掘进巷道快速过陷落柱顶板控制技术研究_王劭波.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2021-12-21作者简介：王劭波（1997-），男（汉族），山西襄垣人，助理工程师，现从事掘进技术工作。掘进巷道快速过陷落柱顶板控制技术研究王劭波*（潞安化工集团余吾煤业有限公司，山西 长治 046000）摘要：为解决15108运输巷快速掘进过X6陷落柱时受巷道围岩不稳定、顶板存在严重破碎较难支护的影响，巷道掘进效率低的问题，基于15108运输巷工程概况，从巷道掘进现状着手，分析了巷道原支护方案及存在的主要问题，并提出了可采用“帷幕注浆加固+桁架锚杆、多筋梯子梁”的联合支护技术进行支护的策略，实际应用结果表明，通过综合应用该联合支护技术，该陷落柱影响区域内的顶板下沉量小于0.15m，巷道掘进效率也从之前的4.0m/d逐步提升至6.5m/d，应用效果显著，可为类似工况下的掘进巷道快速过陷落柱顶板控制提供参考。关键词：掘进巷道；陷落柱；支护方案；效果中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0171-03陷落柱是煤矿开采过程中经常遇到的地质构造，陷落柱的出现不仅会对煤层的整体结构产生影响，改变了内部应力应变，使得煤层整体出现失稳现象，尤其是陷落柱附近煤层，极易出现煤体硅化现象。由于应力结构出现变化，实际开采过程中巷道顶板以及围岩极易产生破坏，难以对变形量等参数进行有效控制。当前为了防止陷落柱对采掘过程带来阻碍，通常采取锚杆、锚棚相结合的方式进行巷道围岩以及顶板变形量的控制，存在支护难度较大、效率较低以及整体效果较差等缺陷，难以提升整体控制质量，给施工人员的施工安全带来了严重阻碍，因此对于陷落柱围岩控制的研究是具有一定现实意义的。1概况本文以潞安化工集团某矿15108运输巷为研究对象，改运输巷位于采区，南北分别为矿界以及瓦斯治理巷，东西分别为矿界以及采区大巷。该运输巷断面为矩形，宽高分别为4.5m和5.5m，巷道总长度1220m，煤层均厚4.8m，煤型由半亮煤型、光亮型和暗淡型组成，含有少量国内的镜煤条带和丝碳。15煤层顶底板岩性汇总如表1所示。运输巷当前采用机械化掘进的方式，现已掘进640m。掘进至637m时出现X6陷落柱，根据勘探结果可知，该陷落柱高7.5m，整体呈椭圆形，长短轴分别为42m以及24m，短轴和巷道的夹角为79，陷落柱的影响范围为38m。陷落柱的组成岩体包括砂质泥岩、K2灰岩以及砂岩，岩体整体结构较为复杂，稳定性较差1。2巷道掘进现状及问题分析2.1巷道掘进现状受到陷落柱的影响，运输槽从630m处开始出现顶板破碎现象。随着巷道的掘进深入，应力破坏现象越发明显。当掘进至X4断层时，顶板破碎现象已经十分严重，通过现有的联合支护的方式已经难以满足实际支护需求，给巷道的掘进带来了很大的难度，掘进速度也因此下降至4.1m/s。掘进至640m处时顶板出现冒漏现象，冒漏区域高度和宽度分别为1.4m以及2.7m，顶板支护方式也无法满足实际支护需求。2.2巷道原支护设计当前运输顺槽在掘进至X6陷落柱前通常采取锚杆、锚索、钢带联合支护进行围岩的支护，详细支护方名称直接顶基本顶老底直接底岩性石灰岩砂质泥岩砂质泥岩铝质泥岩厚度(m)2.314.81.41.8表115煤层顶板及底板岩性汇总表1712023年第2期西部探矿工程案如下:（1）顶板锚杆采用钢锚杆，锚杆长度为2.4m、直径为22mm，每排锚杆的数量为5根，相邻锚杆间的距离为1.0m，排距为1.0m，锚杆间通过W型钢带进行连接。（2）顶板锚索长度为6.5m、直径为17.8mm，每排锚索的数量为3根，相邻锚索间的距离为1.6m，排距为3.0m，每个锚索独立布置，相邻锚索间通过中部拱形钢托板进行连接。（3）巷帮采用锚杆支护，锚杆长度为2.4m、直径为22mm，每排锚杆的数量为3根，相邻锚杆间的距离为1.0m，排距为1.0m，相邻锚杆间通过W型小钢带进行连接。2.3原支护设计问题分析（1）陷落柱腔体内部岩体稳定性较差，掘进至陷落柱附近时巷道围岩开始出现破碎掉落，顶板和围岩破碎十分严重，掉落的围岩影响巷道的正常掘进。现有的联合支护形式，锚杆的打孔固定十分困难，难以对整体性较差的围岩形成有效的支护，锚固力难以超过80kN。（2）巷道现有支护方案下，顶板每排锚杆的数量为5根，两帮每排锚杆的数量为3根，锚杆和巷帮以及顶板间的距离分别为0.25m以及0.5m，但是对于巷道顶板以及巷帮间的三角煤柱未制定有效的支护方案，由于巷道掘进过程中需要承受内部应力以及掘进应力，因此三角煤柱在不均匀应力的作用下经常会出现变形量过大甚至垮塌的现象，顶板破碎十分严重，巷道整体稳定性较差，给掘进过程带来了较大困难2。（3）运输顺槽联合支护方案中，顶板布置的锚杆通过W型钢带进行连接，该型号钢带承载极限为155kN，能够承受的剪切应力较小因此极易出现变形现象。当巷道掘进接近陷落柱时，围岩由于应力受到的破坏更加严重，因此顶板整体性较差，承载能力较低，掘进过程中极易出现失稳以及塑性变形等现象，顶板下沉量极限值能够达到0.44m。下沉过程中给钢带带来较大的剪切力，钢带出现变形断裂等现象。此外，该型号钢带支护面积较小，难以对顶板形成有效支护作用。3陷落柱影响区围岩联合控制技术3.1帷幕注浆技术（1）注浆加固通过对围岩内部缝隙的填充，起到围岩加固的作用，提升了围岩的整体性，避免掘进过程中围岩内部应力不均导致围岩产生破坏现象，提升巷道的掘进效率和支护效果。（2）对运输顺槽断面整体进行注浆施工，两帮及顶板同时进行注浆，确保巷道围岩缝隙注浆的均匀，提升巷道围岩的整体性。巷道两帮和顶板分别布置3个注浆钻孔，为了便于管理，分别进行编号，其中帮部6孔编号依次为B1-1、B1-2、B1-3、B2-1、B2-2、B2-3；顶板6孔编号依次为D1、D2、D3。（3）注浆钻孔尺寸统一，深度和直径均为5.0m以及45mm。帮部相邻钻孔间的距离为1.0m，钻孔距巷道轮廓0.5m，钻孔和巷帮夹角为45；顶板相邻钻孔间的距离为2.0m，钻孔和煤壁间的距离为1.2m，钻孔和煤壁的夹角为45。（4）所有注浆钻孔施工完毕后，使用注浆泵进行注浆作业。注浆采用聚氨醋化学粘接材料，该材料的特点为凝固速度较快、缝隙渗透能力较强，钻孔同时进行注浆，注浆压力依次增大3，最终不得超过1.5MPa。（5）超前注浆加固。钻孔布置:超前注浆加固的钻孔参数需要根据加固区域相互间的位置关系进行确定，需要保证巷道顶板和帮部附近的钻孔位置和轮廓线的距离为0.5m。其中15号注浆钻孔位于顶板围岩之上，确保注浆区域形成拱形壳体，提升巷道围岩的整体性，通过注浆量的提升，确保未注浆区域的应力无法传递至围岩表面；6号、8号注浆钻孔分别位于巷道两帮围岩，主要作用是提升两帮围岩的整体性，避免垂直应力导致的巷帮破碎；7号注浆钻孔布置在迎头处围岩上，提升围岩的稳定性；911号注浆钻孔布置在巷道底板围岩上，避免底板在掘进过程中出现塌陷等情况，阻碍设备的正常推进；两个检查孔主要作用是对各孔注浆效果进行检查，如果注浆效果未能满足实际需求，则通过这两个孔进行补注。3.2桁架锚杆支护为了降低应力导致的巷帮煤柱变形量过大以及垮落等现象，提升三角煤柱区域的稳定性，在现有支护方案的基础上增加桁架锚杆提升三角区域的支护效果4。（1）运输顺槽掘进至637m处时，在巷帮架设桁架锚杆进行支护。桁架锚杆共计两根，选取高强度预应力螺纹钢锚杆，长度和直径分别为3.0m以及25mm，配套零部件包括两根圆钢托架和一个张拉器等。（2）桁架锚杆架设位置和顶板间的距离为0.3m，锚1722023年第2期西部探矿工程固深度为3.0m，锚杆和巷帮的夹角为75，相邻锚杆的间距为1.5m。（3）桁架锚杆钻孔完毕后，将锚杆放入孔内进行锚固，随后在锚杆露出部分布置圆钢托架，布置完毕后通过张拉器施加预紧力预紧。相邻架锚杆间的距离为1.0m。3.3多筋梯形梁支护（1）为了提升顶板钢带的支护面积，将现有的W型钢带改成JW型钢带。该型号钢带的长度和宽度依次为4.5m和0.32m，钢带上相邻孔之间的间距为1.1m。为了避免过大的剪切应力导致钢带的断裂，在钢带上焊接一块高锰钢托盘提升抗剪切能力，托盘的长度和宽度均为0.3m。（2）将现有的锚索支护改成多筋梯形梁支护，组成结构包括三根锚索，长度和直径分别为 8.3m 以及21.8mm和一架梯形梁，梯形梁长度和宽度分别为4.2m以及0.5m。（3）多筋梯形梁和钢带在顶板上依次布置，相邻梯形梁之间的距离为2.0m，施工步骤如下：锚索支护孔施工安装锚索安装多筋梯形梁并进行预紧。3.4锚网带支护巷道经过陷落柱的过程中，为了确保围岩变形量得到有效控制，降低锚杆间的间距，增加锚杆数量，提升支护强度。顶板更换为高强锚杆，直径和长度分别为22mm以及2800mm，相邻锚杆间的距离为900mm，排距为1000mm，每排锚杆的数量为6根，外露部分通过钢筋托梁连接;通过锚索实现补强支护，锚索直径和长度分别为22mm，以及6300mm，相邻锚索的间距为2000mm，排距为 1000mm；采用金属网保护支护表面。两帮和顶板使用同样的支护方式，每排锚杆的数量为 3 根，相邻锚杆间的距离为 1100mm，排距为1000mm；使用钢筋复合网进行表面保护。3.5架棚工艺棚梁选用12号工字钢梁，规格为4300mm；棚腿采用U25钢，上腿下腿长度分别为1800mm和2000mm；采用拉杆连接，相邻棚梁间的距离为1200mm，柱窝深200mm。3.6实际应用效果分析使用改进后的支护方案，于2021年5月20日顺利通过运输顺槽陷落柱影响区，巷道在掘进过程中变形量符合相关要求，未出现明显的破碎现象5，顶板最大下沉量为0.15m，其中三角区域煤柱存在的破碎、垮落现象得到显著控制，优化后的支护方式将巷道掘进效率提升至6.5m/d。4结论（1）采取注浆支护的方式提升陷落柱区巷道围岩的整体性，使巷道轮廓围岩形成一个连续稳定的加固层，提升了锚杆(索)支护在帷幕注浆圈内锚固效果。（2）针对巷道三角煤柱区采取桁架锚杆进行支护，避免了三角区没有支护措施导致的垮落现象，显著减少了因三角煤柱垮落造成巷道成型效果差、顶板失稳现象严重等弊端。（3）对巷道顶板锚杆(索)采用多筋梯形梁支护，与传统单锚杆、锚索支护相比，具有支护截面大、支护强度高等特点，适用在大应力、大变形围岩中，有效避免了传统支护强度低、支护失效严重等问题。参考文献：1赵源.工作面安全快速过陷落柱支护体系研究J.机械管理开发,2021,36(10):66-68.2李浩男.厚煤层回采巷道掘进过陷落柱围岩控制技术研究J.煤炭与化工,2021,44(6):31-33.3张奇.大采高综采工作面快速通过陷落柱安全技术研究J.煤,2021,30(6):20-22.4张江利,陶广美,马赛,赵斌.综放工作面过陷落柱影响区煤壁片帮防治技术J.矿业安全与环保,2021,48(2):79-81.5孟三军.注浆加固技术在工作面过陷落柱回采中的应用J.山东煤炭科技,2021,39(3):96-98.173