導語：為研究溝谷地形下淺埋煤層綜采工作面兩巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，本期轉(zhuǎn)化果平臺推出《麻地梁煤礦溝谷地形淺埋煤層工作面巷道注漿加固及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究》成果，以麻地梁煤礦507工作面地質(zhì)條件及生產(chǎn)方式為基礎(chǔ)，通過注漿錨索對507輔助運輸巷的頂板圍巖進行了注漿加固，利用現(xiàn)場測試的研究方法，對注漿加固后工作面輔助運輸巷的圍巖表面位移量、錨桿（索）受力狀態(tài)和圍巖深部位移量進行了監(jiān)測，分析了該面進入淺埋深區(qū)域后的超前支承壓力分布規(guī)律。值得有關(guān)單位參考借鑒。

隨著國家西部大開發(fā)和能源戰(zhàn)略的不斷實施，我國煤炭開發(fā)的重點已向儲量豐富的西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，并形成以內(nèi)蒙古為代表的西北和以貴州省為代表的西南兩大發(fā)展方向。以我國西部淺埋煤層為例，主要有神府-東勝煤田、陜北渝神煤田、新疆的吐哈煤田、寧夏的靈武煤田等。其中神府-東勝煤田處內(nèi)蒙古南部和陜西北部，已探明儲量達2236億噸，約占我國探明儲量的81%。其中相當一部分煤田都屬于淺埋煤層，神府東勝煤田是其中最典型的代表。埋深淺，基巖薄，上覆厚松散沙層是該地區(qū)煤層的典型賦存特征，并且儲量大、煤質(zhì)優(yōu)良、容易開采、交通便利，近年來已經(jīng)成為我國重要的能源戰(zhàn)略基地。

神府東勝煤田礦區(qū)頂板關(guān)鍵層多為復合單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，從開采實踐和研究成果中可以總結(jié)出，在巖層控制方面主要存在兩大難題：一是頂板關(guān)鍵層破斷后，上覆巖層同步破斷，破斷運動直至地表，并且采場工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，頂板關(guān)鍵層失穩(wěn)后形成高達600~1000mm的臺階下沉，造成巷道內(nèi)支護設(shè)備的損壞和工作面停產(chǎn)，給礦井在經(jīng)濟上造成巨大的損失,二是頂板巖層破斷后，形成貫通裂縫，使巷道內(nèi)出現(xiàn)涌水潰沙災害，加劇地表水土流失和荒漠化，對西部脆弱的生態(tài)環(huán)境造成難以估計的影響。同時巖層破斷會使地表形成塌陷區(qū)，對地面的建筑物、公路造成損害，對人們的生產(chǎn)和生活活動造成巨大的影響。

因此，有必要對淺埋深煤層綜放開采過程中工作面兩巷的加固技術(shù)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究。

當前，針對淺埋薄基巖煤層的巖層運動以及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，眾多學者進行了很多有意義的研究。劉全明等通過相似模擬試驗與現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法，重點分析了淺埋深條件下的覆巖結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)基巖厚度的不同促使綜放工作面的基巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異，進而影響工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。藍航等^[8]則研究了淺埋深條件下采煤工作面沖擊地壓機理及防止，并就安全開采提出了及時切頂、煤體卸壓以及提高支架初撐力等有效措施。許家林等^[9]對淺埋煤層的覆巖結(jié)構(gòu)特征進行了分類，并探討了各類結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的特征。周勇等^[10]著眼于載荷性質(zhì)，研究其在覆巖結(jié)構(gòu)中的傳遞特征，并以此作為礦壓顯現(xiàn)的演變依據(jù)。

當前的研究成果多是針對淺埋深大采高工作面頂板結(jié)構(gòu)以及覆巖運動規(guī)律，而對薄基巖、厚松散層，尤其是地表為溝谷特征的淺埋煤層工作面兩巷的加固方式及兩巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究較少。因此，為掌握溝谷地形下淺埋煤層兩巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，本文以內(nèi)蒙古智能煤炭有限責任公司麻地梁煤礦507工作面兩巷為例，采用現(xiàn)場監(jiān)測的方法，對溝谷地形等多因素影響下的淺埋煤層工作面兩巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究。

1.工作面地質(zhì)概況

內(nèi)蒙古智能煤炭有限責任公司麻地梁煤礦507工作面為該礦首采工作面，主采5#煤層，煤層傾角3°~7°，局部最大達16°左右，f=3.7，工作面煤層厚度3.5~15.6m，平均煤厚為10.34m，綜合機械化放頂煤開采，采用全部垮落法管理頂板。507綜放工作面位于井田5煤層東翼盤區(qū)的中部，工作面西部為副斜井、5煤膠帶機巷；南部為未采掘區(qū)域；北部30m為正在掘進施工的509工作面；東部臨近井田邊界。工作面傾斜長度250m，設(shè)計走向長度2760m，井下標高+981.7m～+1131m，對應地面標高+1173m～+1322m，埋深86～260m，對應地面屬典型黃土高原地貌，以黃土梁、峁、溝為主，樹枝狀溝谷發(fā)育，地形起伏大，地表無水體，無基巖出露，無居民集中居住區(qū)。工作面淺埋深區(qū)域走向長度470m，薄煤層區(qū)域走向長度400m，其中淺埋深與薄煤層重疊區(qū)域100m，最淺埋深處僅86m，如圖1-1所示。截止2020年6月，工作面前方出現(xiàn)“370m+100m+300m”的淺埋深、薄煤區(qū)域，對兩巷的頂板管理和工作面的采煤生產(chǎn)造成安全隱患。

工作面煤巖層柱狀如圖1-2所示，工作面直接頂為灰~灰黑色泥巖，厚0~2.9m，巖石強度均勻性差，穩(wěn)定性較差，易吸水軟化。局部直接頂不發(fā)育；老頂為粗砂巖，厚6.8~13.2m，灰色~灰白色，成份以石英為主（局部為含礫粗砂巖），泥質(zhì)膠結(jié)，較疏松；直接底為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚1.0~10.7m，深灰色，成份為長石、石英，含少量云母和暗色礦物，泥質(zhì)膠結(jié)；老底為粗砂巖，厚0~18.9m，水平層理，分選性差，泥質(zhì)膠結(jié)，較疏松，具體情況如表1所示。

圖1-2  麻地梁煤礦507 工作面過淺埋深薄煤區(qū)圖

表1  工作面頂?shù)装鍘r性

圖1-2 507工作面頂?shù)装逯鶢顖D

2.回采巷道支護方案

507輔助運輸順槽采用矩形斷面，掘進高4150mm，掘進寬5400mm；凈寬5300mm，凈高3800mm，掘進斷面積22.41m²，凈斷面積20.14m²，地坪厚度300mm。頂部采用M3鋼帶配合7根Φ22×2500mm高強左旋錨桿，錨桿按矩形方式布置，間排距850×1000mm；頂部錨索按每排3根布置，間排距1400×2000mm，錨索規(guī)格為Φ17.8×6300mm，托盤規(guī)格300×300×14mm。頂部掛6mm盤圓加工的金屬網(wǎng)，網(wǎng)格為100mm×100mm網(wǎng)片間壓茬100mm，每隔200mm用雙股14#鍍鋅鐵絲綁扎一道。頂加設(shè)M3型鋼帶，厚度δ=3mm、鋼帶寬178mm 、長5300mm；錨固劑：頂、幫部每根錨桿使用K2370型樹脂錨固劑一卷；每根錨索使用1卷K2370和1卷CK2370型樹脂錨固劑。右?guī)筒坎捎忙?0×2000mm全螺紋右旋錨桿+鋼筋梯子梁+菱形網(wǎng)支護形式，左幫部采用Φ20×2000mm玻璃鋼錨桿+高強塑料網(wǎng)支護，每幫4根錨桿，間排距1000×1000mm。菱形金屬網(wǎng)為10#鐵絲加工，規(guī)格為3600mm×1100mm，梯子梁采用Φ12mm圓鋼加工，梁寬100mm，孔口內(nèi)徑間距為70×70mm,長3500mm，高強塑料網(wǎng)規(guī)格為3600×1100mm，強度等級為25KN，網(wǎng)格為40×40mm。巷道內(nèi)的水溝斷面為：凈寬×凈深=300×300mm，鋪底100mm，壁厚100mm；地坪厚度300mm。砼強度等級為C30。507輔助運輸順槽支護斷面圖如圖1-3所示。

圖 1-3 輔助運輸順槽支護斷面圖

507膠帶運輸順槽采用矩形斷面，掘進高4050mm，掘進寬5700mm；凈寬5600mm，凈高3800mm，掘進斷面積23.09㎡，凈斷面積21.28㎡，地坪厚度200mm。頂部采用M3鋼帶配合7根Φ22×2500mm高強左旋錨桿，錨桿按矩形方式布置，間排距900×1000mm；頂部錨索按每排3根布置，間排距1400×2000mm，錨索規(guī)格為Φ17.8×6300mm，托盤規(guī)格300×300×14mm。頂部掛6mm盤圓加工的金屬網(wǎng)，網(wǎng)格為100mm×100mm網(wǎng)片間壓茬100mm，每隔200mm用雙股14#鍍鋅鐵絲綁扎一道。頂加設(shè)M3型鋼帶，厚度δ=3mm、鋼帶寬178mm 、長5600mm；錨固劑：頂、幫部每根錨桿使用K2360型樹脂錨固劑一卷；每根錨索使用1卷K2370和1卷Z2370型樹脂錨固劑。右?guī)蛶筒坎捎忙?0×2000mm玻璃鋼錨桿+高強塑料網(wǎng)支護，每幫4根錨桿，間排距1000×1000mm。左幫幫部采用錨桿+鋼筋梯子梁+菱形網(wǎng)支護形式，每幫4根Φ20×2000mm全螺紋右旋錨桿，間排距1000×1000mm，150×150×10mm蝶形托盤。菱形金屬網(wǎng)為10#鐵絲加工，規(guī)格為3600mm×1100mm，梯子梁采用Φ12mm圓鋼加工，梁寬100mm，孔口內(nèi)徑間距為70×70mm,長3500mm。巷道內(nèi)的水溝斷面為：凈寬×凈深=300×300mm，鋪底100mm，壁厚100mm；地坪厚度200mm。砼強度等級為C30。507膠帶運輸順槽支護斷面圖如圖1-4所示。

圖 1-4 膠帶運輸順槽巷道支護斷面圖

1.冒落、淋水區(qū)概況

麻地梁煤礦507首采工作面目前正經(jīng)歷淺埋深區(qū)域，前方為淺埋深及薄煤區(qū)重疊區(qū)域以及薄煤區(qū)。當前，507工作面兩巷頂板黃泥覆存特征是根據(jù)巷道掘進時頂板揭露情況以及后期取芯孔探測數(shù)據(jù)獲得，而工作面內(nèi)上方黃泥覆存特征尚不清楚。因此，現(xiàn)僅根據(jù)礦方要求，對兩巷進行注漿。隨著礦上采煤推進過程對工作面內(nèi)頂板的揭露情況，可及時對注漿方案進行調(diào)整。

507工作面淺埋深與薄煤區(qū)的重疊區(qū)內(nèi)，膠帶運輸順槽出現(xiàn)冒落、淋水區(qū)域（JS19前19m處~JS18后28m處共75m），對工作面正?；夭杉皟上锇踩ёo造成隱患，應及時對其進行超前注漿加固。

目前，507膠順冒落、淋水區(qū)域（3處冒落、1處淋水）采用U29拱形棚進行支護，拱形斷面，無錨桿（索），未噴漿，冒落處用碎煤塊、木背板等進行充填。受巷道地質(zhì)條件影響，該區(qū)域內(nèi)架棚間距不同：94#-136#，棚距1000mm；136#-158#，棚距800mm；158#-193#，棚距600 mm；193#-213#，棚距800 mm；213#-220#，棚距1000 mm；220#-229#，棚距600 mm；229#-之后，棚距800 mm。圖2-1為薄煤區(qū)膠帶運輸順槽取芯孔探測數(shù)據(jù)。由上述剖面圖可知，507膠順冒落、淋水區(qū)域位于JS18~JS19之間，因此，該區(qū)域頂煤厚度為0~1m，上覆黃泥（水量?。穸葹?~6m。

圖 2-1 507膠順冒落、淋水區(qū)域取芯孔探測

2.注漿技術(shù)方案

當前507輔順淋水區(qū)采用的是架棚支護，通過“錨索注漿加固配合卡攬加強U型鋼”方式，使得巷道破碎區(qū)裂隙和孔隙結(jié)構(gòu)等得以充填、密實，進而形成局部錨注加固體，強化錨索在黃泥層的錨固力，配合卡攬?zhí)岣遀型鋼支護強度，防止巷道因受采動影響導致此落、淋水區(qū)域冒頂危險。因此，根據(jù)507工作面淺埋深、薄煤重疊區(qū)膠順頂板圍巖地質(zhì)特征，在原支護方案（架棚）基礎(chǔ)之上，采用錨注漿配合卡攬加固U型鋼方法對該冒落、淋水區(qū)域進行二次加固。

注漿加固具體方案為：對巷道頂板和兩幫采用錨注裝置對錨索注漿，強化卡攬對U型鋼支護強度。加固范圍為JS19前19m處~JS18后28m處共75m的冒落、淋水區(qū)域。鉆孔布置方案如圖2-2所示。每斷面布置3組注漿孔，共6根錨索，每對錨索在卡攬兩側(cè)，目的是注漿加強錨索錨固強度，配合卡攬加固U型鋼，防止采動影響導致頂板垮落。呈放射形布置，與水平方向夾角分別為60°、90°和60°，利用錨注裝置配合錨索進行注漿。參數(shù)如下：

①注漿孔：孔深3000 mm，孔徑32 mm；

② 錨索：直徑22mm；強度1760Mpa，破斷力≥420KN；中空注漿管規(guī)格：內(nèi)徑7.5 mm 外徑10 mm；如圖2-3所示。

③ 注漿壓力：2~5 MPa， 可根據(jù)現(xiàn)場注漿情況調(diào)整；

④ 注漿順序：為防止跑漿，先向兩側(cè)注漿孔注漿，再進行中間注漿孔注漿。

注漿結(jié)束后放置12小時以上進行張緊，張緊力50~100kN。

（a）

（b）

圖 2-2 注漿加固技術(shù)方案

注漿過程中，為保證破碎圍巖充填密實固結(jié)充分，現(xiàn)場注漿一般原則上注到不吃漿為止，一般根據(jù)注漿壓力和滲漏情況判斷漿液是否充滿，一般認為達到要求的注漿壓力后，漿液不在繼續(xù)滲透，注漿孔漿液已注漿充分。

1-絲堵   2-錨具  3-托盤   4-止?jié){塞   5-索體   6-中空管

圖 2-3 注漿錨索示意圖

根據(jù)“煤層頂板至地表的厚度小于120m”及“巷道頂煤厚度小于3~4m”的淺埋深、薄煤層區(qū)域劃分標準，麻地梁煤礦507工作面“膠順JS20點前16.7m～JS25點前17.6m，輔順FS25點前17.8m～FS31點前14.8m”為淺埋深區(qū)域，“膠順TJ1點前15.2m～JS21點前20.3m、輔順FS22點前1.1m～FS26點前56.6m”為薄煤層區(qū)域，“膠順JS20點前16.7m～JS21點前20.3m，輔順FS25點前17.8m～FS26點前56.6m”為淺埋深與薄煤區(qū)重疊區(qū)域，均對兩巷的頂板管理和工作面的采煤生產(chǎn)造成隱患?，F(xiàn)針對工作面前方該“370m+100m+300m”范圍工業(yè)試驗區(qū)進行礦壓監(jiān)測，具體方案及監(jiān)測計劃如下。

1.測站布置

（1）巷道表面位移觀測方案

結(jié)合巷道地質(zhì)條件和現(xiàn)場巷道的支護狀況，于507輔助運輸順槽FS30后40m處開始，每25m布置一個測站，也即距FS30 70 m、95 m、120m、145 m、170 m、195m、220m處布置7個測站。507回采巷道測站布置圖如圖3-1所示，具體位置信息如表3-1所示。

圖 3-1 507工作面兩巷測站布置示意圖

（2）錨桿（索）受力觀測方案

結(jié)合巷道地質(zhì)條件和現(xiàn)場巷道的支護狀況，于507輔助運輸順槽FS27前12 m處開始，每25 m布置一個測站，也即距FS27 前12 m、FS27 后13m、38 m、63 m、88 m處布置5個測站。507回采巷道測站布置圖如圖3-2所示。

圖 3-2 507回采巷道錨索受力測站布置示意圖

（3）頂板離層觀測方案

于507輔助運輸順槽FS29后107m處開始，每30m布置一個測站，也即距FS29 107 m、137m、167m、197 m處布置4個測站，頂板離層儀安裝于頂板中間，深基點7 m，淺基點3 m，507回采巷道測站布置圖如圖 3-3所示。

圖3-3 507工作面兩巷測站布置示意

2.階段監(jiān)測結(jié)果

（1） 巷道圍巖表面位移監(jiān)測分析

507工作面輔順1-3#測站表面變形隨工作面距離測站變化情況見圖3-4。由圖可知：

①1#~3#測點觀測期間巷道圍巖兩幫相對移近量累計分別為：32、39、30 mm，頂板累計下沉量分別為：23、27、26mm，巷道頂板累計下沉量及兩幫累計移近量均較小，因此，該地段巷道在掘進期間的的總體超前支承壓力顯現(xiàn)不明顯。

②1#~3#測點觀測到巷道變形量增大時距離工作面距離分別為：39、51、66 m，基本分布在距離工作面50 m左右，故工作面采動對巷道的范圍大致在50 m左右。

③1#~3#測點觀測到巷道變形量急劇增大時距離工作面距離分別為：16、23、30m，超前支承壓力影響最劇烈大致位于工作面前22 m內(nèi)。

④509輔順回采巷道支護效果整體良好，巷道受工作面采動影響范圍約22 m。

圖3-4 507輔順相對表面位移變化情況

（2）巷道錨桿（索）工作阻力監(jiān)測分析

輔順1-3#測站錨桿（索）工作阻力監(jiān)測分析如圖3-5所示，由圖可知:

①測站1、2、3初始監(jiān)測距離工作面分別為69.5 m、94.5 m、119.5 m，能夠較好地完成工作面回采過程中超前支承壓力規(guī)律。當測站距離工作面超過90 m時，507輔助運輸順槽的3#測站錨索受力比較穩(wěn)定，無明顯變化，變化量均維持在1MPa內(nèi)。這表明工作面回采對90 m以外巷道頂板影響極小，巷道可以保持穩(wěn)定。

③當測站距離工作面40 m~90 m時，測站測力計有小幅波動，但總體波動量較小，均維持在0.2~2MPa，考慮是由于上覆巖層在回采擾動下地應力區(qū)小幅變化造成錨桿（索）錨桿軸向載荷小幅波動，總體對巷道頂板穩(wěn)定性影響較小。

④當測站距離工作面40m左右時，測站內(nèi)錨索受力開始上升，當測站距離工作面25~40m時，錨索受力上升速度加快，曲線坡度加大，當測站距離工作面20m左右時，測站內(nèi)錨索受力達到峰值，輔助運輸順槽錨索受力12.3~22.1MPa。

⑤507工作面超前支承壓力對輔助運輸順槽頂板的影響范圍出現(xiàn)在距工作面40m左右，超前支承壓力峰值出現(xiàn)在距工作面20m左右，平均峰值強度為17.3 MPa。

圖3-5 507輔助運輸順槽超前支承壓力

（3）巷道圍巖離層監(jiān)測分析

利用頂板離層儀對頂板離層情況進行監(jiān)測，頂板離層儀安裝于頂板中間，深基點7 m，淺基點3 m。對錨索錨固區(qū)內(nèi)的頂板離層進行監(jiān)測。輔助運輸巷1-2#測站巷道頂板離層監(jiān)測如圖3-6所示，由圖可知：

①從2個測站總體來看，0～3m淺基點處相對位移量累計最大為4mm，3～7m深基點處相對位移量累計最大為2mm，在頂板上部存在黃泥層軟弱結(jié)構(gòu)的條件下，基點的相對位移量均較小，離層不明顯，這說明限厚開采技術(shù)的實施，有效地防止了頂板離層、滑動、失穩(wěn)。

① 在工作面回采過程中，測站各基點的離層主要發(fā)生在回采工作面25 m范圍內(nèi)，25 m之前頂板區(qū)域穩(wěn)定，說明回采主要影響范圍在25 m左右，同時，頂板淺部離層量大于深部離層量，說明頂板淺部巖層受回采相對影響大。

圖3-6 507輔助運輸順槽頂板離層

本文提出了淺埋深薄煤區(qū)域507工作面輔助運輸巷冒落、淋水區(qū)域注漿加固技術(shù)方案，并通過現(xiàn)場監(jiān)測507工作面輔助運輸巷各測站錨索受力、頂板離層量及兩巷圍巖變形來對工作面超前支承壓力進行分析。研究表明：507工作面超前支承壓力對巷道頂板的影響范圍出現(xiàn)在距工作面40 m左右，支承壓力峰值出現(xiàn)在距工作面20~25 m左右，峰值強度為17.3~22.8 MPa，超前支承壓力較為緩和；從圍巖表面位移監(jiān)測來看，圍巖收斂速率慢，圍巖變形較小，超前支承壓力顯現(xiàn)不明顯；輔順和膠順頂板離層主要發(fā)生在回采工作面20~25 m范圍內(nèi)，膠順頂煤相對較薄且測點后靠近冒落、淋水區(qū)頂板相對較薄弱，但巷道離層量均較小，離層不明顯。

免責聲明 | 文章（圖片）版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載于能源科技成果轉(zhuǎn)化服務平臺公眾號，僅作分享之用，如有侵權(quán)請及時聯(lián)系我們