淺論加強高泥質軟巖巷道支護

史春

摘要： 石溝驛煤礦010607工作面回順在回采過程中，由于受采空區側向應力以及采空區水對巷道圍巖的影響，巷道圍巖出現了整體變形，表現為頂板下沉、兩幫整體變形以通過對巷道破壞原因進行分析，在010610回順掘進時提出了從巷道的初次支護、表面封閉、隔離采空區水以及泥巖改性等方面對加固方案進行探討，以保證巷道在回采時能夠保證圍巖的穩定及嚴重的底鼓，在回采時巷道需要頻繁返修，嚴重影響了礦上的正常生產。

Abstract： In the stoping process of 010607 Face in Shigouyi Coal Mine， because of the lateral stress in the goaf and the effect of goaf on surrounding rock of roadway， the surrounding rock of roadway has the overall deformation such as the heaving floor roof subsidence， the overall deformation of scalings and the serious heaving floor. In the stoping process， the roadways need frequent repair， it seriously affects the ormal production of mine. Through the analysis of the causes of roadway damage， the reinforcement schemes are discussed from the first support， surface sealing， the water of isolated goaf and the modified mudstone in the 010610 tunnelling to ensure the stability of surrounding rock of the roadway in the stoping.

關鍵詞： 圍巖；應力；支護；設計

Key words： surrounding rock；stress；support；design

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0075-04

0 引言

石溝驛煤礦六煤層煤層頂板為復合型軟巖頂板，底板為具有遇水膨脹、崩解及流變特性的侏羅系泥質軟巖，支護難度大。010607工作面回順在回采過程中，由于支護不當，導致煤層頂板下沉、兩幫整體變形，巷道底鼓現象十分嚴重，加之返修不力，嚴重影響正常作業。

本文通過對巷道破壞原因進行分析，在010610回順掘進時提出了從巷道的初次支護、表面封閉、隔離采空區水以及泥巖改性等方面對加固方案進行探討，以保證巷道在回采時能夠保證圍巖的穩定。

1 地質概況

石溝驛煤業分公司六煤層，煤層厚度1.47～2.04m，平均厚度為1.7m。該煤層煤層賦存穩定，層狀結構、節理發育，硬度較小，光澤強，厚度變化相對較大，煤層中上部（距頂板0.15～0.20m）有一層泥巖夾矸，夾矸厚度在0.05～0.1m間，煤層頂底板以泥巖為主，硬度較小，遇水易變軟彭脹，煤巖普氏系數f=2～3。

通過圖1 010607的回順的綜合柱狀圖比較可以看出，煤層頂板上方1.5m為五煤層，兩煤層之間為泥巖與細砂巖的互層分布，泥巖硬度較低，遇水易膨脹，巖石強度會明顯降低；其中細砂巖為塊狀泥質膠結，強度較低，同時也具有遇水容易膨脹變形的特性；五煤層平均厚度為1.1m，具有硬度低，節理發育、層狀結構的性質；五煤層頂板為煤矸互層，層狀結構、硬度小、易脫層，五層的厚度平均為0.3m；五層上方為粉砂巖，層狀結構，泥質膠結，硬度中等，遇水易膨脹變形平均厚度為2.52m。

煤層底板為直接底為泥巖、細粒砂巖和粉砂巖，整體強度低，易吸水膨脹。

通過以上煤層頂底板的巖性情況，可以得出以下圍巖特性：

①煤層頂板為復合型軟巖頂板。由于該種頂板為泥巖與砂巖交替出現，當支護方式的選擇不當時很容易發生脫層現象；頂板巖石為泥巖或者有泥巖膠結的砂巖組成，遇水后很容易發生膨脹變形，錨桿、索的錨固段的錨固力容易降低或者喪失，最終發生巷道頂板整體下沉，甚至出現冒頂事故。

②煤層底板為侏羅系泥質軟巖，經分析該泥巖具有遇水膨脹、崩解及流變的特性，支護難度大。

2 原支護形式及存在問題分析

2.1 原支護形式

010607工作面回順位于石溝驛技改井+929水平北翼，巷道下側為設計的010607綜采工作面，巷道上側為010605綜采工作面，間隔煤柱12m，設計施工長度2490m。矩形斷面，巷道斷面為12.18m2，全斷面掛設金屬網配合鋼帶、錨桿、錨索、錨梁進行支護。錨桿間排距為800×900mm，巷道上幫使用3根螺紋鋼錨桿配合錨梁進行支護（錨梁采用11#礦工鋼，長2700mm），錨桿規格為：Φ20×2800mm，巷道下幫及頂板共使用9根螺紋鋼錨桿，錨桿規格為：Φ20×2200mm，鐵托板均采用10mm厚鋼板加工，規格150×150×10mm。錨索孔間排距：3000×1800mm，采用Ф17.8mm鋼絞線加工，加工長度：7000mm，錨索托梁采用11#礦工鋼，加工長度600—800mm，鐵托板采用10mm厚鋼板加工，規格100×100×10mm。（圖2）

2.2 巷道礦壓特點及巷道變形分析

010607回順掘進完以后受應力影響巷道變形主要集中在巷口至1300范圍內，變形首先發生在巷道頂板破碎下沉、幫部外凸嚴重，局部伴有錨桿破斷現象。錨桿受力較大的位置出現托盤翻盤現象嚴重。后期由于受斷層附近有淋水現象和相鄰采區滲水的影響，同時巷道在掘進過程中出現相鄰采空區的水通過工作面之間的煤柱滲透到順槽底板，巷道整體變形較大，雖經多次返修仍不能控制巷道的穩定。（圖3）

①斷層構造附近的應力明顯較大，同時受水的影響較大。

在斷層附近受復雜構造應力的影響，巷道受力明顯大于正常掘進段。順槽通過斷層時一般需要穿煤層頂板或者底板通過，圍巖為泥巖或者是泥質砂巖，同時斷層附近常伴有淋水現象，圍巖泥化、軟化嚴重，錨網索支護系統的有效性很難保持，容易發生整體變形。

②工作面順槽間隔煤柱為12m，巷道受煤層傾斜和相鄰工作面010605的回采影響回順表現出較明顯的水平應力。

回順的巷道變形位置位于兩肩窩處，表現出較明顯的拉剪破壞，該種破壞形式主要是受010605工作面回采后的側向應力的影響造成的。側向應力沿煤層傾斜方向向下傳遞，在010607回順表現出明顯的水平應力，巷道兩肩窩處受拉剪應力的破壞作用，發生嚴重變形，外凸。

巷道兩肩窩變形的結果使上方泥巖在自重應力的作用下發生錯位，最終可能導致相應處錨桿破斷，如不及處理，巷道變形將進一步波及整個斷面。（圖4）

③復合軟巖頂板，容易導致頂板脫層現象，頂板整體下沉，嚴重處可能導致冒頂事故。

巷道頂板為泥巖與泥質砂巖及煤層組成的復合頂板，如在巷道支護初期出現支護系統的預緊力小，或者系統工作過程中預緊力喪失等問題，復合頂板易出現離層現象，離層的結果使得錨網索支護系統由主動支護變為被動支護，錨桿的錨固段由于處在軟巖之中，隨著裂隙的導通，錨桿的錨固力下降，支護失效隨著圍巖變形一同內移。

④該段巷道，由于多次起底修復，使得相鄰工作面采空區積水滲入順槽，圍巖受水的影響下整體強度迅速下降，進而誘發整體變形。

3 原支護存在的問題與返修方案存在問題及分析

3.1 巷道設計斷面抗壓輕度低

根據010607回順巷道實際情況，從圖3可以明顯看出，巷道受到的應力主要集中在巷道頂板從中間往下下沉及兩幫鼓出，巷道頂板成鍋底狀下沉證明巷道原有的支護起到了一定的效果但是不能滿足應力分散的需要，巷道幫部鼓出證明壓力沒有按照巷道輪廓進行壓力傳導，造成了巷道的嚴重變形，說明矩形巷道的抗壓強度不能滿足我公司的井下現場生產的實際需要。

3.2 工作面間隔煤柱選擇

010607綜采工作面與相鄰010605綜采工作面間隔煤柱為12m，根據現場實際情況分析在受相鄰工作面動壓的影響下，錨桿、錨索、圍巖之間的協調變形能力較差。

從圖4中可以看出，目前在動壓影響的情況下，由于錨桿的延伸率較高，而錨索的延伸率較低，錨桿、索受力迅速增大，錨索首先發生破斷，由于錨索受力較大提前發生破斷，后期會導致整個支護系統受力增加，最終支護失效。

3.3 支護材料選型

3.3.1 錨桿托盤強度低

從井下的礦壓顯現特征來看，當錨桿受力較大的情況下，錨桿托盤發生大量翻盤現象，錨桿托盤強度低。錨桿托盤的翻盤，會導致錨桿受力突然下降，嚴重時甚至喪失，不能有效控制圍巖變形，圍巖整體變形量大。

3.3.2 幫錨桿的施工出現三徑不匹配的問題

幫錨桿采用鉆頭為直徑38mm的煤電鉆打眼，而這時錨桿的直徑為20mm，錨固劑選用直徑為35mm，由MT/T 1104—2009《煤巷錨桿支護技術規范》明確要求鉆孔直徑和錨桿桿體直徑之差應為6mm～10mm，鉆孔直徑與樹脂錨固劑直徑之差應為4mm～8mm，其余的視為三徑不匹配問題。很明顯鉆孔直徑大錨桿直徑11mm，超出了技術規范的要求。

3.4 現場施工質量

3.4.1 錨桿預緊力低

巷道在施工過程中要求錨桿的安裝預緊力為50kN，預緊力是錨網索主動支護的源泉，較小的預緊力不能控制圍巖的初期變形，裂隙向深部擴展，圍巖的整體性受到破壞，容易造成后期錨固失效，巷道容易出現整體變形。

3.4.2 要求錨桿的錨固段的拉拔力太低

根據新的行業標準MT 146.2-2011《樹脂錨桿金屬桿體及其附件》要求，錨桿的錨固力至少要大于錨桿屈服強度的1.2倍，也就是Φ20普強錨桿的拉拔力至少要求在150kN。

3.5 風化對巷道裸露巖體破壞

根據010607回順現場頂板破碎情況分析，頂板在受到應力的影響下會發生變形，遇水會發生膨脹，受風化影響煤層頂板巖層裂隙發育、巖體孔隙率高和強度衰減速度快、自穩性能與承載能力差，造成頂板破碎。

3.6 巷道返修方案

巷道返修常采用11#礦工鋼配合單體液壓支柱棚子與錨網索支護形式相結合的聯合支護方式。該項方案只能解決頂板不在繼續下沉，對于頂板破碎、整體抗壓方面不能提供很好的保證，所以不能作為巷道永久支護的可行性方案。

4 設計優化改變支護形式后取得的成果

根據目前回順巷道錨網索支護方案出現的問題，我們對從以下幾個方面進行設計調整，優化支護設計，加強錨網索支護取得了一定的效果：

4.1 調整工作面間隔煤柱

根據010607回順的現場實際情況，我們在同水平010610綜采工作面回順掘進時將工作面間隔煤柱由原來的12m調整為6m，縮短了工作面的間隔煤柱。這樣將應力區對巷道的主要影響區域轉移至工作面6m處，降低了應力區對巷道支護的影響。

4.2 改變巷道斷面形狀

我公司在010610回順巷道采用斷面均為三心拱，采用錨網（錨索、鋼帶）聯合支護，從巷道整體抗壓性上進行了改進，在后期才過程中證明該種巷道形式可以滿足生產需要，與相鄰010608綜采工作面比較，該工作面回順共進行巷道返修3次，架設工字鋼棚1800架。而010610回順截至發稿日期僅在斷層破碎帶附近及局部架設鋼棚160架，巷道維護也主要為對底板鼓起地點進行清理工作，極大的縮小了巷道維護工作。具體支護形式見圖5。

4.3 根據煤巖賦存情況優化支護設計

經過驗算，我們更改了巷道使用支護材料，使用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其桿體規格為：桿體直徑22mm，拱部桿體長度2500mm，巷幫使用Φ22×2200mm和Φ22×1200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鐵托板采用10mm厚鋼板加工，規格200×200×10mm，中部開孔Φ24mm。錨索使用Ф21.6m鋼絞線加工，加工長度：7000mm，鐵托板采用12mm厚鋼板加工，規格300×300×12mm，中部鉆孔Ф26mm。（表1）

4.4 圍巖表面封閉

采用薄噴材料對巷道圍巖表面進行封閉，減少水及潮濕空氣對圍巖的影響，保證圍巖的整體強度。

5 目前存在的問題及我公司提出的解決方案

010610工作面回風順槽過斷層段巷道掘進完以后變形首先發生在巷道兩肩窩的位置，破碎外凸嚴重，但未出現錨桿破斷現象。錨桿受力較大的位置出現托盤翻盤現象嚴重。后期由于受于斷層附近有淋水現象和相鄰采區滲水的影響，同時巷道在掘進過程中出現相鄰采空區的水通過工作面之間的煤柱滲透到順槽底板，巷道整體變形較大，雖經多次返修仍不能控制巷道的穩定。

針對過斷層期間出現的問題及我公司改進后的做法，我們提出了《構造復雜區高泥質軟巖沿空巷道親泥性錨注加固實施方案》，本設計方案采用“高預緊力錨網支護與親泥性注漿加固技術”，從巷道的初次支護、表面封閉、隔離采空區水以及泥巖改性等方面對加固方案進行探討，以保證巷道在回采時能夠保證圍巖的穩定。

“高預緊力親泥性錨注加固技術”分為三步：高預緊力錨網索支護、表面薄噴封閉以及親泥性注漿加固。具體的實施方案如下：

工作思路：①初次支護必須對巷道礦壓特點進行分析，有針對性的進行支護設計，同時采用高預緊力錨桿對巷道圍巖進行支護，以減少圍巖的初期變形，保證圍巖的整體性。

②噴漿封閉。采用薄噴材料對圍巖進行封閉，以減少水及潮濕空氣對圍巖強度的影響。

③通過采用親泥性注漿材料對圍巖進行注漿加固，起到隔離采空區水及圍巖表面改性的作用，與高預緊力支護系統共同作用，避免圍巖出現持續性變形。

支護布置方式見圖7。

④巷道施工完畢后，在工作面迎頭后方對巷道進行薄噴表面封堵。要求滯后迎頭100m，一次薄噴長度為50m。薄噴主要目的為減少水和空氣對巷道內部泥質軟巖的影響。表面封堵采用“薄噴專用”材料，噴層厚度為4～7mm。

6 結論

針對010610工作面回順掘進時，由于支護不當所導致的煤層頂板下沉、兩幫整體變形、巷道底鼓等問題，通過調整工作面間隔煤柱，改變巷道斷面形狀，根據煤巖賦存情況優化支護設計，圍巖表面封閉等措施，調整了返修方案，提高了巷道支護強度，有效解決了上述問題，保證了正常作業進度，同時大幅度降低了返修成本，提高了回采效益。鑒于本文所述改進方案取得實效，建議將本套方案進一步推廣到回采作業中，以提高全礦業的生產效率。

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