圖,如圖6所示。巷道掘進后局部區(qū)域仍出現了離層儀淺部基點的離層值在短時間內就達到黃色警戒線的狀況。

圖6 53183巷頂板支護方式平面圖Fig.6 Roof support of No.53183 roadway

為考察巷道頂板圍巖變形情況,在巷道沿途頂板離層儀附近進行窺視。整體來看,53183巷頂板離層主要以淺部離層為主,淺部離層主要分布在1.6 m范圍內,其他層位離層不明顯,深部基點離層值增加不大。除此之外,為驗證窺視結論,同時增加監(jiān)測頻度,掘進過程中增加了部分淺部離層測點,對1.5 m范圍內的頂板變化情況加強了礦壓監(jiān)測。通過對離層儀、淺部離層測點和窺視數據進行對比分析,驗證了窺視結論。

3.2 改進方案

53183巷7.4 m全錨索支護效果表明,不考慮錨索的預應力而一味增加錨索長度,不會取得明顯效果。為了增加巷道淺部圍巖的支護強度,再次調整支護方案,嘗試采用高預應力的短錨索支護方式。采用長短錨索結合的支護方式控制頂板,將每排鋼帶處的5根長度為7 400 mm的錨索更換為長度4 300 mm的錨索,鋼帶之間的2根7 400 mm錨索參數不變,頂板采用雙層網片護表,內層為塑料網,外層使用鋼筋網,長短錨索在圍巖內部形成兩層網狀骨架結構。長短錨索結合的頂板支護方式平面圖,如圖7所示。

圖7 長短錨索結合的頂板支護方式平面圖Fig.7 Roof support combined with long and short anchor cables

3.3 支護效果分析

53183巷和剩余的兩條順槽采用長短錨索結合的支護方式后,頂板離層值顯著減少。在工作面巷道掘進期間,對巷道表面位移進行現場觀測,結果如圖8所示。53181/2巷采用該支護方式后頂板下沉量基本控制在40 mm以內,3 000 m長的巷道沿途114個離層儀中僅有兩個頂板離層儀淺部基點監(jiān)測值接近40 mm。

(a)測點1

(b)測點2圖8 53182巷位移監(jiān)測結果Fig.8 Displacement of No.53182 roadway

3.4 經濟效益

五盤區(qū)北翼軟巖復合頂板在支護過程中多次調整支護方式,從原始的錨桿支護、錨索補強到全部采用7 400 mm的長錨索支護,均出現了離層儀大面積出現警戒的現象。采用長短錨索結合的支護方式有以下明顯的優(yōu)點:

1)安全性提高。為保證安全,相臨的北翼集中巷絕大部分區(qū)域不得不在錨網支護的基礎上采用單體柱架棚補強。經統(tǒng)計,五盤區(qū)北翼集中巷已累計投入單體柱4 900根。而53181/2巷自2017年9月開始掘進至回采結束,巷道控制效果明顯改善,取消了單體柱架棚支護,滿足了設備安裝和運輸工作需要。

2)經濟效益改善。7 400 mm錨索單價為268元,4 300 mm錨索單價為221元,每排使用錨索6根,每米巷道節(jié)省材料費282元,53181/2巷及其橫川采用該支護方式累計掘進約4 000 m,僅支護材料已累計降低成本費用約112.8萬元。

4 結論

1)通過掘進過程中收集支護鉆孔反饋的異常信息,采用取芯、窺視、強度測試等手段對頂板穩(wěn)定性進行綜合分析,可以及時發(fā)現支護對象存在的問題,調整合理的支護層位。

2)采用長短錨索相結合的支護方式控制厚層軟巖復合頂板變形。在相同的預緊力條件下,錨索長度減小后預應力擴散范圍減小,但可以增加巷道表層的支護強度。頂板控制效果增強,頂板下沉量由超過100 mm減小到30 mm左右。

3)頂板采用雙層網片護表,內層采用塑料網,外層使用鋼筋網,增強了錨索支護組合構件的強度,減少了網兜,有利于預應力的保持及擴散,錨索支護整體性增強。