采区围岩力学研究及控制技术应用

王 亮，高翔宇

（1.山西煤炭运销集团阳泉二景和谐煤业有限公司，山西 阳泉 045000；2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030000）

1 概述

二景和谐煤矿井田位于阳泉市盂县县城西南12 km 处南娄镇南上社村西一带，批准开采6#～15#煤层，开采方式为地下开采，生产规模为90 万t/a，矿区面积3.211 9 km2。

15 号煤层位于太原组下部，上距12#煤层27.60～39.13 m，平均34.82 m。煤层厚度4.12～8.85m，平均6.08 m，煤层结构简单～复杂，一般含0～3 层泥岩夹矸。煤层顶板为K2 石灰岩，有时有0.60 m 泥岩伪顶，底板为泥岩、砂质泥岩。15#煤层为稳定全区可采煤层，井田内中东部大部分已采。15#煤层埋藏较深，未被氧化和剥蚀。

一采区主要巷道均布置在15#煤层中，采区胶带、轨道、回风巷均为矩形断面，沿15# 煤层顶板掘进，锚网支护，巷道间距为30m；工作面顺槽均在采区大巷东侧沿倾向布置，矩形断面，锚网支护，沿15#煤层底板托顶煤掘进，综掘机掘进；一采区共规划有15101、15102、15103、15104、15105 共5 个工作面。15103 工作面为采区首采工作面，已于2021 年8 月回采完毕；15101 工作面为现采工作面。

由于15#煤层围岩稳定性，15103 工作面在回采过程中受集中应力影响，出现围岩破碎现象，制约着工作面安全高效回采，对此二景和谐煤矿通过技术研究对15#煤层围岩力学性质进行分析，并对15103 回风顺槽破碎围岩提出了联合支护技术。

2 围岩力学性质分析研究

为了准确掌握15#煤层围岩结构及力学性质，二景和谐煤矿决定在15103 回风顺槽中施工钻孔取样以及施工钻孔窥视。

2.1 煤岩样取芯位置

二景和谐煤矿对15103 运输顺槽顶板围岩结构进行了观测，采用水压致裂法对测试点的地应力进行了测试。取样钻孔的位置为15#煤15103 回风顺槽350 m 处。钻孔从15#煤层开始向顶板方向垂直向上钻取20 m 的岩芯，向15#煤层底板方向垂直向下钻取5 m 的岩芯，取300 mm×300 mm×300 mm 的15#煤的块样若干。

2.2 围岩结构窥视

1）考虑到和谐煤矿一采区已有多个工作面开采，且有在掘巷道，故本次围岩结构观测选择多点进行，力求能够代表整个采区。本次共选择3 个观测点，分别位于15103 回风顺槽350 m 处、750 m 处、以及1 150 m 处。

2）ZKXG100 矿用钻孔成像轨迹检测装置进行钻孔观察，主要由仪器硬件和软件两部分组成，其中仪器硬件由钻孔成像仪主机、探头、深度计数器、推杆及连接线组成；软件采用武汉天宸伟业科技有限公司研发的TSC2013 高清晰智能钻孔成像仪分析评价系统[1]。

2.3 围岩观测结果分析

1）15103 回风顺槽直接顶砂质泥岩抗压强度20.3～22.9 MPa 平均21.2 MPa，抗拉强度0.95～1.04 MPa，平均0.99 MPa，属软岩石。基本顶为石灰岩抗压强度58.8～69.6 MPa，平均63 MPa，抗拉强度2.90～3.13 MPa，平均3.05 MPa，属较坚硬-坚硬岩石，岩体稳定性较好。

2）通过窥视发现顶板0～1.28 m 为泥岩，岩层呈黑色，岩层破碎，完整性差；1.28～16 m 为石灰岩，岩层呈灰白色-灰黑色，分解石脉充填；其中6.3、6.5、8.1、8.3 m 处有裂隙发育，10.59 m 处有环状裂隙，8.48～8.73 m、9.2～9.47 m、13～13.1 m 处有纵向裂隙，其余岩层完整性好。

3 围岩控制技术应用

通过对15103 回风顺槽围岩力学性质分析以及围岩结构观察发现，15103 回风顺槽围岩稳定性差，结构复杂，在应力作用下产生剪切破坏作用，是导致围岩破碎重要原因，所以决定对围岩提出注浆加固以及安装U29 型钢棚联合支护技术。

3.1 注浆加固技术

1）15103 回风顺槽注浆区布置在工作面超前20 m 范围内，注浆区域集中顶板及煤壁侧煤柱上，每排布置三个注浆孔（1#、2#、3#），其中顶板布置两个（1#、2#），煤壁侧巷帮布置1 个（3#）。

2）注浆钻孔布置排距为10 m，钻孔深度为5 m，直径为45 mm，1#钻孔布置巷道顶板中部[2]，2#钻孔布置在距煤壁0.3 m 处，3#钻孔布置在煤壁侧巷帮上，距顶板间距为1 m。1#、2#钻孔布置仰角为25°，2#钻孔向回采侧布置水平角为20°，3#钻孔布置仰角为45°，水平角为30°。

3）注浆钻孔施工完后对钻孔内安装注浆管路，并采用封孔器对孔口进行封堵，注浆管路外端依次连接压力表、空阀门、混合器，并通过注浆管路与专用注浆泵连接[3]，如图1 所示。

图1 注浆施工注浆设备连接示意图

4）注浆材料采用水玻璃与水泥砂浆混合浆液，混合比为0.4∶1,为了加快注浆液凝固速度，提高凝固强度[4]，对注浆液中添加速凝剂，注浆压力为5 MPa。

3.2 架棚施工

通过现场观察发现，15103 工作面在回采过程中受超前应力应力，回风顺槽两帮煤柱支撑强度低，特别是在过断层区时两帮煤柱垮落严重，传统超前应力区采用的单体柱支护时，支护强度低且支护数量大，所以决定对超前应力区采取架棚支护，如图2 所示。

图2 15103 回风顺槽钢棚支护断面示意图（单位：mm）

1）15103 回风顺槽架设的钢棚主要由U29 型钢焊制而成，棚腿长度为3.5 m，顶梁长度为4.2 m，棚腿与顶梁之间采用卡缆进行固定，底座采用一块长度及宽度为0.3 m，厚度为8 mm 钢板焊制而成，棚腿与底座之间采用螺栓进行固定[5]。

2）U29 型钢棚架设顺序为：底座→棚腿→顶梁→连接杆，钢棚架设间距为1.5 m，待所有钢棚架设完成后在相邻两架钢棚棚腿之间采用两组拉杆进行连接，拉杆成迈步式布置。

3）U29 型钢棚在安装时应注意以下事项：钢棚在安装前需对巷道底板进行平整，严禁将钢棚安装在松软、底鼓底板上；同一架钢棚在安装时棚腿必须安装平直，必要时采用锚杆将棚腿固定在巷帮上，棚腿与底座采用螺栓固定时必须拧固牢靠；钢棚顶梁安装后必须保证80%顶梁与顶板接触严实，若顶梁出现悬空或不接顶时必须采用背板进行填充[6]。

4 结语

山西煤炭运销集团阳泉二景和谐煤业有限公司针对15103 回采期间顺槽围岩出现破碎现象，对顺槽围岩采样、实验分析，去顶15103 顺槽围岩表层为不稳定软岩，通过对围岩内部结构进行观察发现，围岩结构复杂，从而导致工作面回采过程中出现围岩应力显现现象，通过对围岩采取注浆以及架棚联合控制技术后，弥补了原永久支护不足，控制了不稳定围岩变形现象，工作面在后期回采过程中顺槽围岩变形现象得到了有效控制，取得了显著应用成效。