破碎圍巖巷道支護研究

張 強

(1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.西勘正興巖土工程有限公司，成都 610000)

破碎圍巖巷道支護研究

張 強1，2

(1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.西勘正興巖土工程有限公司，成都 610000)

針對布置在構造帶中的巷道其圍巖通常比較破碎，采用錨噴索支護操作難度大、支護效果不理想等問題，分析研究了破碎圍巖巷道支護的技術并對巷道注漿材料、設備進行選型，采用數值模擬的方法對注漿加固并支護后巷道變形進行模擬，確定了巷道支護參數。

巷道支護；數值模擬；注漿加固

由于煤層賦存環境有時較為復雜，許多巷道掘進時不可避免的要穿過地質構造帶。通常情況下，地質構造帶圍巖及煤體在構造應力的作用下節理裂隙比較發育，圍巖比較破碎。采用錨桿支護或金屬支架支護方式，容易出現破碎圍巖的冒落，一旦出現了煤巖體冒落，支護體與圍巖間容易形成空隙，支護體無法提供主動支護或有效約束力，造成支護失效。

方新秋教授提出了二次支護的方法控制圍巖變形，先采用U型可縮性支架支護，再采用錨注與錨網梁索聯合支護，使注漿為錨桿錨固作用提供了發揮的平臺[1]。肖同強采用數值模擬的方法分析了圍巖應力狀態的變化及分布形態，得到了斷層附近破碎圍巖煤巷錨桿圍巖支護穩定性機理[2]。目前，在破碎圍巖巷道支護研究方面，注漿加固是一種重要的途徑，這是因為一方面圍巖在注漿加固之后不會再冒落，支護體支護力可以通過巷道表面傳遞到巷道深部，另一方面注漿加固有效改善了圍巖整體的力學性質，提高了圍巖的自承能力。

本文對構造帶圍巖及煤體破碎的破壞過程進行分析，說明了采用注漿加固加錨網索支護的原理。對現場注漿設備與材料進行選型，通過數值模擬的方法并對注漿加固后巷道支護方式進行方案比較，最終確定了錨桿合理的支護方案。

1 地質概況

樂安煤礦15號煤層平均厚為7.3 m，煤層夾矸厚度約0.2 m，賦存穩定。煤層上部頂板巖層為煤層與泥巖的互層，此部分巖層厚1.7 m。基本頂巖層主要由厚度4.33 m的黑灰色的石灰巖巖層構成，煤層底板由厚度1.25 m的沙質頁巖巖層構成。圖1中列出了樂安煤礦取芯得到的煤層綜合柱狀圖。

圖2所示為15號煤層三采區15302工作面采掘巷道布置平面圖。

在回采工作面劃定的區域內，煤層呈向斜布置，巷道位于該向斜構造帶內，巷道掘進時發現距離開切眼200 m左右160 m范圍內巷道圍巖破碎嚴重，存在三條斷層，巷道難以支護。

2 破碎圍巖巷道加固機理

2.1 破碎圍巖形成機理

根據煤礦巷道圍巖破壞引發機理的不同，圍巖破壞形式可分為兩類，即由于結構面的存在或地質弱面的存在而引發的破壞和地應力引發的破壞。其中，原始地應力包括重力場應力及地質構造應力[3]。重力場應力導致上覆巖層的載荷向支護體的傳遞。構造應力使巖層發生了很大的彈性形變和塑性形變，從而形成了各種地質構造。構造應力的方向通常是以水平方向的應力為主，在水平方向的應力作用下，煤層及煤層頂板、底板容易發生剪切破壞。與重力場產生的自重應力相比，構造應力產生的規律更為復雜，其在時間和空間上有很大差異，巷道頂底板的穩定性主要受水平應力大小的影響[4]。

據此對樂安礦三采區順槽破碎圍巖進行分析。15號煤頂板為泥巖，底板為頁巖，為軟硬相間組合。在水平擠壓力作用下，頂底板巖層產生滑動，底板軟巖形成褶皺，而頂板脆性巖石在構造應力作用下被破壞，形成局部破碎。構造水平應力示意圖，見圖3。

2.2 破碎圍巖巷道加固機理

電機尺寸較小，空間非常緊湊，結構布置必須合理，需要將各零部件尺寸都盡量壓縮。殼體采用不銹鋼結構，保證強度的同時能得到較大的內部空間。磁旋轉編碼器為非接觸式，定轉子分開，雖然徑向尺寸很小，但軸向尺寸并不小，較占空間。磁旋轉編碼器的轉子為光滑圓柱結構，需固定在電機轉子上。電機為雙方向旋轉，編碼器轉子固定時需考慮防松裝置。該電機是制作專用護套一端將編碼器轉子固定在其腔體內，另一端通過內螺紋嵌入鋼絲螺套固定在電機轉子上。霍爾采用立焊結構，霍爾傳感器金屬面平行于電機軸線，這樣可以節省徑向空間，同時用專用支架將霍爾元器件固定，作為保護。軸承采用法蘭軸承以減小軸向空間的占用。

一般來說，單一的破碎型巷道可以通過噴漿、金屬鋼梁、錨桿支護的一種或幾種得到很好地維護[3]。但是，由于此時回采巷道不可避免的要受到工作面超前支承壓力構造應力的影響，巷道維護通過錨噴架中的一種已難以實現。因此考慮先采用注漿加固對巖體中裂隙進行閉合、加固，再在此基礎上加錨網索的支護方式對破碎圍巖巷道進行支護。

破碎圍巖巷道存在的基本問題是圍巖不完整，破碎的圍巖容易冒落，導致支護體和圍巖不能有效接觸，有時形成點、線接觸，支護體實際未對圍巖提供有效的支護力，造成進一步破壞。注漿加固可以將圍巖固結在一起，保證圍巖的完整性，使支護體可以對巷道進行有效的支護。另一方面，通過注漿的方式可以有效的增加圍巖的力學性能和自承能力，從而降低了支護的難度。錨網索支護可以提供徑向約束，從而實現巷道的支護[5-6]。

2.3 注漿技術參數

根據目前國內的材料及裝備水平，結合礦井實際情況對注漿的設備及材料進行了選擇，選型情況如下[7]：

選用525號普通硅酸鹽水泥，并添加3%～5%濃度為45Be的水玻璃。水泥漿水灰比范圍：0.75∶1～1∶1。

3 破碎圍巖巷道支護方案

3.1巷道支護技術分析

采用注漿加固的方式對圍巖的整體性質進行加強，配合錨網索聯合支護的主動支護方式進行支護設計。

注漿加固可以提高圍巖的完整性，提升圍巖自承能力[8]。此外，注漿可以使錨桿、錨索在圍巖深部錨固端與圍巖粘結，從而形成承載圈。注漿可以提高節理間的摩擦力，從而降低圍巖對錨桿、錨索的剪切力，避免錨桿、錨索破壞[9]。

金屬網可以使破碎的巖塊在金屬網作用下不會冒落，而是相互擠壓，并在錨桿錨索的懸吊的作用下使產生于圍巖深部錨固作用力傳遞到金屬網上，從而形成主動支護的效果，防止頂板進一步破壞。

3.2 巷道支護數值模擬

圖4為排距0.8 m時工作面前方不同位置處錨桿錨索支護后順槽圍巖應力分布圖。

圖5為錨桿排距不同時順槽頂底板移近量，圖6為錨桿排距不同時順槽頂底板移近量，圖7及圖8表示距離工作面不同位置處頂板離層值曲線。

結合圖5、圖6、圖7及圖8能夠看出，排距為0.8m時的支護方式能夠有效減小巷道圍巖應力，進而有效地減小巷道頂底板移近量。在巷道兩幫進行支護可以有效地提高巷道兩幫的圍壓，進一步增強圍巖殘余強度，從而能夠改善巷道兩幫圍巖所受應力的狀態。幫腳的支護提高了該處水平應力，使圍巖破壞程度減輕。

由圖7、圖8可以觀察到，錨固范圍內頂板離層量無明顯變化，圖4所示支護方式支護參數的選擇是合理的。

4 結論

1）通過對構造帶形成理論分析得到了樂安煤礦圍巖破碎的機理：煤層頂板、底板為軟硬相間的巖層組合，在水平構造應力作用下，底板軟巖形成褶皺，而頂板脆性巖石在構造應力作用下被破壞，形成局部破碎帶。

2）提出了破碎圍巖巷道支護的難點：破碎的圍巖的冒落導致支護體不能對圍巖提供有效的支護，而注漿加固可以將圍巖固結在一起，使支護體可以對巷道進行有效的支護。

3）合理的注漿加固可以很大程度改進圍巖力學性質，從而提高圍巖的自承能力，為錨網鎖支護提供了可行的前提；錨網索支護可以提供徑向約束，提高巷道圍壓，從而提高巷道圍巖殘余強度。因此采用注漿加固加錨網索支護的方式支護巷道。

4）數值模擬的結果最終確定了經注漿加固的破碎圍巖巷道的支護參數。

[1]方新秋，趙俊杰，洪木銀.深井破碎圍巖巷道變形機理及控制研究[J].采礦與安全工程學報，2012，29(1)：1-7．

[2]肖同強，柏建彪.斷層附近煤巷錨桿支護破碎圍巖穩定機理研究[J].采礦與安全工程學報,2010,27(4):482－486.

[3]侯朝炯，馬念杰，康紅普，等.巷道圍巖控制[M].徐州:中國礦業大學出版社，2013:392.

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[5]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業出版社，2007:338-343.

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[7]馮志強.破碎煤巖體化學注漿加固機理分析及應用[J].煤炭科學技術,2008,36(10):32-35,58.

[8]黃慶顯.高地應力巷道錨噴注二次支護的研究和應用[J].中州煤炭,2006(2):11-12.

[9]崔偉，李揚飛.高應力裂隙圍巖巷道控制中的錨注支護技術研究[J].山東煤炭科技,2007(4):75-77.

Roadway Supporting Study in Roadways with Broken Surrounding Rock

ZHANG Qiang1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2. Zhengxing Geotechnical Engineering Co.,Ltd.,China Southwest Geotechnical Investigation&Design Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China)

Because of broken surrounding rock of roadways located in tectonic zones,anchor-boltshotcrete supporting operation is difficult and supporting effect is poor.On the supporting technology analysis in the roadways with broken surrounding rock,grouting materials and equipment are selected. Numerical simulation is used to simulate the deformation after the grouting reinforcement and determine the supporting parameters for the roadways.

roadway supporting;numerical simulation;grouting reinforcement

TD353

A

1672-5050（2015）01-0041-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.014

（編輯：劉新光）

2014-11-16

張強(1982-)，男，山西太原人，在讀工程碩士，助理工程師，從事地質研究工作。