軟巖大變形破壞巷道修復治理研究

馬壟翔，朱師波，柳 霖，武文越

(1.內蒙古科技大學 礦業工程學院，內蒙古 包頭 014010;2.中國平煤神馬集團平煤股份一礦，河南 平頂山 467000)

當前我國煤礦巷道支護中，以軟巖為主的巷道比例占到總數的10%以上。在軟巖內布置巷道，巷道開挖后圍巖變形速度快、持續時間長、變形量大、巷道易產生底鼓、穩定性差、極難維護［1］。因此，軟巖巷道支護問題成為煤礦安全生產亟待解決的難題［2］。

1 工程概況

1.1 巷道工程地質概況

郁山煤礦－220 m水平軌道大巷為該礦北翼主要運輸巷道，擔負著郁山井田北翼采區煤炭回采時的通風、煤炭運輸、行人運料的任務。該區揭露的含煤地層自上而下依次為二疊系上統上石盒子組，厚146.40 ～218.55 m，平均厚 193.95 m;二疊系下統下石盒子組，厚 271.45 ～292.27 m，平均厚 277.92 m;二疊系下統山西組，厚 73.14～102.84 m，平均厚85.66 m;石炭系上統太原組，厚 24.46 ～35.74 m，平均厚28.04 m;石炭系上統本溪組，厚 4.69 ～16.61 m，平均厚8.46 m。

該軌道大巷為穿層巷道，穿過的巖層主要有泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖等，巖石強度低，遇水易軟化，地層構造復雜。巷道原支護技術為錨桿+金屬網+U型鋼可縮性金屬支架等聯合支護的方式，斷面形狀為直墻半圓拱形，斷面尺寸為3.4 m×3.3 m，凈斷面積12.8 m2，錨桿間排距700 mm ×700 mm，巷段部分地段采用錨索加強支護。

1.2 巷道圍巖組分分析

根據研究需要，在東翼運輸大巷進行取樣，采用日本理學(Rigaku)公司生產的D/Max－3B型Х射線衍射儀進行X射線衍射實驗，衍射圖譜見圖1。

圖1 樣品X－射線衍射圖譜

X射線衍射結果分析:郁山煤礦巖樣為一般常見礦物，樣品主要成分是高嶺石，有中等含量的石英、伊利石或伊蒙混層等礦物，含少量蒙脫石，具有一定的膨脹性。從以上分析結果可以得出，該巷道圍巖巖性具有明顯的軟巖物理特征。

2 巷道圍巖變形破壞機理分析

1)巷道圍巖巖性差。

巷道圍巖強度低且層理發育，該軌道大巷為穿層巷道，穿過的巖層主要有泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖等，巖石強度低，遇水易軟化，地層構造復雜。根據圍巖礦物組分實驗室測定結果可知，圍巖中礦物具有一定的膨脹性。由于圍巖中主要礦物成分為高嶺石，因此，圍巖遇水易泥化崩解，使得圍巖強度顯著降低。尤其在巷道圍巖為泥巖和炭質泥巖中，巷道變形最為嚴重。

2)巷道圍巖受水理作用影響明顯。

由于東大巷涌水量較大，巷道圍巖層理裂隙較發育而形成導水通道，同時圍巖中含有大量親水性礦物，使得巷道圍巖受水的侵蝕泥化、崩解、膨脹現象嚴重，從而進一步加劇了巷道圍巖力學性質的惡化。

3)巷道支護形式不合理、支護強度弱。

東大巷原支護采用錨網棚支護，圍巖變形破壞后采用U型鋼可縮性支架架棚支護。由于巷道圍巖軟弱，層理裂隙發育，受到采動影響后，圍巖塑性區范圍大，錨桿的錨固段受到破壞，錨固力降低，從而導致錨桿支護失效;受到水的影響后，圍巖變形進一步加大。采用U型鋼棚支護后，不重視壁后充填，使得U型鋼棚受力不均，在局部受到集中載荷作用下，支架承載能力大幅度降低，不能有效控制圍巖的破壞變形。由于未能有效維護巷道底板，巷道兩幫和兩底角應力集中程度大，引起巷道底板鼓起，兩幫角嚴重內移，又進一步降低了U型鋼支架的承載能力。

3 修復方案的確定

根據上述對該巷道破壞機理分析，提出了巷道修復方案:

1)適當刷大巷道斷面，預留變形量。

2)初噴及時封閉圍巖，提高圍巖的表面強度并消除環境效應對圍巖強度的影響。

3)背網架設馬蹄形U型鋼可縮性支架優化巷道斷面，并有控制地釋放圍巖中的變形能。

4)采用錨注技術實施金屬支架壁后充填，并對圍巖內部和表面的裂隙進行充填，提高圍巖自身承載結構的整體性，改善支架的受力狀態。

5)實施錨索梁對巷道關鍵部位進行加固，從根本上控制巷道的流變變形，維護巷道的長期穩定性。

4 修復方案的實施

4.1 巷道斷面參數的確定

巷道斷面形狀設計為馬蹄形，斷面設計凈寬4.6 m，凈高3.8 m，斷面擴刷后噴射混凝土密貼封閉圍巖。混凝土強度為C20、漿液配比水泥∶砂∶石子∶水=1∶2∶2∶0.6，噴漿前先清理圍巖表面，然后再進行噴漿作業。馬蹄形棚各段弧首尾連接，受力結構合理，能有效地將圍巖的殘余應力分解傳遞到其自身的承載結構中，易于保持棚子均衡受力和巷道穩定。

4.2 支護參數

4.2.1 馬蹄形全封閉式U型鋼支架參數

巷道支護采用29U大剛度馬蹄形全封閉金屬支架，每棚支架由4部分搭接而成，每節之間搭接500 mm，搭接處用2副卡纜固定。卡纜采用雙槽板卡纜，槽板厚23 mm、卡纜螺桿為M27。架設棚距為650 mm，支架間用6個拉桿連接，分別位于架頂、架肩、底梁腿連接處、底梁中間。每棚的頂幫用d6 mm鋼筋制成的鋼筋網背嚴，鋼筋網規格為2000 mm×800 mm，網格規格為70 mm×70 mm。全封閉馬蹄形29U型鋼支架加工圖見圖2。

圖2 馬蹄形29U全封閉金屬支架加工圖

4.2.2 底板反拱混凝土澆注并錨注錨索支護參數

對巷道底板進行開挖，使其形成反拱結構。反拱半徑為3101 mm，反拱最大深度為1200 mm。底板反拱澆注混凝土，澆注800 mm后，再采用2根錨索進行錨注支護。錨索規格為鋼絞線規格d1530 mm×6300 mm，眼深6 m，排距1.5 m。注漿錨桿先注漿，錨桿d15 mm，長800 mm;封孔可采用空心水泥卷或樹脂藥卷密實，封孔深度0.8 m。注漿最大壓力為2.5 MPa。待張拉完畢，混凝土回填400 mm(反拱最大深度)并留設水溝。

4.2.3 注漿及支架加強錨索支護參數

1)巷道注漿采用長短孔交替循環注漿，注漿孔排距700 mm。長孔深為3500 mm，短孔深度為1000 mm。注漿順序為:先注短孔，后注長孔，先下后上，先底腳、后兩幫、再肩窩、最后注正頂，注漿液為標號525 的硫鋁酸鹽快硬水泥，水灰比 0.85 ～1.0［3］。長短孔分別采用長度為3000 mm和800 mm的注漿錨桿進行注漿，注漿壓力為1～1.5 MPa，成品巷道堅持灑水養護14 d。

2)漿液凝固達到錨固力設計要求后，巷道采用錨索梁加強支護，見圖3所示。巷道兩幫分別采用2道(排)走向錨索梁加強支護，頂部1道(排)。巷道兩側下幫錨索向下30°～45°布置，上幫錨索向上斜10°～15°布置。兩幫錨索間距1100 mm，最下1根錨索距離底板600 mm布置，排距1000 mm，幫錨索排間用礦用工字鋼連接。11號礦用工字鋼，長度2000 mm，眼距1000 mm，每副錨索梁工字鋼壓4副U棚。鋼絞線規格d17.8 mm×7300 mm，眼深7 m，排距1 m，每孔采用7節樹脂藥卷加長錨固。使用錨桿測力計MS15－230/55張拉器測量每根錨索，讀數不得小于 22.6 MPa。

圖3 架、注、錨整體施工參數布置示意圖

5 支護效果

北翼軌道大巷修復巷道長165 m，共布置3個測站，測站間隔50 m。該巷道從2011年12月15日起進行礦壓觀測，共進行了5個月的礦壓觀測。該巷道3號測站的圍巖觀測結果見圖4，圖5。

從圖4，5可知，該巷道在擴巷掘進后7天內變形速度和兩幫移近速度較大，在30天以內巷道兩幫相對移近速度和頂板下沉速度減緩，巷道表面位移表現為緩慢增加;30天以后，圍巖處于穩定狀態總體上，巷道頂板下沉量和兩幫移近量都比較小，頂板最大下沉量為260 mm，兩幫最大移近量為300 mm。這說明該巷道圍巖已趨于穩定，提出的混凝土反拱+錨索錨注+馬蹄形全封閉金屬支架聯合支護的修復方案是可行的、有效的。

6 結語

在該礦區－220 m三水平軌道大巷修復中采用混凝土反拱+錨索錨注+馬蹄形全封閉金屬支架聯合支護方式，通過理論分析，證明該支護方案能夠明顯改善巷道圍巖的應力狀態，增加巷道的整體承載能力，有效控制巷道圍巖的變形。現場試驗表明，該方案措施得當，支護參數合理，能夠有效控制北翼軌道大巷圍巖變形，提高了該巷道支護的有效性和安全性，其支護效果明顯好于原支護，具有推廣應用價值。

［1］靖洪文，李元海，趙保太，等.軟巖工程支護理論與技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2008:1－7.

［2］董方庭，靖洪文，宋宏偉，等.圍巖松動圈巷道支護理論［M］.北京:煤炭工業出版社，2001:4－11.

［3］張 燕.新橋煤礦高應力軟巖永久巷道支護技術研究［J］.中州煤炭，2011，01(1):17－18.