弱膠結軟巖巷道支護技術研究

崔跟生

(陽泉煤業集團 大陽泉煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

1.1 工程地質概況

查干淖爾煤礦副井落底標高+858 m，風井落底標高+837.5 m，埋深200 m，采用主斜、副立混合開拓，全井田劃分為1個水平，水平設在2煤，可采煤層：2S2、2Sl、2、2Xl、2X2煤層，主采煤層：2煤，次要可采煤層為2S2煤，其他3層煤均為局部可采不穩定煤層。采煤方法與采煤工藝：2S2煤為一次采全厚，2煤為綜采放頂煤及分層綜采采煤方法。該礦煤田為一套山間湖沼相含煤沉積地層，煤層盆地中間厚，向盆緣迅速變薄直至尖滅。主要煤(巖)層綜合柱狀圖見圖1.

1.2 圍巖特性

通過對該區弱膠結軟巖巖性分析可知，水對圍巖巖石的物理力學性質具有較大的影響，巖性也有很大的變化，遇水的條件下軟巖表現出更加明顯的變形、流變和易擾動特性。應明確含水層的位置，加強對含水段的預防，以減少水對圍巖影響造成的破壞[1-3].

2 巷道原支護及破壞狀況

礦井的主要巷道設在2號煤層中，為中生代白堊紀地層，成巖年代較晚，巖層膠結性較差，煤層頂、底板主要以泥巖、砂質泥巖為主。目前主要進行的是2煤輔運大巷和2煤回風大巷的施工，但是由于對侏羅-白堊系弱膠結軟巖認識不足，在水平巷道的支護中，還沒有形成有效的支護方法，造成施工緩慢，返修現象嚴重。

2.1 輔運大巷支護結構破壞

目前，2煤輔運大巷(西翼)已掘進施工至159.3 m位置，鋪底至131 m位置。巷道初期設計支護形式為錨網噴+U36聯合支護，但在輔運大巷掘進到67 m處，巷道后方多處出現了嚴重變形破壞，初始設計已不能滿足支護要求。經研究決定，借鑒主斜井支護方法，確立了鋼管砼支架+錨網+強力抗拉網+網噴聯合支護的高強度支護方案，對巷道破壞段進行返修及下一步掘進施工。

鋼管混凝土支架規格為西194 mm×10 mm淺底拱型，棚距0.7 m，并沿巷道軸方向鋪設長3 000 mm、寬1 500 mm、厚5 mm的鋼板，以保證巷道底板的整體性，初次鋪底厚度700 mm，強度為C40，支護結構強度較大。

目前，在巷道返修段和迎頭掘進中已按此方案進行施工，施工中嚴格按照正規循環作業，目前已取得了一定的效果。但在輔運大巷(西翼)134.8～143 m巷道段，因地壓較大，底梁出現了明顯變形，底板出現不同程度的上鼓變形，并且變形速度較快，在兩天內部分支架底梁上鼓已達1.5 m. 而且由于底鼓變形量過大，有多個底梁出現斷裂，部分巷道段出現沿中間部位整體折斷現象。

圖1 主要煤(巖)層綜合柱狀圖

在后路輔運大巷西翼115～131 m段巷道底板發生較大的變性破壞，底鼓現象明顯，并且變形速度很快。在115～135 m處巷道的底板出現了較大裂縫，同日帶拖拉架稍微有些傾斜，部分底梁斷裂，軌道和皮帶拖拉架嚴重傾斜，已經影響正常施工，底板裂縫較大，并且是從中部鼓起。在輔運大巷西翼125 m左右處底板上鼓高達1.7 m，被迫再次停止施工，進行設備拆除。

2.2 回風大巷支護結構破壞

2煤回風大巷現已施工至222 m，在0～50 m段初始支護設計采用12#礦工字鋼+錨網噴支護形式；在50～165.5 m段改進設計，調整為U36支架+錨網索噴+壁后水泥漿聯合支護；施工至165 m處，揭露一個落差為17 m的正斷層，于169 m處完全揭露，見斷層后，加強支護強度，從165.5 m位置開始采用鋼管混凝土支架+網噴聯合支護形式，其鋼管支架為西194 mm×12 mm淺底拱型支架，棚距0.7 m，同時在底板增加錨索束，并沿巷道軸方向鋪設5 mm×900 mm×3 000 mm的鋼板以增加支護的整體性，底梁上鋪設一層d20 mm×250 mm鋼筋網，鋼筋保護層為100 mm，鋪底厚為1 244 mm，強度為C40，同時底板做水窩攔水防止底板水流向迎頭，減少水對圍巖的影響，按此支護方案已掘進施工至222 m.

在回風大巷成巷約2個月后，在后路177～194 m段巷道右幫出現底板開裂、上鼓現象。為保證安全次日即進行臥底返修，但在開挖臥底過程中底板泥巖膨脹速度迅速，人工無法挖到設計深度，同時巷道兩側出現開裂，底梁發生明顯彎曲現象。而回風大巷188～200 m段底鼓變形速度也明顯加快，局部變形已經超過1 m腰線位置，位于2煤回風大巷183 m處右側兩架棚腿出現斷開，而且底板鋼筋嚴重變形，需要對該巷道變形嚴重區域進行重新支護設計。

3 支護方案設計

3.1 支護方案研究

根據經驗分析，巷道變形嚴重段采用加強支護：一次高強、均勻讓壓，先柔后剛、柔讓適度；二次強剛、阻抗防水，強化圍巖、整體穩定。在支護(事件)、時間、空間(位置)三者關系上達到最佳結合[4-5].

軟巖巷道的變形破壞往往是從局部開始的，支護不僅要有高強度，更要有整體穩定性。

1) 巖巷一次支護。

根據巖層情況可選用錨網噴+可縮性U型鋼支架+抗阻樁方式。無法鉆錨桿孔時，用射釘槍發射釘固定鋼筋網。其工藝順序為：噴射50 mm厚砼—錨網或射釘鋪網—復噴50 mm厚混凝土—立即架設可縮性U型鋼支架—在巷道兩側鉆孔安裝抗阻樁進行礦壓觀測，待巷道進入緩慢變形階段時即采用加強支護。

2) 巖巷加強支護。

加強支護采用圈梁封閉支架+圍巖錨注加固+讓壓、防水、混凝土復合反底拱方式。選用12號礦用工字鋼圓形封閉雙排梁結構形式。該支護結構具有較高的強度和剛度，在封閉圈梁連接處設有硬質膠墊；在封閉圈梁外均衡架設100～150 mm厚的緩沖讓壓層；圍巖錨注加固采用高強螺旋式注漿錨桿和高強高壓注漿錨索。混凝土復合反底拱采用爐渣混凝土可壓縮層+納米防水層+混凝土剛性層。

3.2 支護參數

在巷道破壞嚴重區段，結合圍巖條件通過理論計算確定支護參數：

1) 自鉆式螺旋錨桿：長度2 000 mm；錨桿間距1 000 mm，排距500 mm.

2) 頂板錨索束：巷道頂部正中、兩肩(拱部45°處)各布置錨索束1組，每組由3根鋼絞線組成，鋼絞線規格d17.8 mm，錨索束長度8 000 mm，間距2 000 mm，排距1 000 mm. 采用單液水泥漿注漿，水灰比0.6，摻加1.0%的高效早強減水劑，注漿壓力1.5 MPa. 設計錨索束預應力100 kN×3=300 kN.

3) 金屬網：采用d6.5 mm鋼筋制作，網格100 mm×100 mm，網片1 200 mm×600 mm.

4) 礦用工字鋼U形支架：礦用工字鋼圓形支架由4塊12號礦用工字鋼拼接而成，重量31 kg/m，每架540 kg，4條螺栓連接，連接處墊10 mm厚硬質橡膠，以緩沖壓力。

5) 底板抗阻錨索束：在巷道底板設置3組抗阻錨索束，中部一組，兩側距幫部200 mm各一組，幫部錨索束向墻幫傾斜15°.抗阻錨索孔徑75 mm，內裝3根d17.8 mm鋼絞線組成錨索束，錨索束長度8.0 m，設計錨索束預應力100 kN×3=300 kN，排距1 000 mm，錨索束用砂漿灌注。錨索束托盤為250 mm×250 mm×20 mm鋼板。

4 支護效果分析

在對該礦弱膠結軟巖巖巷支護加固的同時，進行了礦壓監測，通過采集現場實際數據來觀測支護情況。

1) 巷道表面位移監測。

巷道表面位移包括巷道兩幫收斂變形量、頂底板收斂變形量、頂板下沉量和底鼓量。巷道表面位移采用測槍、卷尺進行測量。

2) 錨桿、錨索受力監測。

通過對錨桿錨索受力大小的檢測，可以宏觀地了解錨桿錨索工作狀態，判斷巷道圍巖應力狀況，從而確定巷道的穩定性與安全性，判斷錨桿錨索在支護設計中的合理性，為支護設計提供實際理論數據。本次監測采用泰安科大洛賽爾傳感技術有限公司生產的錨桿、錨索測力計、智能檢測儀，測力計MGH-200(MGH-300)、智能檢測儀GSJ-2A.監測曲線圖見圖2.

圖2 監測曲線圖

由圖2可知，通過錨噴與架設U型鋼支架的一次支護，改善了巷道圍巖的整體性，提高了整體強度，兩幫收斂變形與頂板位移量都被控制在一定范圍內，并沒有持續增長。加強支護采用了圈梁封閉支架與圍巖錨注加固的支護形式，均勻讓壓并采用了混凝土復合反底拱方式，增強了圍巖強度，防止了冒頂與底鼓的發生。巷道表面的收斂變形量、錨桿錨索測力計數據顯示均在設計允許的范圍內變化，這驗證了本支護方案設計參數在工程實踐中的合理性與可行性，能夠維持弱膠結軟巖巖巷的長期穩定。

5 結 論

本文針對查干淖爾礦輔運大巷、回風大巷變形嚴重的問題，對礦區的水文地質條件、圍巖特性進行分析，得出巷道屬于弱膠結軟巖巷道。結合“一次高強、均勻讓壓，先柔后剛、柔讓適度；二次強剛、阻抗防水，強化圍巖、整體穩定”的原則對巷道支護進行優化設計，為查干淖爾礦類似的弱膠結軟巖巖巷支護設計起到了一定的參考作用。