B080204超大工作面软岩复杂巷道支护技术.doc

超大工作面软岩复杂巷道的支护技术刘 波【龙口煤电有限公司梁家煤矿，山东 龙口 265700】摘 要 介绍了软岩地质条件下，超大工作面两巷的支护经验。重点阐述了在构造复杂区域中，采用锚、网、喷+锚梁+锚索+架棚联合支护等技术的应用情况，以及小煤柱注浆加固控制煤壁和软岩抑制底鼓技术。关键词 软岩 超大工作面 两巷 联合支护 注浆加固-前 言近年来，随着龙口矿业集团公司的发展，梁家煤矿加快了矿井新采区的开拓和延深，工作面的布置向“深（埋藏深）、远（位置远）、边（井田边）、大（地压大）”的方向发展，回采工作面两巷支护难度加大，支护成本高居不下，前掘后返、边采边返的问题成了掘进以及回采期间影响生产的关键性问题。为了实现一次支护即可满足巷道支护需求，减少巷道返修投入，达到巷道成本最小化，我们借鉴兄弟矿井及我矿回采巷道支护经验，以软岩支护的理论为基础，分析设计和施工中存在的问题，找出巷道变形原因，提出针对性支护方案并在实践中研究应用，有效地控制围岩变形，增强支护效果，降低支护投入，提高了矿井经济效益。1 地质概况龙口矿区梁家井田成煤于新生代第三系，含煤地层岩性多为泥岩、粘土岩、含油泥岩、炭质页岩和胶结松散的砂岩。岩层单轴抗压强度5.344.3MPa，大部分小于20MPa。内摩擦角26.332。节理裂隙发育，松散破碎。大部分岩层中含有蒙脱石（最高68.4%）、高岭土膨胀性矿物，易吸水崩解，膨胀性强（最高245%）。围岩自稳时间短，具有显著的流变特性。主要可采煤层为煤2、煤4层位。煤4层煤总厚度在10.711.8m之间，平均11m，煤层结构复杂，含夹矸20层左右，夹矸总厚在3.5m左右，纯煤厚度在7.5m左右。按夹矸的稳定性，煤层的厚薄和夹矸的厚度，煤4自上而下可划分为8个分层，其中，夹矸在全层上下两端多、中间少；煤层直接顶为泥岩，厚度一般在1.8m左右，其上为泥岩砂岩互层，厚度为61.3m，强度低易冒落；直接底为泥岩，厚度在0.56m左右，强度低，具有遇水膨胀、泥化的特点。为提高经济效益，加快巷道掘进速度，煤4层巷道一般选则在煤4-6底板上500mm为巷道底板。本文论述的4105工作面位于煤4一采区西翼下部，北距4103面采空区3575m（间隔F1-13、F1-7、F1-1断层），南为4109、4111采空区，西至龙口镇保护煤柱，东为煤4一采区轨道上山、皮带上山。工作面长260m，倾角为68，可采走向长度1600m。该区域地质构造复杂，工作面北部发育一组南倾断层，其中F1-2断层落差5m、倾角60，F6-1断层落差15m、倾角60，F1-7断层落差12m、倾角60，F1-13断层落差14m、倾角60。F1-7南倾断层为煤2中揭露断层，落差12m，按断层倾角60推到煤4中落差12m。F6-1、F1-13两断层局部实际揭露验证，断层位置、走向总体为根据煤2中揭露断层推到煤4中。工作面西南部工作面内有F1-3南倾断层，落差6m，倾角55，F1-3南倾断层为4109上顺打钻探明断层，该断层位于工作面中部，钻探处落差6m，预计切眼处落差45m。f1断层南倾，落差3m，为钻探探测断层；f2断层北倾，落差4m，为钻探探测断层。2 影响支护因素分析及支护设计2.1 影响支护因素分析4105上顺联络巷共235m，自西集轨联络巷开口在煤4顶板中施工11m岩巷，进入煤4层，施工38m煤巷，在煤4层中穿层施工28m，然后施工平巷28m进入正常回采层位；自此开口向东穿层施工35m，进入煤4顶板施工95m岩巷；4105上顺向西共施工顺槽1690m。4105下顺设计长度1680m，其中西集轨II段450m，沿4109采空区小煤柱施工1050m，4109切眼以西180m。4105工作面临近范围内的条件如图1所示。图1 4105工作面周边条件示意图影响4105工作面两巷支护的因素分析： 4105上顺距4103工作面采空区为3575m，4103工作面停采时间为2005年10月12日，而4105上顺掘进施工时间为2005年10月2006年10月，工作面停采时间短，采空区上方岩层的活动将对两巷产生超常影响，同时4105面上顺临近断层群（F1-13断层落差14m；F1-7断层落差12m；F1-1断层落差8.5m；F1-2断层落差5m），距断层最近距离为15m，因此预计上顺槽附近可能派生有小断层。受断层构造应力和老空区双重影响，上顺支护难度很大。 据接续安排，4109工作面于1月31日停采，而4105下顺根据接续预计于12月份开始准备，存在4109采动压力对4105下顺的影响，并且4105下顺开口于4109上顺联络巷，开口位置据4109停采线约75m，停采线前后巷道将受4109采动压力影响剧烈影响，需加强支护。 4105下顺沿4109采空区施工段设计净煤柱3.5m，实际净煤柱厚度只有2.52.7m宽，其中4109上顺躲避硐处净煤柱厚度将小于1.5m。受4109工作面采动影响，小煤柱岩体松散破碎、自身支护强度低，特别是将来工作面回采时，在动压影响下，破碎煤柱将起不到应有的承压作用。 工作面切眼倾斜长度长，推进速度慢，巷道同样需加强支护。2.2 支护设计方案4105工作面两巷设计支护形式为：4105上顺在受采空区及断层影响地段采用锚、网、喷+锚梁+U型棚联合支护；地质条件较好地段采用锚、网、喷+锚梁联合支护。4105切眼沿正常煤层施工地段采用锚、网、喷+锚梁联合支护；过落差6m的断层地段采用锚、网、喷+锚梁+U型棚联合支护。4105下顺临近4109工作面采空区地段采用锚、网、喷+锚梁+U型棚联合支护；受4109工作面采空区影响较小块段采用锚、网、喷+锚梁联合支护。3 4105上顺支护施工3.1 支护参数4105上顺巷道设计断面宽4m、高3.2m，实际施工荒断面宽4.85.2m、高3.8m。采用锚、网、喷+锚梁联合支护。如图2、图3所示。图2 4105上顺巷道联合支护断面示意图图3 4105上顺槽顶板支护布置示意图锚杆（包括底角锚杆）采用直径18mm、长2250mm的麻花锚杆，用2卷树脂锚固剂卷加长锚固，间排距650650（mm）；底角锚杆的间排距为800650（mm）。钢筋网用直径4mm的冷拔钢筋加工而成，起拱线以上为双层钢筋网。喷射混凝土厚度为120mm。锚梁用25型钢加工，长度为3.2m。每架锚梁用四组直径18mm、长2250mm的麻花锚杆固定，锚梁的间距为0.8m/架。巷道复喷后在上帮安设2排直径18mm、长2250mm的补强锚杆；下帮安设2排直径18mm、长2250mm的补强锚杆，补强锚杆间距1m。由于补强锚杆对帮部控制效果明显，自2006年4月份开始，下帮帮部补强锚杆调整为3排，并交错加设了16旧槽钢加工的帮部短梁，上帮侧不变。为加强顶板控制，在巷道复喷后及时在顶板补打锚索进行加固，采用直径15.24mm、长5m的锚索，锚索孔深为4.7m，锚索安设在锚梁之间，间排距为1.61.6（m）。3.2 施工中的问题及解决方法施工过程中发现，普通托盘在局部压力显现较明显的地段内陷，个别锚杆螺帽有滑丝的现象，为此采用废旧U型钢对剖，加工成长度约400mm的大托盘代替普通托盘，并将原来长度15mm的普通螺帽加长到25mm，增大螺纹段接触面积，杜绝了压力显现明显时锚杆滑丝的现象。在解决了锚杆外部端头的滑丝问题后，再通过增加锚固剂数量以增大支护强度，经过上述改进，锚杆支护效果十分明显。在实践过程中我们发现锚杆的两头强度增加后，杆体强度略显不足，因此采用了大直径金属圆钢麻花锚杆，并在局部巷道破坏区域使用，效果良好。上顺在施工过程中，围岩压力隔段显示比较明显。根据初步掌握的围岩压力显现规律，决定对预计压力显现段巷道支设钢棚加强支护，每次支设钢棚距离30m。钢棚采用25型钢加工，钢棚的间距为0.8/架，钢棚腿处用2组直径18mm、长2250mm的麻花锚杆固定，用2卷树脂锚固剂卷锚固。巷道在中部车场、皮带机头等大断面巷道均设钢棚加强支护。在施工的同时，对巷道的支护进行了动态管理。根据迎头后方巷道的围岩压力显现，决定钢棚的支设。在施工至距离切眼800左右，巷道的围岩压力显现不明显，根据测点观测情况，取消钢棚架设，采用锚、网、喷+锚梁+补强锚杆锚索联合支护。4 4105切眼施工4105切眼设计长度为262.858（平距），在施工至距离切眼上口162处，将揭露一条南倾正断层，落差56左右。根据煤4巷道采用综掘机施工切眼的经验，切眼采用锚、网、喷+锚梁+钢棚支护。锚杆为直径18mm、长2250mm麻花锚杆，用2卷树脂锚固剂卷锚固，间排距为650650（mm）；底角锚杆的间排距为800650（mm）。钢筋网用直径4mm的冷拔钢筋加工而成，起拱线以上为双层钢筋网。喷射混凝土厚度为120mm。锚梁用25型钢加工而成，长度为3.2m，每架锚梁用四组直径18mm、长2250mm麻花锚杆固定，锚梁的间距为0.8m/架。钢棚用U29型钢加工而成，间距为800mm，钢棚的棚腿各用一组锚杆固定。为了保证切眼的施工层位，确保工作面回采时的层位，我们提前对巷道的预想剖面进行了设计，并随时根据切眼煤层的赋存状态，对切眼的施工坡度进行了调整。5 4105下顺施工4105下顺原设计为锚、网、喷+锚梁+钢棚+锚索联合支护形式。在施工中根据巷道围岩压力的显现情况，调整为锚、网、喷+锚梁+钢棚联合支护。在掘进过程中，为防止局部锚杆施工时打透4109老空区，造成有害气体泄露，确保施工安全，调整了4105下顺巷道中线，并进行注浆加固。5.1 锚、网、喷+锚梁+钢棚联合支护参数巷道上帮及顶板采用直径18mm、长2250mm麻花锚杆，下帮侧的巷道采用直径18mm、长2250mm麻花锚杆，用2卷树脂锚固剂卷锚固，间排距为650650（mm）。钢筋网用直径4mm的冷拔钢筋加工而成，起拱线以上为双层钢筋网。喷射混凝土厚度为120mm。锚梁用是25型钢加工的，长3.2m，每架锚梁采用四组直径18mm、长2250mm麻花锚杆锚固，锚梁的间距为0.8m/架。钢棚为U29型钢加工，间距均为0.8m，钢棚的棚腿各用2组直径18mm、长2250mm锚杆固定。为加强施工期间的支护强度，尽量避免或减少巷道返修，决定在4105下顺进行试验。对4109切眼对应段以东20m、以西30m的巷道（共50m）的锚梁、钢棚进行加密，以加强巷道的支护强度。锚梁、钢棚的间距均调整为0.6m，每架锚梁采用4组直径18mm、长2250mm麻花锚杆固定；钢棚两帮底脚各用2组直径18mm、长2250mm麻花锚杆固定，钢棚支设在锚梁间正中位置。每根锚杆采用2卷树脂锚固剂卷锚固。对施工过4109切眼后距离4105切眼150m的巷道的支护形式调整为，由于该段巷道处于工作面超前支护段范围内，为了减少超前支护时拆除钢棚的工作量，该段巷道取消钢棚支护，锚梁的间距仍采取0.8m/架。巷道下帮侧的锚固锚杆调整为直径18mm、长2250mm的麻花锚杆锚固，用2卷树脂锚固剂卷锚固。对巷道两帮进行补强加固，在复喷后对巷道的帮部安设外露锚杆加固，锚杆采用直径18mm、长2250mm的麻花锚杆锚固，上帮侧2排，下帮侧3排，补强锚杆的间排距为10001000（mm）。5.2 巷道中线调整4105下顺沿4109上顺小煤柱施工，原设计4105下顺与4109上顺净煤柱3.5m。由于4109上顺在施工过程中巷道围岩压力大，为防止巷道收敛变形，在施工过程中巷道荒尺寸放宽到4.2m，局部达到4.5m；4105下顺巷道荒尺寸放宽到4.85m。这样4105下顺与4109上顺净煤柱只有2.52.7m宽。由于4109工作面已采完，受采空区动压影响，4109上顺上帮局部破坏，将导致4105下顺与4109上顺净煤柱局部小于2.7m宽，且4109上顺躲避硐（深度一般为1.2m）与4105下顺之间的煤柱小于1.5m（4109上顺钻机窝深度5.2m，4105下顺施工过程中将揭露4109钻机窝），如果4105下顺下帮安设2250mm长的麻花锚杆，可能打穿4109工作面老空区，造成有害气体泄露。因此施工过程中实际采用的锚杆为长度1600mm锚杆。为防止局部锚杆施工时打穿4109老空区，调整了4105下顺巷道中线，巷道中线调整如图4所示。图4 4105下顺巷道中线调整平面图5.3 注浆加固4105工作面较长，工作面回采推进速度慢，巷道压力集中，尤其小煤柱抗压强度低，很难承受掘进以及回采动压的影响和破坏。4105下顺的支护既要防止掘进期间锚杆打穿4109工作面老空区，又要保证巷道在掘进、回采期间的支护效果，因此，除4105下顺采取锚、网、喷+锚梁+U型棚的支护外，还采取注浆加固技术对两帮进行加固，达到加固增强小煤柱强度、及时封闭破碎煤柱裂隙，防止老空区气体溢出作用。采用单液注浆方式注浆，设备为TBW-50/15注浆泵注浆。由于单液注浆会造成向老空区跑浆，我们确定了合理注浆孔深度，较好的控制了跑浆现象。5.3.1 注浆时机及时注浆能使围岩或小煤柱保持较高的承载能力，有效约束围岩继续变形。新掘进出来的巷道围岩破坏较小，强度要求较高，要求固结裂隙的浆液固结体粘结强度较高，同时还应有较大的变形能力以适应围岩在这个服务期的变形量。考虑到浆液固结的岩体强度、裂隙的发育程度，所需控制的围岩变形量及注浆工艺等因素，确定在巷道掘出一个月后，围岩裂隙充分发育，围岩表层混凝土完整性未破坏前进行注浆，即注浆施工稍落后于复喷混凝土。5.3.2 注浆孔参数（1）注浆锚杆布置巷道上帮、下帮各施工3排。第一排位于巷顶下10.1m（斜向上方施打，与水平方向的夹角为3010）；第二排位于巷顶下20.1m，（水平10）；第三排位于巷顶下30.1m（斜向下方施打，与水平方向的夹角3010）。注浆锚杆断面布置如图5所示。图5 4105下顺注浆锚杆布置剖面示意图在无钢棚段，注浆孔排间距为1.50.1m，如图6所示；在有钢棚段，因钢棚间距为600800mm，为了避开钢棚，注浆孔排间距为每隔二架棚施工一个注浆孔，每个注浆孔施工在二架棚的中间，如图7所示。注浆孔在两帮上呈五花眼布置。图6 巷道无钢棚段注浆孔布置示意图图7 巷道有钢棚段注浆孔布置示意图在巷道底臌严重段（巷高不足3m）施工时，第三排注浆锚杆在底角处施工，并适当加大施工角度。（2）注浆锚杆用直径20mm的普通钢管作为注浆锚杆，管口铰螺纹。注浆锚杆上钻8mm单孔，孔距为100mm，呈45螺旋布置。上帮注浆锚杆长度为1.8m，下帮注浆锚杆长度为1.2m，视注浆效果调整注浆锚杆长度。对施工中的每个躲避硐或钻机窝（原4109上顺）用红油漆明确标出，施工注浆孔时，要留500mm的煤柱。施工中已揭露的硐室不进行注浆。5.3.3 注浆设备及材料注浆设备为一台注浆泵，二个直径600mm、高600mm的注浆桶，二台气动锚杆钻机。注浆材料水泥、水玻璃、注浆锚杆、水泥卷。5.3.4 注浆工艺气动锚杆钻机钻孔安装注浆锚杆用水泥卷在孔口处封堵锚杆和孔壁间缝隙注浆清洗设备和管路封孔固定托盘。 钻孔：按照工程设计要求和注浆锚杆布置要求，在上帮钻深度1.8m的孔，在下帮钻深1.2m的孔。 封注浆孔：先将注浆锚杆插入注浆孔内，用水泥卷在孔口处将锚杆和孔壁间缝隙封实，确保管口不漏浆。用布封堵注浆锚杆口，注浆前把布取出来，防止瓦斯聚集。 注浆：浆液重量配合比为水水泥水玻璃=110.05或0.810.05。水泥型号为P.023.5，水玻璃溶液型号为45Be。注浆液配好后，用泥浆泵通过高压胶管向注浆锚杆内注浆，注至压力达到1.5MPa。当煤壁破碎，压力达不到1.5MPa时，单孔注浆量最多为10袋水泥。底脚锚杆注浆至压力达到1.5MPa，底板出浆为止。注浆过程中必须密切观测巷道混凝土喷层及锚杆，发现混凝土喷层开裂漏液时必须及时停止注浆，用水泥卷处理好后方可继续注浆。 注完浆后，必须把注浆泵、管路及阀门等设备全部清洗干净。 卸下阀门，用水泥卷进行封口。 等水泥凝固24小时后，安装托盘，拧紧螺母。5.3.5 注浆验收（1）拉拔力检测对已施工的注浆锚杆每100m选取一个测点，分别对上下两帮注浆锚杆进行拉拔力检查，每个测点上、下两帮分别选取23根注浆锚杆。拉拔试验结果如下表所列。注浆锚杆拉拔力检测数据表注浆锚杆位置拉拔力/kN备注6# 上帮2支：5.9注浆锚杆没有拉断。5.0 注浆锚杆拉断。16#下帮2支：5.9 注浆锚杆拉断5.9注浆锚杆拉断上帮2支5.3注浆锚杆没有拉断。5.3注浆锚杆没有拉断。27#下帮2支4.6注浆锚杆拉断5.0注浆锚杆没有拉断。36#下帮2支5.3注浆锚杆没有拉断5.9注浆锚杆没有拉断46#上帮2支5.9注浆锚杆没有拉断5.6注浆锚杆没有拉断55#下帮2支5.6注浆锚杆没有拉断5.3注浆锚杆没有拉断79#下帮1支5.1注浆锚杆拉断80#下帮1支5.1注浆锚杆没有拉断由表1可知，注浆锚杆最大拉拔力至5.9kN，最小拉拔力4.6kN，拉力基本达到支护锚杆的要求。个别锚杆螺纹与管壁加工时厚薄不均，因此出现锚杆自螺纹处被拉断的现象。（2）破帮检查对已注浆的巷道随机选取测点进行破帮验收。每个地点上、下两帮破开点相距2050m随机选取，破帮范围为被检查锚杆到其临近锚杆，即长1.6m、宽1m、深0.5m。验收时将破帮点喷体破除后，继续破除煤200 mm，检查完后再用锚、网、喷封闭，用背板背实。检查结果表明，在煤体裂隙较发育、通道畅通的情况下，水泥浆液分布较均匀，注浆填补裂隙效果较好。水泥浆液沿煤体裂隙到达个别锚杆孔内后围绕锚杆形成水泥柱。煤体裂隙不发育区或通道不联系区域则无水泥浆液分布。水泥浆液重点分布区