火成巖侵入區巷道支護技術研究＊

杜學領 王 寧 李 楊 張修澤

(1.中國礦業大學 (北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.中國礦業大學 (北京)力學與建筑工程學院，北京市海淀區，100083)

山西永定莊煤礦于2011年11月開拓石炭系3＃～5＃煤層，次年2月沿3＃～5＃煤層底板施工盤區巷道，在巷道掘進范圍內多處遇火成巖侵入區，給工作面安全生產造成很大威脅。火成巖侵入區內掘進速度下降，無法保證正常的生產接替。該煤層為石炭系太原組最上一層可采煤層，井田東部受到火成巖侵入體破壞嚴重，且火成巖侵入無明顯規律可循。區域內煤層夾矸層數較多，煤層結構復雜，附近煤層受高溫熾熱的巖漿侵入影響受熱而發生變質、硅化，煤質疏松易碎、易片幫。由于巖漿侵入范圍較廣，同時煤層設計為放頂煤開采，導致頂煤經常隨掘隨垮，掘進期間極難維護巷道的穩定性。結合該礦火成巖侵入區巷道的變形破壞特征，研究了工作面運輸巷的巷道支護技術。

1 火成巖侵入區全煤巷道變形破壞特征

現場調研發現，受火成巖侵入影響，全煤巷道礦壓顯現主要有以下3種特征:

(1)頂板突發斷裂、冒落。由于火成巖侵入，不管是水平侵入還是垂直或傾斜侵入，都會造成侵入區內煤巖體整體性和連續性下降。因此，侵入區的煤層頂煤穩定性很差，容易發生斷裂，部分區域會發生大面積冒落。冒頂以前，巷道并無明顯變形破壞，錨桿和錨索等支護構件也無明顯受力征兆，冒頂以后也未發現錨桿和錨索拉斷現象。

(2)巷幫片幫嚴重。煤層巷道兩幫煤體特別破碎，在火成巖侵入區域內多數地段發生嚴重片幫，并最終形成明顯的倒梯形，不利于支護施工。局部片幫嚴重的巷道上部寬度達到8m以上，隨著控頂面積的增大，支護難度進一步加大。

(3)巷道破壞具有不均衡性。由于火成巖侵入區煤層破碎，煤體結構遭到破壞，整體穩定性差，厚煤層頂板部位錨索錨固效果極差，無法發揮錨索的錨固作用。同時，由于火成巖侵入并無明顯規律可循，在進行采區巷道系統布置時，不能有效避開火成巖侵入區，造成局部受火成巖侵入影響的巷道維護困難，未受侵入影響的煤巖體相對較完整。采用相同支護參數時，巷道破壞表現出不均衡性。

2 火成巖侵入區巷道支護設計原則

受火成巖侵入影響，錨桿錨索采用端頭錨固時容易發生錨固失效，進行支護設計時，要從個體到整體提升支護系統強度，在整體統一支護設計的基礎上，針對不同巷道區段內侵入程度不同采取補強支護、加強支護。具體應遵循以下原則:

(1)提高單根錨桿和錨索的支護強度，提高支護系統的整體剛度，對高強錨桿實施加長錨固，采用注漿錨索實施注漿全長錨固，提高錨桿和錨索的預緊力，提高組合構件的強度和剛度，增加W形鋼帶和鋼筋網片等組合構件的強度和剛度。

(2)考慮注漿錨索有效注漿半徑。由于注漿錨索可實現圍巖注漿錨固，在相同頂板條件下，單根注漿錨索的注漿范圍基本一定，將空間最大的平均料漿范圍作為有效注漿半徑r。當注漿錨索為n根、巷道寬度為B時，注漿錨索的間排距為2r＝B／n時，能夠實現對頂板最大范圍的注漿控頂。一般情況下，根據經驗公式，考慮生產成本時錨索數量是確定的，此時，按照間排距為B／n時，能夠獲得最佳注漿錨固效果。若B／n＞2r時，注漿范圍有重疊，從頂板一側到另一側，漿體與圍巖按照均勻注漿→重疊注漿→均勻注漿的方式排列，整體性相對較好；當B／n＜2r時，漿體能夠實現在頂板空間的最大注漿范圍。因此，從經濟性考慮，注漿錨索間排距應小于等于B／n，并沿巷道寬度方向均勻布置。

(3)提高巷道周圍煤巖體的整體性。由于受火成巖侵入影響，煤巖體完整性遭到破壞，松散破碎的煤巖體不利于錨固系統與煤巖體形成統一整體，需要提高巷道周圍煤巖體的整體性，改善其松散破壞的特性，避免錨固系統失效引起煤巖體動力災害。如上所述，按照B／n的間距沿巷道寬度方向均勻布置注漿錨索時，能實現最大注漿范圍。由于不同地質條件下注漿范圍不同，頂板注漿錨固范圍也不能局限于巷道寬度范圍。在注漿錨索數量一定情況下，應使得注漿范圍略向頂板肩角部傾斜，從而提高頂板的整體性。

3 火成巖侵入區巷道支護技術

針對火成巖侵入區掘進巷道頂部圍巖錨索錨固性能差等特點，結合本煤層火成巖的不規律侵入及施工條件，為提高巷道施工質量，保證施工期間安全生產，同時避免巷道的重復翻修，5209運輸巷過火成巖侵入區支護設計時采用錨桿錨索聯合支護作為基礎支護，采用中空注漿錨索作為補強支護，采用金屬支架作為臨時或加強支護。局部嚴重冒落區設計采用背板、U型金屬支架、羅克休泡沫充填的方法來維護巷道及圍巖的穩定性。

3.1 工作面巷道基礎支護形式

工作面5209運輸巷寬4.6m，高2.8m。根據組合梁、懸吊等理論，選用?22mm×2200mm的螺紋鋼錨桿和?17.8mm×8000mm的錨索聯合支護頂板，沿穩定煤層施工。錨桿排距0.8m，間距0.8m，錨桿錨固深度1m，錨桿外露長度0.1m。錨桿錨固力不低于8t，預緊扭矩不小于200N·m。錨索按兩排齊排布置，排距1.6m，間距為1.8m，錨固長度1.6m，外露150～250 mm。角錨桿在兩幫肩角處施工，間距0.6m，傾角為75°。

巷道兩幫采用?22mm×2200mm的螺紋鋼錨桿，間距800mm，排距800mm，且最上端的錨桿距離頂板不超過200mm。所有錨桿均配合高強托板使用，頂板鋪設W鋼帶，幫部鋪設護幫網。具體的基礎支護形式如圖1所示。

圖1 工作面運輸巷基礎支護形式

3.2 中空注漿錨索補強支護

離層注漿或注漿充填可有效改善圍巖的穩定性，采用上巷注漿充填時可以不影響工作面的生產，并實現大范圍充填，但工序較為復雜，增加生產成本。中空注漿錨索結構特點是索體中空，自帶注漿芯管，把注漿錨固和樹脂錨固合二為一，通過提高注漿壓力 (最大注漿壓力可達到7～8MPa)，使漿液充滿鉆孔，實現全長錨固，可改變圍巖松散破碎結構，使圍巖具有更好的整體性。考慮注漿錨索的有效注漿半徑，在基礎支護形式的基礎上，設計侵入區巷道的中空注漿錨索排距為3.2m，間距2m。此時，注漿錨索的注漿范圍能夠在以巷道頂板為重心的基礎上略向頂板外緣延伸，能夠較好地提高支護效果。中空注漿錨索直徑22mm，長度8000mm，安裝孔徑32mm，強度1760MPa，破斷力不小于420kN，樹脂錨固長度1000～1500mm，中空注漿管內徑7.5mm，外徑10 mm。由于錨索安裝后即能承載，因此可在掘進頭后方一定距離內將一定范圍內的錨索一次性完成注漿，以提高支護速度。其支護方案如圖2所示。

圖2 火成巖侵入區中空注漿錨索補強支護圖

3.3 嚴重冒落區巷道加強支護

在嚴重冒落區，初期施工時采用錨桿錨索聯合支護和梯形金屬支架的支護方法維護巷道圍巖的初期穩定性，隨著巷道的向前推進，采用中空注漿錨索進行補強支護，注漿錨索支護穩定后撤金屬支架。

由于掘進形成的巷道毛斷面難以在短時間內形成與支護體緊密接觸的光滑外形，不可避免地在支護體與巷道表面間形成空隙。特別是在圍巖破碎區域，金屬支架容易存在較大的空隙。對于部分區域頂板存在冒落嚴重的問題，設計采用背板、U型金屬支架、羅克休泡沫充填的方法加強支護嚴重冒落區。因此掘進施工過程中，在冒頂區內補打錨桿及鋼帶，以穩定冒落區巷道頂板，使冒頂區不再擴大；在冒落區使用U29支架上托背板、木板的方法進行支架壁后充填；其中羅克休樹脂和催化劑的體積比為4∶1，風動氣泵風壓為0.4～0.7MPa，流量為8.7L／min。羅克休泡沫注射到冒落區內，會在短時間內硬化，維護圍巖的整體性。

4 效果檢驗

為了檢驗所設計的支護方式在圍巖控制上的效果，對5209運輸巷進行了礦壓現場監測。選定5209運輸巷內150m火成巖侵入段為新型支護試驗段，監測兩幫收斂量、頂底板移近量。在巷道試驗段設置1＃～5＃測站，1＃、5＃測站距試驗段巷道開始處15m，2＃、3＃、4＃測站間距為30m。兩幫收斂量及頂底板移近量分別如圖3、圖4所示。

圖3 兩幫收斂量

圖4 頂底板移近量

由監測數據可知，在兩個月的現場監測中，兩幫收斂量最大為46mm，最大收斂速度為5mm／d；頂底板移近量最大為96mm，最大移近速度為14mm／d。監測后期，巷道兩幫收斂量及頂底板位移量都有逐漸穩定的趨勢，且越遠離掘進頭，巷道的變形量越小。礦壓監測數據顯示，巷道施工期間試驗段的頂底板移近量和兩幫收斂量能夠滿足現場工程要求，說明所采用的基礎支護、補強支護、加強支護的支護方案能夠較好地控制圍巖變形，解決因火成巖侵入而造成的頂板易冒落、巷道圍巖大變形等問題。

5 結論

(1)由于火成巖侵入影響，掘進全煤巷道礦壓顯現主要有頂板突發斷裂和冒落、巷幫片幫嚴重和巷道破壞具有不均衡性3種特征。

(2)圍巖松散破碎引起錨固失效和錨桿支護系統失效應從以下幾個方面考慮進行支護設計:提高單根錨桿和錨索的支護強度、預緊力；提高組合構件的強度和剛度；提高巷道周圍煤巖體的整體性；注漿錨索間排距應小于等于巷道寬度與錨索數量的比值，并沿巷道寬度方向均勻布置。

(3)針對火成巖侵入區掘進巷道存在的問題，5209運輸巷過火成巖侵入區支護設計時采用基礎支護、補強支護、加強支護的支護方案能夠較好地控制圍巖變形，解決因火成巖侵入而造成的頂板易冒落、巷道圍巖大變形等問題。

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