采礦工程采空區巷道掘進支護技術淺議
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摘要：礦井復采會給采空區帶來安全方面的問題，應該結合巷道高冒區、空巷情況，采取綜合支護技術對圍巖進行加固。結合具體案例，對注漿加固、巷道支護進行設計，并對支護方案的可行性進行探討，以期為相關工作提供參考。
煤炭是保障國民經濟運行的重要資源，采用先進的巷道支護技術可以提高掘進支護的安全性、可靠性，更好地保證作業人員的生命安全。當前，很多煤礦進行了整合重組，需要對礦井巷道進行優化，而礦井復采前已經存在采空區，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險，需要結合礦井實際情況，確定巷道掘進支護方式，徹底解決采空區圍巖巷道可靠性差的問題[1]。A礦井掘進回風巷南段至立井103m區間內存在采空區與空巷，巖體存在垮落和頂板塌陷傾向，頂板上已經生成高冒區，煤層傾斜角度接近水平，頂底板為泥巖，存在裂縫發育，空巷落煤矸高度在3～4m，兩幫容易破碎。
1注漿加固方案設計
回風巷上部覆巖為砂質泥巖，通過對冒落帶及導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，導水裂縫高度為35～48m。掘進巷道位于冒落區應力減小部位，對破碎圍巖進行加固處理則可以提高巷道的穩定性、安全性，而且可以采用注漿加固支護技術。對于高冒區，采空區裂隙多，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，將其與漏必堵聯合應用，可以減少材料消耗量。以加快施工進度為設計原則，根據煤礦安全生產要求設計注漿加固方案。掘進作業到冒落帶區域時，存在冒頂和空頂等問題，容易引發安全事故。鑒于此，先應用漏必堵進行填充后形成人工頂板，進行填充作業前需要在上方設置木板、風筒布等來防止材料漏漿。回風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，確保巷道的穩定性與安全性[3]。
2巷道支護方案設計
結合煤礦圍巖強度強化的相關理論，對采空區巷道圍巖支護進行設計，將提升圍巖強度、承載能力作為主要目標。
2.1高冒區巷道支護
a)采用頂板錨網索支護方式確定高強度鋼錨桿規格型號，間距設置為1m，兩側間隔為0.9m。設置好金屬網后，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，應用8.3m錨索；頂板煤層厚度超過0.8m時，應用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，應該先確定兩幫成形情況，根據中腰線進行砌墻基礎施工，深度為0.55m。施工到實底時，先鋪設砂漿再砌筑料石，從下而上砌筑到3.6m后進行架棚作業，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，再對基礎進行平整處理。采用混凝土對基礎進行澆筑，達到足夠強度后鋪設軌道底梁，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采空區巷道支護
如果掘進巷道與采空區域巷道為相同水平，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巷道相交斷面來設計與創建人工巷幫[6]。a)錨網索支護。將錨網索支護設置于巷道貫通區間，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，將金屬網設置在巷道兩幫，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，基礎應該低于底板0.25m，采用粗料石進行鋪設。如果掘進巷在采空區巷道下方，采用錨網索對巷道頂板進行支護，先結合掘進巷頂板巖體實際情況確定頂錨桿規格型號、錨固劑的性能參數，將間距設置為0.9m，錨固長度為1.4m，金屬網與錨桿采用42m鋼筋梯子梁來連接[7]。對空巷側石墻進行砌筑，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，需在料石墻上側設置梁長為4.5m的工字鋼梁，排距為0.8m，將金屬網置于工字鋼梁上側，利用矸石充填金屬網。
3支護方案可行性分析
3.1理論驗證
結合煤層水文地質情況，對回采區域覆巖應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個側面受到水平位移產生的約束力，底面受到豎向位移產生的約束力，頂部是載荷邊界，載荷來自于上覆巖層產生的重力。巷道底板掘進開挖后會受到剪切力而被破壞，頂板兩側也會出現剪切破壞現象，這樣就會在巷道兩幫注漿加固區域形成較大范圍的損壞，但不會對巷道的穩定性產生影響，巷道附近的最大變形量為60mm[8]。巷道表面產生的位移量比較大，頂板、底板、兩幫產生位移量較小，圍巖位移主要集中在巷道表面到內部4m區間內，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，不會使巷道產生較大的變形，反而會使圍巖應力分布更為合理，有較強的穩定性、安全性。
3.2礦壓監測
通過礦壓監測可以更為準確地檢驗設計是否合理，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力等數據信息，就可以判斷圍巖的穩定性、安全性。對回風巷采空區圍巖進行注漿加固，以錨索、料石墻和工字鋼為基礎進行全面支護加固，通過礦壓監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。在巷道內設置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、錨索監測。在支護作業過程中，設置好錨索、錨桿液壓枕，采集錨索、錨桿受力數據。通過實際觀測礦壓數據，采用綜合支護加固方案后，巷道圍巖更趨于穩定，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結語
綜上所述，在煤礦采空區巷道掘進過程中，根據覆巖結構和承載強度等設計支護加固方案，可以采用錨桿、錨索網、料石墻和工字鋼梁等綜合支護技術。料石墻和頂幫注漿加固、水泥基礎具有很好的支護效果，巷道圍巖也更為穩定，兩幫位移量、頂底板位移量較小，可以更好地抑制圍巖變形。巷道綜合加固支護技術具有很好的適用性，在礦井綜合整治方面發揮了重要作用，具有很好的應用前景。
作者:邵春瑞 單位:山西三元煤業股份有限公司
