張愛軍,張廣杰,王 文

(1.潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦,山西 長治 046031; 2.河南理工大學(xué) 河南理工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,河南 焦作 454003;3.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454003)

回采巷道在煤礦開采期間所扮演的角色異常重要,其作用不單用于通風(fēng),而且還是運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵性通道,對礦井安全生產(chǎn)具有重要作用。受工作面動壓的持續(xù)性影響,巷道易發(fā)生較大的破壞,致使巷道難以維護(hù),為確保工作面超前一定距離內(nèi)巷道整體穩(wěn)定,需對其支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)化[1]。當(dāng)前大多數(shù)煤礦仍是利用單體柱或超前支架進(jìn)行支護(hù)[2],該種支護(hù)主要存在支護(hù)強(qiáng)度弱、工效低、勞動強(qiáng)度高、操作繁瑣、反復(fù)升降后使得頂板破碎、錨桿(索)失效等問題[3]。因此,如何解決工作面超前支護(hù)問題是當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

近些年不少的學(xué)者對回采巷道超前支護(hù)作了大量的科研工作,王國法等[4-5]基于強(qiáng)耦合、超前支護(hù)力學(xué)特征開發(fā)出能夠滿足高強(qiáng)度開采條件下巷道的超前支架。蘇高峰[6]系統(tǒng)研究了巷道主動超前支護(hù)原理,提出高摻粉煤灰—水泥漿體超前注漿加固技術(shù),現(xiàn)場實(shí)施效果良好。郭文彬[7]、何富連[8]、王根盛[9]、徐亞民[10]、高喜才[11]等基于特殊地質(zhì)條件下巷道超前支護(hù)不易控制的難題,研制出能夠滿足該條件下的超前支架及其液壓支護(hù)系統(tǒng)。龍景奎等[12-13]基于深井巷道超前難以支護(hù)的問題,通過現(xiàn)場采用錨索梁支護(hù)試驗后,其效果與超前單體柱或超前支架支護(hù)效果一致。王琦等[14]針對特厚煤層綜放面回采巷道超前支護(hù)效率低下且維護(hù)困難的問題,基于巷道圍巖與支護(hù)裝置相互作用機(jī)理,提出超前無反復(fù)協(xié)同支護(hù)技術(shù),現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。謝龍等[15]通過理論分析和數(shù)值模擬研究了不同注漿參數(shù)下漿液擴(kuò)散規(guī)律,提出采用注漿錨索替代單體柱或超前支架的方法。王宜清等[16]基于厚硬頂版條件下工作面超前支護(hù)繁瑣且工效低的問題,通過計算出超前支承壓力,認(rèn)為分區(qū)域主動式超前支護(hù)可解決該問題,并在現(xiàn)場進(jìn)行了工程實(shí)踐。何團(tuán)等[17]針對回采巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的情況,通過實(shí)施深孔切頂爆破降低超前支護(hù)壓力,現(xiàn)場實(shí)踐效果良好。王方田等[18]利用模擬軟件研究補(bǔ)強(qiáng)錨索與單體柱支護(hù)時巷道損傷破壞特征,而程志斌等[19]則認(rèn)為組合錨索具有“應(yīng)力柱”效應(yīng)。

上述研究在主(如錨索)、被(如單體柱、超前支架)動超前支護(hù)控制的領(lǐng)域比較豐富,而不同地質(zhì)條件下現(xiàn)場實(shí)施時差異性較大。所以本文基于王莊煤礦8105工作面的地質(zhì)特征,通過分析回采巷道變形特征,基于錨注支護(hù)技術(shù)原理,提出巷道超前自承壓支護(hù)技術(shù)方案,現(xiàn)場實(shí)踐后可滿足安全生產(chǎn)要求。

1 工程背景

8105工作面位于81采區(qū),西接540膠帶大巷,北為8103采空區(qū),南為8106采空區(qū),東為實(shí)體煤。開采3號煤層,平均煤厚5.9 m,煤層綜合柱狀如圖1所示。煤層具有爆炸性,為不易自燃煤層。工作面埋深448～479 m,采用綜放開采的采煤方式。且該礦屬高瓦斯礦井。

圖1 工作面綜合柱狀Fig.1 Comprehensive histogram of working face

以往工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷均采用“單體柱+Π型梁”支護(hù)?；仫L(fēng)巷超前支護(hù)長度不少于50 m,單體柱棚間距0.6 m,其布置形式為“一梁四柱”。運(yùn)輸巷超前支護(hù)長度不少于40 m,單體柱棚間距0.8m,其布置形式為“一梁三柱”。回采期間超前范圍內(nèi)兩巷變形破壞較為嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為頂板整體下沉、兩幫鼓出、底鼓量大,變形量高達(dá)0.8～1.0 m。因此,該種支護(hù)方式存在勞動強(qiáng)度大、適用性較差、巷道返修工作量大、安全性低等問題,維護(hù)成本高,嚴(yán)重影響了工作面正常的安全回采。

2 超前支護(hù)區(qū)自承壓支護(hù)技術(shù)原理

2.1 回采巷道超前變形特征

對于工作面回采巷道超前段,在其傾向方向上,工作面端部會形成弧形三角板,但弧形三角板與工作面內(nèi)部上覆巖層仍會形成鉸接砌體梁結(jié)構(gòu),在其形成期間,砌體梁所在巖層及其所承擔(dān)荷載一部分通過巖塊A傳遞至工作面?zhèn)认蛎褐鶅?nèi),另一部分通過B、C傳遞至采空區(qū),而回采巷道正處于A巖塊下方,因此,巷道變形主要受巖塊A運(yùn)動的影響,即在工作面后方。在工作面走向方向上,其覆巖結(jié)構(gòu)仍為砌體梁結(jié)構(gòu),其本質(zhì)與工作面?zhèn)认蚪Y(jié)構(gòu)相同,砌體梁結(jié)構(gòu)及其承載巖層荷載仍需要通過巖塊部分傳遞至工作面前方煤體,與側(cè)向不同的是,應(yīng)力拱的后拱腳一般經(jīng)過已垮落在采空的5～7塊巖層傳遞至采空區(qū),也是在工作面后方60～80 m應(yīng)力基本恢復(fù)至原巖應(yīng)力。

弧形三角板形成過程如圖2所示,回采巷道超前變形主要受結(jié)構(gòu)塊及其覆巖運(yùn)動的影響,該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)弧形三角板狀態(tài),即abc塊體,斷裂線ac會超前工作面一定距離形成,但并非貫通裂隙。因此,巷道變形的主因是工作面覆巖破斷形成砌體梁結(jié)構(gòu),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層荷載傳遞至工作面前方形成超前支承壓力,在巖塊向下運(yùn)動和超前應(yīng)力的共同影響下引起巷道變形。

圖2 弧形三角板形成過程Fig.2 Formation process of arc-shaped triangular plates

根據(jù)超前支承壓力數(shù)值模擬結(jié)果顯示,在工作面超前10.5～16 m區(qū)域內(nèi)發(fā)生應(yīng)力集中,應(yīng)力峰值位置約在12.5 m處,應(yīng)力值38.5 MPa。在0～4 m內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)(煤體破裂區(qū)),應(yīng)力值要比原巖應(yīng)力小,應(yīng)力值為5～16 MPa;在4.0～12.5 m內(nèi)應(yīng)力值從原巖應(yīng)力16.3 MPa逐漸增加至應(yīng)力峰值38.5 MPa,即煤體塑性區(qū),應(yīng)力集中系數(shù)2.36;隨著垂直應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移,在15.5～60.0 m內(nèi)應(yīng)力值從峰值38.2 MPa逐漸減小至16.5 MPa,即煤體的彈性區(qū)應(yīng)力升高部分;在60 m及以外的范圍,應(yīng)力值基本與原巖應(yīng)力一致,即煤體的原始應(yīng)力區(qū)。

2.2 錨注支護(hù)技術(shù)原理

采用注漿錨索式超前支護(hù)技術(shù)作為超前段加強(qiáng)支護(hù)工藝,注漿后可將淺部圍巖破碎區(qū)膠結(jié)成完整性較好的膠結(jié)體,其力學(xué)性能得到一定的增強(qiáng),提高了整體抗破壞能力,在原錨桿支護(hù)作用下其穩(wěn)定性進(jìn)一步提升;深部圍巖在注漿的作用下完整性及強(qiáng)度也提升,成為注漿錨索的可靠錨固體,在注漿錨索與深部圍巖注漿加固有效結(jié)合下控制深部圍巖的同時,也實(shí)現(xiàn)了淺部錨桿與注漿組合結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性控制。在注漿錨索、錨桿及注漿三者綜合加固作用下,巷道頂板圍巖整體性及強(qiáng)度得到提升的同時,深淺部加固結(jié)構(gòu)體互為承載體控制了巷道圍巖整體穩(wěn)定性[20]。注漿錨索加固機(jī)理如圖3所示。

圖3 注漿錨索式加固機(jī)理Fig.3 Grouting anchor cable reinforcement mechanism

(1)提高巷道圍巖完整性及強(qiáng)度。使得巖體強(qiáng)度及剛度也得到一定程度提高,也增加了圍巖自承能力,原頂板圍巖破碎區(qū)域的自承能力得以增加的同時也是巷道整體支護(hù)體系的一部分,注漿改善后的圍巖與外部支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用,大幅增加了巷道整體穩(wěn)定。注漿強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度特性如圖4所示。改善圍巖賦存環(huán)境,圍巖若長期與空氣中水分接觸將會出現(xiàn)一定的軟化反應(yīng),使得頂板力學(xué)性能降低;同時可能產(chǎn)生一定的化學(xué)反應(yīng),使得圍巖內(nèi)部礦物組成或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,從而降低圍巖力學(xué)性能。

圖4 注漿提高圍巖完整性示意Fig.4 Schematic diagram of grouting to improve the integrity of surrounding rock

(2)改善圍巖錨固承載性能。漿液固化結(jié)構(gòu)體將裂隙張開兩壁膠結(jié)在一起,由于圍巖內(nèi)部裂隙分布的不規(guī)律性,使得漿液固化體在圍巖內(nèi)部形成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(骨架承載結(jié)構(gòu)),可提高巷道圍巖整體強(qiáng)度。全錨改善了端錨受力時對圍巖變形及離層的敏感度,對巖層錯動變形具有更快的反應(yīng)速度,與索體協(xié)同作用抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步提升,能及時有效抑制巖層錯動及離層,進(jìn)一步提升巷道圍巖穩(wěn)定性。提高加固拱(頂)厚度,有效承載上部圍巖所傳遞的壓力。

(3)改善圍巖應(yīng)力環(huán)境。實(shí)現(xiàn)巷道主動式支護(hù),使得巷道圍巖恢復(fù)“三向應(yīng)力”狀態(tài),有效抑制了圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育,并增強(qiáng)其完整性,同時在錨固區(qū)域形成剛度較大的預(yù)緊力承載結(jié)構(gòu),有效治理了巷道變形問題。且頂板應(yīng)力狀態(tài)得以改善,錨索預(yù)緊力通過托盤、鋼帶等構(gòu)件擴(kuò)散至錨索周邊圍巖中,改善了巷道頂板圍巖應(yīng)力狀態(tài),使得巷道頂板圍巖內(nèi)部拉伸破壞大幅度減少,同時減弱了巷道支護(hù)死角區(qū)域——頂角的應(yīng)力集中程度,采用高預(yù)緊力錨索進(jìn)行支護(hù)可有效控制頂板離層,避免了頂板巖層持續(xù)深入破壞,抑制了巷道圍巖變形破壞,保證了頂板完整。

(4)巷道錨索注漿加固時機(jī)。根據(jù)巷道頂板圍巖裂隙發(fā)育情況和超前支承壓力的影響確定注漿時機(jī),一種情況是巷道頂板較為發(fā)育時在巷道支護(hù)后即可開展注漿工作,另一種情況是超前支承壓力造成巷道頂板裂隙發(fā)育情況。根據(jù)王莊煤礦超前支承壓力分布情況,其影響范圍一般達(dá)到45～55 m,注漿時機(jī)是裂隙初始發(fā)育而為完全發(fā)育時,受超前支承壓力產(chǎn)生裂隙時注漿應(yīng)在工作面前方40～45 m開始,防止頂板裂隙進(jìn)一步發(fā)展。

3 巷道超前自承壓支護(hù)方案

注漿錨索超前支護(hù)技術(shù)使得錨索受力狀態(tài)得到了較好的改善,也使其能夠承受圍巖破碎,并及時向圍巖提供支護(hù)阻力。注漿加固是因漿液滲透、壓入到煤巖體中并與錨索有機(jī)結(jié)合為整體,提升了圍巖自承能力。尤其是圍巖裂隙發(fā)育且松動區(qū)域較大的條件下,錨索在此情況下無法形成有效的著力基礎(chǔ),錨固作用效果也無法有效發(fā)揮,而錨注能夠大幅增加強(qiáng)動壓且破碎巷道的支護(hù)效果與圍巖穩(wěn)定性。

錨索與圍巖形成整體后支護(hù)效果可以充分發(fā)揮,也是有效可靠的組合拱;并且錨桿、注漿加固圈均可及時承載,合理控制時間能同時到承載極限,二者重合區(qū)域?qū)⒒ハ鄰?qiáng)化,其承載力比各自承載力之和還要大。巷道頂板圍巖整體性及強(qiáng)度得到提升的同時,深部與淺部加固結(jié)構(gòu)體互為承載體控制了巷道圍巖整體穩(wěn)定性。

3.1 超前支護(hù)圍巖控制基本思路

通過對8105工作面運(yùn)輸巷開采條件進(jìn)行分析,提出在運(yùn)輸巷超前段采用注漿錨索替代液壓支柱超前支護(hù)的技術(shù)思路。為了保證注漿錨索施工完成后能形成有效的應(yīng)力擴(kuò)散與疊加效果,從而形成有效承載層,通過對頂板注漿錨索不同預(yù)緊力、間排距與錨索長度進(jìn)行模擬支護(hù),探究在預(yù)緊力作用下錨—巖體耦合關(guān)系與承載效果,確定巷道頂板錨索支護(hù)參數(shù)。需要特別指出的是,在此過程中,通過改變巷道頂板及圍巖模型材料力學(xué)參數(shù)與圍巖塑性區(qū),從而模擬巷道注漿后頂板及圍巖強(qiáng)度的改變與支護(hù)加強(qiáng)效果。

在回采巷道采動影響作用下,對巷道的破壞主要表現(xiàn)為對含有軟弱煤體的巷道肩角部位,此處受復(fù)雜應(yīng)力集中影響,煤巖體發(fā)生剪切與壓剪破壞,塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大,煤巖體自承載力大幅下降,圍巖位移量也在快速增長。為保證巷道幫部圍巖能穩(wěn)定支承頂板,可以通過將錨桿在肩角處以一定的角度傾斜錨固進(jìn)煤巖體內(nèi),對此處軟弱煤體和軟弱結(jié)構(gòu)面起到加強(qiáng)支護(hù)的作用,同時提供剪切阻力來抑制圍巖沿破裂面的剪切錯動,防止肩角部位過早破壞,引起巷幫及圍巖失穩(wěn),從而提高巷道幫部的穩(wěn)定性,保證巷道和人員設(shè)備的安全。

3.2 工作面超前支護(hù)優(yōu)化方案

根據(jù)8105工作面煤層賦存工程地質(zhì)特征,并考慮當(dāng)前超前支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀,提出在8105運(yùn)輸巷超前壓力作用區(qū)域內(nèi)采用分區(qū)域差異化超前支護(hù)(圖5)的方法,即劃分為4個階段。

圖5 超前支護(hù)布置示意Fig.5 Layout of advance timbering

首先,超前工作面0～50 m內(nèi)采用單體柱(間距1.8 m、排距2.4 m,3排錨桿1排單體,每排3根單體支柱)配合注漿錨索超前支護(hù)的方式;其次,超前50～100 m內(nèi)采用單體柱(間距3.6 m、排距2.4 m,3排錨桿1排單體,每排2根單體支柱)配合注漿錨索超前支護(hù)的方式;然后,超前100～150 m內(nèi)采用單體支柱(排距2.4 m,3排錨桿1排單體)配合注漿錨索超前支護(hù)的方式;最后,超前150 m至停采線范圍內(nèi)取消單體支柱支護(hù),采用單排2根注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

每排2根注漿錨索(φ21.8 mm×6 200 mm)加固,間距1.8 m、排距1.6 m,打設(shè)時與頂板垂直;采用W形鋼帶(φ3 mm×2 400 mm)連接;錨索預(yù)緊力不低于150 kN;采用300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度球形托盤。在工作面超前30～50 m內(nèi)實(shí)施錨索注漿,采用超細(xì)水泥且注漿壓力小于5 MPa。超前支護(hù)布置如圖5所示。

4 應(yīng)用效果分析

為獲得8105運(yùn)輸巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及注漿錨索超前支護(hù)段支護(hù)狀態(tài)、質(zhì)量、強(qiáng)度等使用效果,通過監(jiān)測巷道表面變形及其裂隙發(fā)育狀況,為“注漿錨索超前支護(hù)”的實(shí)踐應(yīng)用提供依據(jù)。結(jié)合礦井生產(chǎn)地質(zhì)特征,在各階段超前工作面5、55、105、155 m處設(shè)置了礦壓觀測點(diǎn)。

4.1 頂板裂隙發(fā)育狀況

采用鉆孔窺視儀探測巷道頂板鉆孔壁上結(jié)構(gòu)面和裂隙的分布情況,每個測點(diǎn)均有窺視鉆孔,且在頂板中部,窺視孔深8 m,窺視孔直徑38 mm。窺視結(jié)果如圖6所示。

圖6 試驗各階段頂板巖層裂隙分布情況Fig.6 Distribution of roof rock strata fissures at each stage of the test

1號、2號測站頂板圍巖完整性好,自孔口0～0.5 m內(nèi)出現(xiàn)部分離層及裂隙發(fā)育;3號、4號測站頂板圍巖完整性好,未見明顯離層及裂隙發(fā)育。

根據(jù)巷道頂板鉆孔窺視分析結(jié)果可知,頂板裂隙發(fā)育帶多在1.0 m內(nèi);1號測站距工作面15 m,處于應(yīng)力升高區(qū),但其僅在0～0.3 m和3.01 m處出現(xiàn)了橫向裂隙,在0.02 m處出現(xiàn)了離層,其他區(qū)域完整性較好;2號測站距工作面65 m,其僅在0.1 m出現(xiàn)了橫向裂隙,在0.01 m和0.32 m處出現(xiàn)了離層;3號、4號測站分別距工作面115、165 m,未觀察到明顯裂隙和離層區(qū)域。

4.2 巷道圍巖變形監(jiān)測

采用“十字觀測法”對巷道表面位移進(jìn)行觀測,觀測結(jié)果如圖7所示。根據(jù)各測站觀測結(jié)果可知,1號測站頂板最大移近量205 mm,回采幫最大移近量275 mm,煤柱幫最大移近量147 mm。2號測站頂板最大移近量212 mm,回采幫最大移近量182 mm,煤柱幫最大移近量136 mm。隨著回采工作面的靠近,速度呈增大的趨勢。3號測站頂板最大移近量322 mm,回采幫最大移近量305 mm,煤柱幫最大移近量252 mm。隨著回采工作面的靠近,速度有增大的趨勢。4號測站頂板最大移近量215 mm,回采幫最大移近量224 mm,煤柱幫最大移近量172 mm。

圖7 巷道表面位移監(jiān)測曲線Fig.7 Monitoring curve of roadway surface displacement

綜上所述,各測站巷道圍巖受本工作面采動影響,均產(chǎn)生頂板及兩幫位移變形,但變形量較小,遠(yuǎn)低于圍巖變形安全范圍,礦壓顯現(xiàn)不明顯,巷道斷面保持完整。通過注漿錨索超前支護(hù)有效控制了巷道變形,說明注漿錨索能增強(qiáng)巷道頂板支護(hù)強(qiáng)度,控制頂板離層及裂隙發(fā)育。因此,8105工作面運(yùn)輸巷注漿錨索替代單體液壓支柱的超前支護(hù)形式能很好地控制頂板的裂隙發(fā)育和離層,能滿足8105工作面回采期間安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)回采巷道變形破壞特征及傳統(tǒng)超前液壓支護(hù)設(shè)備的缺點(diǎn),鑒于錨注支護(hù)對巷道超前影響區(qū)域圍巖具有雙重加固作用,①通過錨索進(jìn)行主動錨固,限制巷道圍巖的剪切錯動和擴(kuò)容變形,減緩離層發(fā)育;②漿體可以充分改善圍巖體的物理力學(xué)性質(zhì),增大了圍巖體的整體強(qiáng)度和抗剪切破壞能力。提出在8105運(yùn)輸巷采用錨注支護(hù)技術(shù)替代單體柱超前支護(hù)的形式。

(2)在8105運(yùn)輸巷超前支護(hù)實(shí)施錨注支護(hù)技術(shù)后,巷道圍巖力學(xué)性能得以大幅改善,錨固巖體的強(qiáng)度和剛度也得以提升,進(jìn)而有效強(qiáng)化了其承載能力和抗變形能力,巷道圍巖控制的穩(wěn)定性與適應(yīng)性得以加強(qiáng)。超前支護(hù)范圍內(nèi)巷道兩幫變形量最大557 mm,頂板下沉量最大322 mm,能夠滿足安全生產(chǎn)要求。