73上07 運輸巷聯絡車場大斷面掘進巷道圍巖支護技術研究

褚福橋 曹東京

（山東能源集團有限公司，山東 濟南 250014）

隨著礦井開采技術水平和裝備的日益發展，目前限制礦井產量的關鍵因素之一是采掘接替問題。回采巷道一般布置于煤系地層，巷道圍巖的巖性普遍為煤、泥巖、砂質泥巖等，力學性能及抗擾動能力差，導致大斷面回采巷道的圍巖控制技術難度較大。若大斷面煤巷的掘進支護參數不合理，巷道掘成后將發生顯著變形，后期返修成本高且維護困難，還將影響工作面生產。

科研學者針對大斷面煤巷掘進支護技術進行了大量的研究并取得了豐富的理論和技術成果[1-4]，煤礦地質條件復雜，需結合研究地點條件提出針對性支護方案。為解決高莊煤礦73上07 運輸巷聯絡車場巷道掘成后變形顯著問題，分析了原支護存在的問題，研究了圍巖的變形破壞特點，設計了注漿錨索強力掘進支護方案，并現場驗證技術的可靠性。

1 工程背景

1.1 工作面地質條件

73上07 運輸巷聯絡車場擔負73上07 工作面的運輸、通風、行人等任務，位于西七采區北部，南部為西七采區三條上山。巷道由軌道上山開門向北部延伸掘進，開門點層位為3下煤層底板砂質泥巖，巷道周邊均為未開拓區域。巷道長度為198.833 m（平距），坡度為5‰上山、6.5°上山、19°下山、16°下山。巷道位置關系示意圖如圖1。

圖1 巷道位置關系示意圖

巷道所處地層為二疊系山西組，其中3上煤層平均厚度為4.0 m，傾角為8°～16°。直接頂巖性為砂質泥巖，厚度1.6 m，基本頂巖性為細砂巖，厚度為4.3 m。3下煤層平均厚度為3.5 m，同3上煤層之間為31 m 的粉、細粒砂巖、砂質泥巖互層，3下煤層底板為厚度為12.8 m 粉砂巖。

1.2 原掘進支護情況

73上07 運輸巷聯絡車場的斷面形狀設計為斜梯形，巷道凈寬4.2 m，中線處高度為3.5 m。頂板支護選用Φ20 mm×2200 mm 鋼錨桿，每排6 根錨桿，間排距800 mm×900 mm；巷幫選用Φ18 mm×1800 mm型號金屬螺紋鋼錨桿，每排9根錨桿，間排距850 mm×900 mm；配套使用150 mm×150 mm×8 mm 的錨桿托盤；選用尺寸1000 mm×2000 mm 的金屬方格網護表，網格尺寸100 mm×100 mm；巷道表面采用強度為C20 混凝土進行護表，厚度為100 mm。原掘進支護方案如圖2。

圖2 原支護方案斷面圖（mm）

73上07 運輸巷聯絡車場的巷道頂板巖性為砂質泥巖，層理較為發育，圍巖承載能力差、易離層，整體結構較破碎，巷道掘成后發生顯著變形，影響巷道的正常服務使用。現場圍巖的破壞具有如下特點：

（1）巷道變形速度及變形量較大，變形速率平均達22～28 mm/d，最大95 mm/d。待變形穩定后，巷道的頂底板收斂量為0.76～1.02 m，兩幫收斂量為0.67～0.98 m。

（2）巷道長時持續變形。巷道掘成后變形持續時間較長，需30～50 d 后變形量趨于平穩。

2 原支護失效原因分析及優化方案

2.1 原支護失效原因

（1）錨固長度不足。由于73上07 運輸巷聯絡車場頂板為砂質泥巖，巖性較差、易離層，如圖2所示。原錨桿支護長度僅2.2 m，未能錨固在深層穩定巖層內，導致頂板離層嚴重；巷幫為破碎煤體，原支護方案僅選用Φ18 mm×1800 mm 的錨桿對巷幫進行支護，難以控制巷幫變形。

（2）預應力場失效。因圍巖結構破碎難以穩定承載，原支護的普通錨桿、錨索支護無法有效維持預應力場的支護效果，支護體會隨巷道圍巖變形產生整體移動，無法控制巷道圍巖持續變形失穩。

2.2 圍巖變形控制思路

巷道開挖后，受掘進擾動作用巷道圍巖由內而外形成破碎區、塑性區和彈性區，圍巖及支護系統形成淺部圍巖的內承載結構和深部圍巖的外承載結構，如圖3。其中內承載結構包括巷道淺部破碎區及大部分塑性區圍巖及錨固體、注漿體等支護結構，外承載結構包括小部分塑性區和彈性區的圍巖。

圖3 巷道承載結構示意圖

巷道的破碎區及塑性區的半徑為：

式中：Rs為破碎區半徑；R0為巷道半徑；Rp為塑性區半徑；σRp為彈塑性區交界面處的應力；C為巖體內聚力；φ為內摩擦角；Q為巖體強度軟化模量；η為塑性軟化區圍巖擴容梯度。

根據式（1）和式（2）可以發現，影響內外承載結構半徑的關鍵因素是巖體的力學參數和支護強度。因此，改善掘進巷道圍巖支護效果主要從提升圍巖力學性能和增強支護強度兩方面入手，充分發揮出內外承載結構和支護體的共同作用。

針對原支護方案存在的問題及圍巖承載結構分布特點，提出了注漿錨索強力支護技術。一方面增大支護長度，將淺層破碎圍巖同深層穩定圍巖錨固成整體承載結構，實現主動支護效果；另一方面通過注漿改性，提升圍巖結構完整和承載性能，改善支護應力場擴散效果，保證圍巖控制效果。

2.3 支護優化參數

基于原支護下巷道圍巖變形破壞特征，結合73上07 運輸巷聯絡車場地質條件，提出了注漿錨索支護方案，支護參數如圖4。

圖4 注漿錨索強力掘進支護方案斷面圖（mm）

頂板選用Φ22 mm×4300 mm 的注漿錨索，間排距1600 mm×1600 mm，每排布置2 根注漿錨索，在第一排錨桿以巷中為基準在左邊第二棵和右邊第一棵錨桿處分別布置一棵錨索，隔一排錨桿在第三排錨桿以巷中為基準左邊第一棵和右邊第二棵錨桿處分別布置一棵錨索，以此類推。錨索錨固力不小于300 kN。錨索托盤為鋼板托盤，規格為250 mm×250 mm×14 mm。巷幫錨桿改為選用Φ20 mm×2200 mm 錨桿，同頂板錨桿一致。

注漿材料選用P.O 42.5 硅酸鹽水泥，添加波密度37 的液體水玻璃調節凝固時間。水泥漿的水灰比為1:1.1，水泥漿與水玻璃的比例為1:0.25。

3 現場實施效果

通過現場布置測站監測掘進工作面巷道表面位移，同時對巷道頂板進行鉆孔窺視，以檢驗頂板圍巖控制情況和漿液擴散效果。監測結果如圖5。

圖5 巷道圍巖變形情況

（1）從圖5（a）看出，隨滯后掘進工作面迎頭距離的加大，巷道斷面持續發生收斂。滯后掘進工作面迎頭30 m 后巷道斷面保持穩定，頂板下沉量21 mm，巷幫收斂量74 mm，底鼓量為25 mm。

（2）根據圖5（b）頂板鉆孔窺視結果可以看出，采用注漿錨索支護后，頂板圍巖離層得到有效控制，孔壁光滑無明顯離層裂隙發育，且原掘進擾動產生的裂隙已被注漿漿液完全充填，漿液擴散效果良好。

（3）同原掘進支護方案相比，采用注漿錨索支護后巷道斷面收斂量降低了90%以上，表明提出的支護方案適用性較好。

4 結論

（1）針對高莊煤礦73上07 運輸巷聯絡車場掘進遇到的斷面變形顯著問題，分析了巷道圍巖變形破壞特點及原支護方案存在的問題，提出注漿錨索支護方案。

（2）現場監測數據表明，采取注漿錨索支護后巷道變形得到有效控制，頂板未出現離層破壞情況，同原掘進支護方案相比變形量降低了90%以上，表明提出的注漿錨索支護方案適用性較好。