麻地梁煤礦溝谷地形淺埋煤層工(gōng)作面巷道注漿加固及礦壓顯現規律研究
導語：爲研究溝谷地形下(xià)淺埋煤層綜采工(gōng)作面兩巷的礦壓顯現規律，本期轉化果平台推出《麻地梁煤礦溝谷地形淺埋煤層工(gōng)作面巷道注漿加固及礦壓顯現規律研究》成果，以麻地梁煤礦507工(gōng)作面地質條件及生(shēng)産方式爲基礎，通過注漿錨索對507輔助運輸巷的頂闆圍岩進行了注漿加固，利用現場測試的研究方法，對注漿加固後工(gōng)作面輔助運輸巷的圍岩表面位移量、錨杆（索）受力狀态和圍岩深部位移量進行了監測，分(fēn)析了該面進入淺埋深區域後的超前支承壓力分(fēn)布規律。值得有關單位參考借鑒。
一(yī)、概述
随着國家西部大(dà)開(kāi)發和能源戰略的不斷實施，我(wǒ)國煤炭開(kāi)發的重點已向儲量豐富的西部地區轉移，并形成以内蒙古爲代表的西北和以貴州省爲代表的西南(nán)兩大(dà)發展方向。以我(wǒ)國西部淺埋煤層爲例，主要有神府-東勝煤田、陝北渝神煤田、新疆的吐哈煤田、甯夏的靈武煤田等。其中(zhōng)神府-東勝煤田處内蒙古南(nán)部和陝西北部，已探明儲量達2236億噸，約占我(wǒ)國探明儲量的81%。其中(zhōng)相當一(yī)部分(fēn)煤田都屬于淺埋煤層，神府東勝煤田是其中(zhōng)最典型的代表。埋深淺，基岩薄，上覆厚松散沙層是該地區煤層的典型賦存特征，并且儲量大(dà)、煤質優良、容易開(kāi)采、交通便利，近年來已經成爲我(wǒ)國重要的能源戰略基地。
神府東勝煤田礦區頂闆關鍵層多爲複合單一(yī)關鍵層結構，從開(kāi)采實踐和研究成果中(zhōng)可以總結出，在岩層控制方面主要存在兩大(dà)難題：一(yī)是頂闆關鍵層破斷後，上覆岩層同步破斷，破斷運動直至地表，并且采場工(gōng)作面礦壓顯現劇烈，頂闆關鍵層失穩後形成高達600~1000mm的台階下(xià)沉，造成巷道内支護設備的損壞和工(gōng)作面停産，給礦井在經濟上造成巨大(dà)的損失,二是頂闆岩層破斷後，形成貫通裂縫，使巷道内出現湧水潰沙災害，加劇地表水土流失和荒漠化，對西部脆弱的生(shēng)态環境造成難以估計的影響。同時岩層破斷會使地表形成塌陷區，對地面的建築物(wù)、公路造成損害，對人們的生(shēng)産和生(shēng)活活動造成巨大(dà)的影響。
因此，有必要對淺埋深煤層綜放(fàng)開(kāi)采過程中(zhōng)工(gōng)作面兩巷的加固技術及礦壓顯現規律進行研究。
當前，針對淺埋薄基岩煤層的岩層運動以及礦壓顯現規律，衆多學者進行了很多有意義的研究。劉全明等通過相似模拟試驗與現場觀測相結合的方法，重點分(fēn)析了淺埋深條件下(xià)的覆岩結構特征，發現基岩厚度的不同促使綜放(fàng)工(gōng)作面的基岩結構出現差異，進而影響工(gōng)作面的礦壓顯現規律。藍(lán)航等[8]則研究了淺埋深條件下(xià)采煤工(gōng)作面沖擊地壓機理及防止，并就安全開(kāi)采提出了及時切頂、煤體(tǐ)卸壓以及提高支架初撐力等有效措施。許家林等[9]對淺埋煤層的覆岩結構特征進行了分(fēn)類，并探讨了各類結構失穩的特征。周勇等[10]着眼于載荷性質，研究其在覆岩結構中(zhōng)的傳遞特征，并以此作爲礦壓顯現的演變依據。
當前的研究成果多是針對淺埋深大(dà)采高工(gōng)作面頂闆結構以及覆岩運動規律，而對薄基岩、厚松散層，尤其是地表爲溝谷特征的淺埋煤層工(gōng)作面兩巷的加固方式及兩巷的礦壓顯現規律研究較少。因此，爲掌握溝谷地形下(xià)淺埋煤層兩巷的礦壓顯現規律，本文以内蒙古智能煤炭有限責任公司麻地梁煤礦507工(gōng)作面兩巷爲例，采用現場監測的方法，對溝谷地形等多因素影響下(xià)的淺埋煤層工(gōng)作面兩巷的礦壓顯現規律進行了研究。
二、工(gōng)程概況
1.工(gōng)作面地質概況
内蒙古智能煤炭有限責任公司麻地梁煤礦507工(gōng)作面爲該礦首采工(gōng)作面，主采5#煤層，煤層傾角3°~7°，局部最大(dà)達16°左右，f=3.7，工(gōng)作面煤層厚度3.5~15.6m，平均煤厚爲10.34m，綜合機械化放(fàng)頂煤開(kāi)采，采用全部垮落法管理頂闆。507綜放(fàng)工(gōng)作面位于井田5煤層東翼盤區的中(zhōng)部，工(gōng)作面西部爲副斜井、5煤膠帶機巷；南(nán)部爲未采掘區域；北部30m爲正在掘進施工(gōng)的509工(gōng)作面；東部臨近井田邊界。工(gōng)作面傾斜長度250m，設計走向長度2760m，井下(xià)标高+981.7m～+1131m，對應地面标高+1173m～+1322m，埋深86～260m，對應地面屬典型黃土高原地貌，以黃土梁、峁、溝爲主，樹(shù)枝狀溝谷發育，地形起伏大(dà)，地表無水體(tǐ)，無基岩出露，無居民集中(zhōng)居住區。工(gōng)作面淺埋深區域走向長度470m，薄煤層區域走向長度400m，其中(zhōng)淺埋深與薄煤層重疊區域100m，最淺埋深處僅86m，如圖1-1所示。截止2020年6月，工(gōng)作面前方出現“370m+100m+300m”的淺埋深、薄煤區域，對兩巷的頂闆管理和工(gōng)作面的采煤生(shēng)産造成安全隐患。
工(gōng)作面煤岩層柱狀如圖1-2所示，工(gōng)作面直接頂爲灰~灰黑色泥岩，厚0~2.9m，岩石強度均勻性差，穩定性較差，易吸水軟化。局部直接頂不發育；老頂爲粗砂岩，厚6.8~13.2m，灰色~灰白(bái)色，成份以石英爲主（局部爲含礫粗砂岩），泥質膠結，較疏松；直接底爲泥岩或砂質泥岩，厚1.0~10.7m，深灰色，成份爲長石、石英，含少量雲母和暗色礦物(wù)，泥質膠結；老底爲粗砂岩，厚0~18.9m，水平層理，分(fēn)選性差，泥質膠結，較疏松，具體(tǐ)情況如表1所示。
圖1-2 麻地梁煤礦507 工(gōng)作面過淺埋深薄煤區圖
表1 工(gōng)作面頂底闆岩性
圖1-2 507工(gōng)作面頂底闆柱狀圖
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；淨寬5300mm，淨高3800mm，掘進斷面積22.41m2，淨斷面積20.14m2，地坪厚度300mm。頂部采用M3鋼帶配合7根Φ22×2500mm高強左旋錨杆，錨杆按矩形方式布置，間排距850×1000mm；頂部錨索按每排3根布置，間排距1400×2000mm，錨索規格爲Φ17.8×6300mm，托盤規格300×300×14mm。頂部挂6mm盤圓加工(gōng)的金屬網，網格爲100mm×100mm網片間壓茬100mm，每隔200mm用雙股14#鍍鋅鐵絲綁紮一(yī)道。頂加設M3型鋼帶，厚度δ=3mm、鋼帶寬178mm 、長5300mm；錨固劑：頂、幫部每根錨杆使用K2370型樹(shù)脂錨固劑一(yī)卷；每根錨索使用1卷K2370和1卷CK2370型樹(shù)脂錨固劑。右幫部采用Φ20×2000mm全螺紋右旋錨杆+鋼筋梯子梁+菱形網支護形式，左幫部采用Φ20×2000mm玻璃鋼錨杆+高強塑料網支護，每幫4根錨杆，間排距1000×1000mm。菱形金屬網爲10#鐵絲加工(gōng)，規格爲3600mm×1100mm，梯子梁采用Φ12mm圓鋼加工(gōng)，梁寬100mm，孔口内徑間距爲70×70mm,長3500mm，高強塑料網規格爲3600×1100mm，強度等級爲25KN，網格爲40×40mm。巷道内的水溝斷面爲：淨寬×淨深=300×300mm，鋪底100mm，壁厚100mm；地坪厚度300mm。砼強度等級爲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；淨寬5600mm，淨高3800mm，掘進斷面積23.09㎡，淨斷面積21.28㎡，地坪厚度200mm。頂部采用M3鋼帶配合7根Φ22×2500mm高強左旋錨杆，錨杆按矩形方式布置，間排距900×1000mm；頂部錨索按每排3根布置，間排距1400×2000mm，錨索規格爲Φ17.8×6300mm，托盤規格300×300×14mm。頂部挂6mm盤圓加工(gōng)的金屬網，網格爲100mm×100mm網片間壓茬100mm，每隔200mm用雙股14#鍍鋅鐵絲綁紮一(yī)道。頂加設M3型鋼帶，厚度δ=3mm、鋼帶寬178mm 、長5600mm；錨固劑：頂、幫部每根錨杆使用K2360型樹(shù)脂錨固劑一(yī)卷；每根錨索使用1卷K2370和1卷Z2370型樹(shù)脂錨固劑。右幫幫部采用Φ20×2000mm玻璃鋼錨杆+高強塑料網支護，每幫4根錨杆，間排距1000×1000mm。左幫幫部采用錨杆+鋼筋梯子梁+菱形網支護形式，每幫4根Φ20×2000mm全螺紋右旋錨杆，間排距1000×1000mm，150×150×10mm蝶形托盤。菱形金屬網爲10#鐵絲加工(gōng)，規格爲3600mm×1100mm，梯子梁采用Φ12mm圓鋼加工(gōng)，梁寬100mm，孔口内徑間距爲70×70mm,長3500mm。巷道内的水溝斷面爲：淨寬×淨深=300×300mm，鋪底100mm，壁厚100mm；地坪厚度200mm。砼強度等級爲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
三、507工(gōng)作面膠順冒落、淋水區注漿加固技術方案
1.冒落、淋水區概況
麻地梁煤礦507首采工(gōng)作面目前正經曆淺埋深區域，前方爲淺埋深及薄煤區重疊區域以及薄煤區。當前，507工(gōng)作面兩巷頂闆黃泥覆存特征是根據巷道掘進時頂闆揭露情況以及後期取芯孔探測數據獲得，而工(gōng)作面内上方黃泥覆存特征尚不清楚。因此，現僅根據礦方要求，對兩巷進行注漿。随着礦上采煤推進過程對工(gōng)作面内頂闆的揭露情況，可及時對注漿方案進行調整。
507工(gōng)作面淺埋深與薄煤區的重疊區内，膠帶運輸順槽出現冒落、淋水區域（JS19前19m處~JS18後28m處共75m），對工(gōng)作面正常回采及兩巷安全支護造成隐患，應及時對其進行超前注漿加固。
目前，507膠順冒落、淋水區域（3處冒落、1處淋水）采用U29拱形棚進行支護，拱形斷面，無錨杆（索），未噴漿，冒落處用碎煤塊、木背闆等進行充填。受巷道地質條件影響，該區域内架棚間距不同：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#-之後，棚距800 mm。圖2-1爲薄煤區膠帶運輸順槽取芯孔探測數據。由上述剖面圖可知(zhī)，507膠順冒落、淋水區域位于JS18~JS19之間，因此，該區域頂煤厚度爲0~1m，上覆黃泥（水量小(xiǎo)），厚度爲5~6m。
圖 2-1 507膠順冒落、淋水區域取芯孔探測
2.注漿技術方案
當前507輔順淋水區采用的是架棚支護，通過“錨索注漿加固配合卡攬加強U型鋼”方式，使得巷道破碎區裂隙和孔隙結構等得以充填、密實，進而形成局部錨注加固體(tǐ)，強化錨索在黃泥層的錨固力，配合卡攬提高U型鋼支護強度，防止巷道因受采動影響導緻此落、淋水區域冒頂危險。因此，根據507工(gōng)作面淺埋深、薄煤重疊區膠順頂闆圍岩地質特征，在原支護方案（架棚）基礎之上，采用錨注漿配合卡攬加固U型鋼方法對該冒落、淋水區域進行二次加固。
注漿加固具體(tǐ)方案爲：對巷道頂闆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。加固範圍爲JS19前19m處~JS18後28m處共75m的冒落、淋水區域。鑽孔布置方案如圖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，目的是注漿加強錨索錨固強度，配合卡攬加固U型鋼，防止采動影響導緻頂闆垮落。呈放(fàng)射形布置，與水平方向夾角分(fēn)别爲60°、90°和60°，利用錨注裝置配合錨索進行注漿。參數如下(xià)：
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(zhōng)空注漿管規格：内徑7.5 mm 外(wài)徑10 mm；如圖2-3所示。
③ 注漿壓力：2~5 MPa， 可根據現場注漿情況調整；
④ 注漿順序：爲防止跑漿，先向兩側注漿孔注漿，再進行中(zhōng)間注漿孔注漿。
注漿結束後放(fàng)置12小(xiǎo)時以上進行張緊，張緊力50~100kN。
（a）
（b）
圖 2-2 注漿加固技術方案
注漿過程中(zhōng)，爲保證破碎圍岩充填密實固結充分(fēn)，現場注漿一(yī)般原則上注到不吃漿爲止，一(yī)般根據注漿壓力和滲漏情況判斷漿液是否充滿，一(yī)般認爲達到要求的注漿壓力後，漿液不在繼續滲透，注漿孔漿液已注漿充分(fēn)。
1-絲堵 2-錨具 3-托盤 4-止漿塞 5-索體(tǐ) 6-中(zhōng)空管
圖 2-3 注漿錨索示意圖
四、淺埋深、薄煤層區域巷道礦壓規律監測
根據“煤層頂闆至地表的厚度小(xiǎo)于120m”及“巷道頂煤厚度小(xiǎo)于3~4m”的淺埋深、薄煤層區域劃分(fēn)标準，麻地梁煤礦507工(gōng)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”爲淺埋深區域，“膠順TJ1點前15.2m～JS21點前20.3m、輔順FS22點前1.1m～FS26點前56.6m”爲薄煤層區域，“膠順JS20點前16.7m～JS21點前20.3m，輔順FS25點前17.8m～FS26點前56.6m”爲淺埋深與薄煤區重疊區域，均對兩巷的頂闆管理和工(gōng)作面的采煤生(shēng)産造成隐患。現針對工(gōng)作面前方該“370m+100m+300m”範圍工(gōng)業試驗區進行礦壓監測，具體(tǐ)方案及監測計劃如下(xià)。
1.測站布置
（1）巷道表面位移觀測方案
結合巷道地質條件和現場巷道的支護狀況，于507輔助運輸順槽FS30後40m處開(kāi)始，每25m布置一(yī)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(tǐ)位置信息如表3-1所示。
圖 3-1 507工(gōng)作面兩巷測站布置示意圖
（2）錨杆（索）受力觀測方案
結合巷道地質條件和現場巷道的支護狀況，于507輔助運輸順槽FS27前12 m處開(kāi)始，每25 m布置一(yī)個測站，也即距FS27 前12 m、FS27 後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）頂闆離(lí)層觀測方案
于507輔助運輸順槽FS29後107m處開(kāi)始，每30m布置一(yī)個測站，也即距FS29 107 m、137m、167m、197 m處布置4個測站，頂闆離(lí)層儀安裝于頂闆中(zhōng)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(gōng)作面兩巷測站布置示意
2.階段監測結果
（1） 巷道圍岩表面位移監測分(fēn)析
507工(gōng)作面輔順1-3#測站表面變形随工(gōng)作面距離(lí)測站變化情況見圖3-4。由圖可知(zhī)：
①1#~3#測點觀測期間巷道圍岩兩幫相對移近量累計分(fēn)别爲：32、39、30 mm，頂闆累計下(xià)沉量分(fēn)别爲：23、27、26mm，巷道頂闆累計下(xià)沉量及兩幫累計移近量均較小(xiǎo)，因此，該地段巷道在掘進期間的的總體(tǐ)超前支承壓力顯現不明顯。
②1#~3#測點觀測到巷道變形量增大(dà)時距離(lí)工(gōng)作面距離(lí)分(fēn)别爲：39、51、66 m，基本分(fēn)布在距離(lí)工(gōng)作面50 m左右，故工(gōng)作面采動對巷道的範圍大(dà)緻在50 m左右。
③1#~3#測點觀測到巷道變形量急劇增大(dà)時距離(lí)工(gōng)作面距離(lí)分(fēn)别爲：16、23、30m，超前支承壓力影響最劇烈大(dà)緻位于工(gōng)作面前22 m内。
④509輔順回采巷道支護效果整體(tǐ)良好，巷道受工(gōng)作面采動影響範圍約22 m。
圖3-4 507輔順相對表面位移變化情況
（2）巷道錨杆（索）工(gōng)作阻力監測分(fēn)析
輔順1-3#測站錨杆（索）工(gōng)作阻力監測分(fēn)析如圖3-5所示，由圖可知(zhī):
①測站1、2、3初始監測距離(lí)工(gōng)作面分(fēn)别爲69.5 m、94.5 m、119.5 m，能夠較好地完成工(gōng)作面回采過程中(zhōng)超前支承壓力規律。當測站距離(lí)工(gōng)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定，無明顯變化，變化量均維持在1MPa内。這表明工(gōng)作面回采對90 m以外(wài)巷道頂闆影響極小(xiǎo)，巷道可以保持穩定。
③當測站距離(lí)工(gōng)作面40 m~90 m時，測站測力計有小(xiǎo)幅波動，但總體(tǐ)波動量較小(xiǎo)，均維持在0.2~2MPa，考慮是由于上覆岩層在回采擾動下(xià)地應力區小(xiǎo)幅變化造成錨杆（索）錨杆軸向載荷小(xiǎo)幅波動，總體(tǐ)對巷道頂闆穩定性影響較小(xiǎo)。
④當測站距離(lí)工(gōng)作面40m左右時，測站内錨索受力開(kāi)始上升，當測站距離(lí)工(gōng)作面25~40m時，錨索受力上升速度加快，曲線坡度加大(dà)，當測站距離(lí)工(gōng)作面20m左右時，測站内錨索受力達到峰值，輔助運輸順槽錨索受力12.3~22.1MPa。
⑤507工(gōng)作面超前支承壓力對輔助運輸順槽頂闆的影響範圍出現在距工(gōng)作面40m左右，超前支承壓力峰值出現在距工(gōng)作面20m左右，平均峰值強度爲17.3 MPa。
圖3-5 507輔助運輸順槽超前支承壓力
（3）巷道圍岩離(lí)層監測分(fēn)析
利用頂闆離(lí)層儀對頂闆離(lí)層情況進行監測，頂闆離(lí)層儀安裝于頂闆中(zhōng)間，深基點7 m，淺基點3 m。對錨索錨固區内的頂闆離(lí)層進行監測。輔助運輸巷1-2#測站巷道頂闆離(lí)層監測如圖3-6所示，由圖可知(zhī)：
①從2個測站總體(tǐ)來看，0～3m淺基點處相對位移量累計最大(dà)爲4mm，3～7m深基點處相對位移量累計最大(dà)爲2mm，在頂闆上部存在黃泥層軟弱結構的條件下(xià)，基點的相對位移量均較小(xiǎo)，離(lí)層不明顯，這說明限厚開(kāi)采技術的實施，有效地防止了頂闆離(lí)層、滑動、失穩。
① 在工(gōng)作面回采過程中(zhōng)，測站各基點的離(lí)層主要發生(shēng)在回采工(gōng)作面25 m範圍内，25 m之前頂闆區域穩定，說明回采主要影響範圍在25 m左右，同時，頂闆淺部離(lí)層量大(dà)于深部離(lí)層量，說明頂闆淺部岩層受回采相對影響大(dà)。
圖3-6 507輔助運輸順槽頂闆離(lí)層
本文提出了淺埋深薄煤區域507工(gōng)作面輔助運輸巷冒落、淋水區域注漿加固技術方案，并通過現場監測507工(gōng)作面輔助運輸巷各測站錨索受力、頂闆離(lí)層量及兩巷圍岩變形來對工(gōng)作面超前支承壓力進行分(fēn)析。研究表明：507工(gōng)作面超前支承壓力對巷道頂闆的影響範圍出現在距工(gōng)作面40 m左右，支承壓力峰值出現在距工(gōng)作面20~25 m左右，峰值強度爲17.3~22.8 MPa，超前支承壓力較爲緩和；從圍岩表面位移監測來看，圍岩收斂速率慢(màn)，圍岩變形較小(xiǎo)，超前支承壓力顯現不明顯；輔順和膠順頂闆離(lí)層主要發生(shēng)在回采工(gōng)作面20~25 m範圍内，膠順頂煤相對較薄且測點後靠近冒落、淋水區頂闆相對較薄弱，但巷道離(lí)層量均較小(xiǎo)，離(lí)層不明顯。
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