采礦工程采空區(qū)巷道掘進支護技術(shù)淺議
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摘要：礦井復(fù)采會給采空區(qū)帶來安全方面的問題，應(yīng)該結(jié)合巷道高冒區(qū)、空巷情況，采取綜合支護技術(shù)對圍巖進行加固。結(jié)合具體案例，對注漿加固、巷道支護進行設(shè)計，并對支護方案的可行性進行探討，以期為相關(guān)工作提供參考。
煤炭是保障國民經(jīng)濟運行的重要資源，采用先進的巷道支護技術(shù)可以提高掘進支護的安全性、可靠性，更好地保證作業(yè)人員的生命安全。當(dāng)前，很多煤礦進行了整合重組，需要對礦井巷道進行優(yōu)化，而礦井復(fù)采前已經(jīng)存在采空區(qū)，存在巖體垮塌和覆巖破壞等問題。在巷道掘進施工過程中存在頂板塌陷的風(fēng)險，需要結(jié)合礦井實際情況，確定巷道掘進支護方式，徹底解決采空區(qū)圍巖巷道可靠性差的問題[1]。A礦井掘進回風(fēng)巷南段至立井103m區(qū)間內(nèi)存在采空區(qū)與空巷，巖體存在垮落和頂板塌陷傾向，頂板上已經(jīng)生成高冒區(qū)，煤層傾斜角度接近水平，頂?shù)装鍨槟鄮r，存在裂縫發(fā)育，空巷落煤矸高度在3～4m，兩幫容易破碎。
1注漿加固方案設(shè)計
回風(fēng)巷上部覆巖為砂質(zhì)泥巖，通過對冒落帶及導(dǎo)水裂縫高度進行計算，確定中硬巖石垮落3～4m，冒落帶為13～17m，導(dǎo)水裂縫高度為35～48m。掘進巷道位于冒落區(qū)應(yīng)力減小部位，對破碎圍巖進行加固處理則可以提高巷道的穩(wěn)定性、安全性，而且可以采用注漿加固支護技術(shù)。對于高冒區(qū)，采空區(qū)裂隙多，可以通過注漿方式來提升圍巖強度，而泥巖是圍巖的主要成分。由于存在很多裂縫，需要采用化學(xué)漿液來進行注漿加固[2]。加固支護選用的材料為固瑞特，施工時，將其與漏必堵聯(lián)合應(yīng)用，可以減少材料消耗量。以加快施工進度為設(shè)計原則，根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)要求設(shè)計注漿加固方案。掘進作業(yè)到冒落帶區(qū)域時，存在冒頂和空頂?shù)葐栴}，容易引發(fā)安全事故。鑒于此，先應(yīng)用漏必堵進行填充后形成人工頂板，進行填充作業(yè)前需要在上方設(shè)置木板、風(fēng)筒布等來防止材料漏漿。回風(fēng)巷中心作為布置鉆孔的基準，首排間距為1m，頂板孔深度為5m，傾斜角度為45°。第二排鉆孔在首排鉆孔下側(cè)0.5m，間距0.5m，孔深5m，傾斜角度10°。巷道頂板注漿加固與化學(xué)注漿加固工藝如圖1所示。注漿加固可以更好地控制圍巖變形和提高圍巖密實度，確保巷道的穩(wěn)定性與安全性[3]。
2巷道支護方案設(shè)計
結(jié)合煤礦圍巖強度強化的相關(guān)理論，對采空區(qū)巷道圍巖支護進行設(shè)計，將提升圍巖強度、承載能力作為主要目標。
2.1高冒區(qū)巷道支護
a)采用頂板錨網(wǎng)索支護方式確定高強度鋼錨桿規(guī)格型號，間距設(shè)置為1m，兩側(cè)間隔為0.9m。設(shè)置好金屬網(wǎng)后，再利用Φ16mm圓鋼制作4.2m長的梯子梁與錨桿連接。頂板煤層厚度小于0.8m時，應(yīng)用8.3m錨索；頂板煤層厚度超過0.8m時，應(yīng)用11.3m錨索，每排采用4根錨索[4]。b)對巷道兩幫料石墻進行砌筑支護時，應(yīng)該先確定兩幫成形情況，根據(jù)中腰線進行砌墻基礎(chǔ)施工，深度為0.55m。施工到實底時，先鋪設(shè)砂漿再砌筑料石，從下而上砌筑到3.6m后進行架棚作業(yè)，保證砌墻厚度為0.5m；之后整體開挖，砌墻壁施工中可先砌筑后充填。如果巷道兩幫不存在空洞，需要保證基礎(chǔ)深度為0.8m，砌墻厚度不小于1.0m，以中腰線為標準挖掘出煤矸，再對基礎(chǔ)進行平整處理。采用混凝土對基礎(chǔ)進行澆筑，達到足夠強度后鋪設(shè)軌道底梁，再采用砂漿來砌墻，每次砌筑長度不可以超過3m[5]。c)工字鋼支護。工字鋼梁長4.5m，每排間隔0.8m。
2.2采空區(qū)巷道支護
如果掘進巷道與采空區(qū)域巷道為相同水平，但相交的角度存在差異，巷道暴露長度不等，需要充分考慮采空區(qū)巷道相交斷面來設(shè)計與創(chuàng)建人工巷幫[6]。a)錨網(wǎng)索支護。將錨網(wǎng)索支護設(shè)置于巷道貫通區(qū)間，幫錨桿采用圓錨桿，排距為1m，利用樹脂藥卷來加長錨固，錨固長度為1m，將金屬網(wǎng)設(shè)置在巷道兩幫，同排錨桿采用2.6m的鋼筋梯子梁連接。b)對空巷側(cè)石墻砌筑進行支護，采用寬0.6m、高3.8m的矩形料石墻來對頂板進行支護，基礎(chǔ)應(yīng)該低于底板0.25m，采用粗料石進行鋪設(shè)。如果掘進巷在采空區(qū)巷道下方，采用錨網(wǎng)索對巷道頂板進行支護，先結(jié)合掘進巷頂板巖體實際情況確定頂錨桿規(guī)格型號、錨固劑的性能參數(shù)，將間距設(shè)置為0.9m，錨固長度為1.4m，金屬網(wǎng)與錨桿采用42m鋼筋梯子梁來連接[7]。對空巷側(cè)石墻進行砌筑，確定好梯形料石墻的砌筑尺寸，保證達到支護頂板的強度和尺寸要求。利用工字鋼梁進行支護，如果料石墻高度達到3.2m，需在料石墻上側(cè)設(shè)置梁長為4.5m的工字鋼梁，排距為0.8m，將金屬網(wǎng)置于工字鋼梁上側(cè)，利用矸石充填金屬網(wǎng)。
3支護方案可行性分析
3.1理論驗證
結(jié)合煤層水文地質(zhì)情況，對回采區(qū)域覆巖應(yīng)力和運動演化進行分析。假定煤層傾斜方向與走向都為200m，高度為85m，煤層、頂板和底板巖層質(zhì)地較為脆弱，按照摩爾-庫侖屈服標準對煤層巖體破壞情況進行判斷，4個側(cè)面受到水平位移產(chǎn)生的約束力，底面受到豎向位移產(chǎn)生的約束力，頂部是載荷邊界，載荷來自于上覆巖層產(chǎn)生的重力。巷道底板掘進開挖后會受到剪切力而被破壞，頂板兩側(cè)也會出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象，這樣就會在巷道兩幫注漿加固區(qū)域形成較大范圍的損壞，但不會對巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，巷道附近的最大變形量為60mm[8]。巷道表面產(chǎn)生的位移量比較大，頂板、底板、兩幫產(chǎn)生位移量較小，圍巖位移主要集中在巷道表面到內(nèi)部4m區(qū)間內(nèi)，深度超過5m則不會使圍巖移動。這表明，料石墻、頂幫注漿和水泥基礎(chǔ)都具有較好的支護加固效果。所以，采用該種支護加固處理技術(shù)，不會使巷道產(chǎn)生較大的變形，反而會使圍巖應(yīng)力分布更為合理，有較強的穩(wěn)定性、安全性。
3.2礦壓監(jiān)測
通過礦壓監(jiān)測可以更為準確地檢驗設(shè)計是否合理，通過獲取到的圍巖變形情況、支護體與圍巖的位移和煤層應(yīng)力等數(shù)據(jù)信息，就可以判斷圍巖的穩(wěn)定性、安全性。對回風(fēng)巷采空區(qū)圍巖進行注漿加固，以錨索、料石墻和工字鋼為基礎(chǔ)進行全面支護加固，通過礦壓監(jiān)測對圍巖變形和支護受力情況進行分析與判斷。a)表面位移觀測。在巷道內(nèi)設(shè)置4個觀測點，每個觀測點在巷道軸方向上間距10m。以十字布點法來對斷面位移量進行監(jiān)測，在頂板中部垂直方向和兩幫水平方向鉆孔。b)錨桿、錨索監(jiān)測。在支護作業(yè)過程中，設(shè)置好錨索、錨桿液壓枕，采集錨索、錨桿受力數(shù)據(jù)。通過實際觀測礦壓數(shù)據(jù)，采用綜合支護加固方案后，巷道圍巖更趨于穩(wěn)定，兩幫位移量為0.114m，頂板、底板位移量為0.121m，錨桿受力為104kN，錨索受力為149kN。這表明，支護方案可以更好地控制圍巖變形。
4結(jié)語
綜上所述，在煤礦采空區(qū)巷道掘進過程中，根據(jù)覆巖結(jié)構(gòu)和承載強度等設(shè)計支護加固方案，可以采用錨桿、錨索網(wǎng)、料石墻和工字鋼梁等綜合支護技術(shù)。料石墻和頂幫注漿加固、水泥基礎(chǔ)具有很好的支護效果，巷道圍巖也更為穩(wěn)定，兩幫位移量、頂?shù)装逦灰屏枯^小，可以更好地抑制圍巖變形。巷道綜合加固支護技術(shù)具有很好的適用性，在礦井綜合整治方面發(fā)揮了重要作用，具有很好的應(yīng)用前景。
作者:邵春瑞 單位:山西三元煤業(yè)股份有限公司
