導(dǎo)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《某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(yùn)輸巷的頂板圍巖進(jìn)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(yùn)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(jìn)行了監(jiān)測，分析了該面進(jìn)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。
一、概述
隨著國家西部大開發(fā)和能源戰(zhàn)略的不斷實(shí)施，我國煤炭開發(fā)的重點(diǎn)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。其中相當(dāng)一部分煤田都屬于淺埋煤層，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。
某煤田礦區(qū)頂板關(guān)鍵層多為復(fù)合單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，從開采實(shí)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(yùn)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(dá)600~1000mm的臺階下沉，造成巷道內(nèi)支護(hù)設(shè)備的損壞和工作面停產(chǎn)，給礦井在經(jīng)濟(jì)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(zāi)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(jìn)行研究。
當(dāng)前，針對淺埋薄基巖煤層的巖層運(yùn)動以及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，眾多學(xué)者進(jìn)行了很多有意義的研究。劉全明等通過相似模擬試驗(yàn)與現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法，重點(diǎn)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(jìn)而影響工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。藍(lán)航等[8]則研究了淺埋深條件下采煤工作面沖擊地壓機(jī)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(jìn)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(dāng)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(yùn)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，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(jìn)行了研究。
二、工程概況
1.工作面地質(zhì)概況
某煤礦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(dá)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(jī)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?xùn)|翼盤區(qū)的中部，工作面西部為副斜井、5煤膠帶機(jī)巷；南部為未采掘區(qū)域；北部30m為正在掘進(jìn)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(biāo)高+981.7m～+1131m，對應(yīng)地面標(biāo)高+1173m～+1322m，埋深86～260m，對應(yīng)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(qiáng)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 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(hù)方案
507輔助運(yùn)輸順槽采用矩形斷面，掘進(jìn)高4150mm，掘進(jìn)寬5400mm；凈寬5300mm，凈高3800mm，掘進(jìn)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(qiáng)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(hù)形式，左幫部采用Φ20×2000mm玻璃鋼錨桿+高強(qiáng)塑料網(wǎng)支護(hù)，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(qiáng)塑料網(wǎng)規(guī)格為3600×1100mm，強(qiáng)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(qiáng)度等級為C30。507輔助運(yùn)輸順槽支護(hù)斷面圖如圖1-3所示。
圖 1-3 輔助運(yùn)輸順槽支護(hù)斷面圖
507膠帶運(yùn)輸順槽采用矩形斷面，掘進(jìn)高4050mm，掘進(jìn)寬5700mm；凈寬5600mm，凈高3800mm，掘進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)塑料網(wǎng)支護(hù)，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(hù)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(qiáng)度等級為C30。507膠帶運(yùn)輸順槽支護(hù)斷面圖如圖1-4所示。
圖 1-4 膠帶運(yùn)輸順槽巷道支護(hù)斷面圖
三、507工作面膠順冒落、淋水區(qū)注漿加固技術(shù)方案
1.冒落、淋水區(qū)概況
某煤礦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(dāng)前，507工作面兩巷頂板黃泥覆存特征是根據(jù)巷道掘進(jìn)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(jìn)行注漿。隨著礦上采煤推進(jìn)過程對工作面內(nèi)頂板的揭露情況，可及時對注漿方案進(jìn)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(yùn)輸順槽出現(xiàn)冒落、淋水區(qū)域（JS19前19m處~JS18后28m處共75m），對工作面正常回采及兩巷安全支護(hù)造成隱患，應(yīng)及時對其進(jìn)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(jìn)行支護(hù)，拱形斷面，無錨桿（索），未噴漿，冒落處用碎煤塊、木背板等進(jìn)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(yùn)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?。?，厚度為5~6m。
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(dāng)前507輔順淋水區(qū)采用的是架棚支護(hù)，通過“錨索注漿加固配合卡攬加強(qiáng)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(shí)，進(jìn)而形成局部錨注加固體，強(qiáng)化錨索在黃泥層的錨固力，配合卡攬?zhí)岣遀型鋼支護(hù)強(qiáng)度，防止巷道因受采動影響導(dǎo)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(hù)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(jìn)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(qiáng)化卡攬對U型鋼支護(hù)強(qiáng)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(qiáng)錨索錨固強(qiáng)度，配合卡攬加固U型鋼，防止采動影響導(dǎo)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行中間注漿孔注漿。
注漿結(jié)束后放置12小時以上進(jìn)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(shí)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(rèn)為達(dá)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
四、淺埋深、薄煤層區(qū)域巷道礦壓規(guī)律監(jiān)測
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(biāo)準(zhǔn)，麻地梁煤礦507工作面“膠順JS20點(diǎn)前16.7m～JS25點(diǎn)前17.6m，輔順FS25點(diǎn)前17.8m～FS31點(diǎn)前14.8m”為淺埋深區(qū)域，“膠順TJ1點(diǎn)前15.2m～JS21點(diǎn)前20.3m、輔順FS22點(diǎn)前1.1m～FS26點(diǎn)前56.6m”為薄煤層區(qū)域，“膠順JS20點(diǎn)前16.7m～JS21點(diǎn)前20.3m，輔順FS25點(diǎn)前17.8m～FS26點(diǎn)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(yàn)區(qū)進(jìn)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(hù)狀況，于507輔助運(yùn)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(hù)狀況，于507輔助運(yùn)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(yùn)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(diǎn)7 m，淺基點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)期間的的總體超前支承壓力顯現(xiàn)不明顯。
②1#~3#測點(diǎn)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(diǎn)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(hù)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(dāng)測站距離工作面超過90 m時，507輔助運(yùn)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(dāng)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(yīng)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(dāng)測站距離工作面40m左右時，測站內(nèi)錨索受力開始上升，當(dāng)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(dāng)測站距離工作面20m左右時，測站內(nèi)錨索受力達(dá)到峰值，輔助運(yùn)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(yùn)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(qiáng)度為17.3 MPa。
圖3-5 507輔助運(yùn)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(jìn)行監(jiān)測，頂板離層儀安裝于頂板中間，深基點(diǎn)7 m，淺基點(diǎn)3 m。對錨索錨固區(qū)內(nèi)的頂板離層進(jìn)行監(jiān)測。輔助運(yùn)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(diǎn)處相對位移量累計最大為4mm，3～7m深基點(diǎn)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(diǎn)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(shí)施，有效地防止了頂板離層、滑動、失穩(wěn)。
②在工作面回采過程中，測站各基點(diǎn)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(yùn)輸順槽頂板離層
五、主要結(jié)論
本文提出了淺埋深薄煤區(qū)域507工作面輔助運(yùn)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(yùn)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(jìn)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(qiáng)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(diǎn)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。
轉(zhuǎn)化果平臺咨詢電話：400-1817-969
