馬蘭礦10608 低抽巷松散軟弱圍巖控制技術研究

張 超

（西山煤電集團有限責任公司馬蘭礦， 山西 古交 030200）

我國是以煤炭為主要消費能源的產煤大國，煤炭支撐著國民經濟的快速發展，隨著煤炭開采強度的持續增加，國內中東部淺埋、易采煤層已逐漸開采殆盡，煤炭開采面臨的條件日益復雜化[1]。長期以來，礦井瓦斯事故一直是礦井災害中發生頻率、傷害程度最大的[2]。目前，瓦斯抽采成為我國高瓦斯礦井、煤與瓦斯礦井工作面開采前的首要工作，其中工作面布置低抽巷進行瓦斯作為一項治理瓦斯的手段應用較為廣泛[3]。

隨著煤炭開采條件的惡化，深井巷道、軟巖巷道圍巖大變形情況日益突出[4,5]，其中，軟巖巷道具有自穩時間短、持續、快速大變形等特點，巷道維護相對困難。而低抽巷圍巖穩定能夠有效保障其持續安全抽采瓦斯，保障工作面安全正常生產，因此，礦井對底抽巷斷面尺寸要求、圍巖表面收斂情況都有著明確規定和要求[6]。馬蘭礦10608 低抽巷圍巖松散軟弱，易大變形，為保障試驗巷道服務期間，其斷面尺寸、變形發育情況滿足瓦斯抽采要求，本文以10608 低抽巷松散軟弱圍巖為研究對象，通過分析軟巖巷道變形規律，揭示軟巖巷道失穩及穩定控制路徑，開發馬蘭礦10608 低抽巷松散軟弱圍巖控制技術，研究成果可為類似條件巷道圍巖控制提供借鑒。

1 工程背景

馬蘭礦位于山西古交（見圖1），位于低山區，整體呈西南高、東北低，年產400 萬t。10608 工作面回采山西組02 煤層，平均厚度2.00 m；上部存在0.2 m偽頂；直接頂為粉砂質泥巖，遇水易變軟，厚度在2.2～4.7 m 之間，平均3.4 m；基本頂為強度較大的粉砂巖，平均厚度3.1 m；基本底為2.6 m 的細砂巖，瓦斯含量較高，為此，馬蘭礦計劃布置低抽巷進行10608 工作面瓦斯抽采，10608 低抽巷布置在松散軟弱圍巖，屬軟巖巷道，斷面寬4.8 m，高2.8 m。

圖1 馬蘭礦地理位置圖

2 軟巖巷道變形規律特征

軟巖巷道包括工程軟巖巷道和地質軟巖巷道，該類巷道圍巖具有明顯的流變現象，易失穩，支護不當極可能導致巷道大變形，在提出軟巖巷道圍巖控制技術之前，首先進行分析軟巖巷道的變形特征，下頁圖2 給出了幾條軟巖巷道現場變形照片，從圖2中可以看出軟巖巷道圍巖變形情況十分嚴重。

下面總結了幾條軟巖巷道變形特征：

1）自穩時間短。巷道掘出后，若不及時進行支護，幾個小時、甚至幾十分鐘巷道就開始失穩。

2）持續、快速大變形。軟巖巷道具有變形時間長、速度快、變形大等特點，普遍存在持續變形時間高達半年以上、變形量高達1 m 以上、變形速度高達50 mm/d 以上。

3）底鼓劇烈。劇烈底鼓誘發巷道兩幫出現臺階式變形，頂板冒落，最終導致巷道失穩災變，因此軟巖巷道底板支護尤其關鍵。

4）不適用剛性支護。由于變形量大，圍巖自身承載能力低，剛性支護易損壞。

由于剛性結構支護的不適用，預應力錨桿（索）支護成為目前軟巖巷道柔性支護的首選。

圖2 軟巖巷道現場變形照片

3 軟巖巷道控制技術

3.1 軟巖巷道穩定控制原則

1）協調變形原則。協調支護結構承載變形與圍巖變形完整性，降低碎脹變形量，適應巷道來壓時的應力變化。

2）一體化原則。支護結構-圍巖一體化，通過優化設計支護參數，促使支護-圍巖形成整體承載結構，一體化承載。

3）局部強化原則。現場工程應用時，局部薄弱區域，如斷層、褶曲等構造附近，采用加強支護，避免局部誘發巷道整體災變。

3.2 軟巖巷道穩定控制思路

1）強化軟巖巖體承載性能。圍巖注漿強化。采用水泥漿液（水灰比為1.0∶1.5）注漿提高軟巖巖體承載性能，形成高強度錨固體，降低巖體碎脹變形能力，選擇急增阻高承載中空注漿錨索實現錨注一體化，水泥漿液通過注漿芯管，滲透軟巖巷道圍巖裂隙，黏結松動圍巖，改善巷道圍巖條件，顯著提高其自承能力，能夠減少圍巖錨固力的衰減，實現一次強化圍巖。

2）高強度護表+“三高錨桿”+預應力錨索。“三高錨桿”（高強度、高剛度、高預緊力）進一步強化思路1）中形成的高強度錨固體，高強度護表材料約束巷道淺部圍巖碎脹變形（片幫、頂板局部脫落的現象），限制破裂巖體的剪切滑移變形，實現二次強化圍巖；預應力錨索將巷道淺部圍巖高強度錨固體與深部巖體錨固成一體，實現多次強化支護。

3）混凝土厚噴層防風化+支護結構合理補償。混凝土厚噴層50 mm 封閉圍巖，進行巷道礦壓顯現觀測，進行局部加強支護，采用大直徑錨索+三高錨桿及時修復所損壞的支護結構，避免巷道出現大變形現象。

3.3 控制技術

馬蘭礦10608 低抽巷松散軟弱圍巖控制技術主要包括圍巖注漿強化、高強度護表+“三高錨桿”+預應力錨索加強支護、混凝土厚噴層封閉巖層3 部分組成，具體如下：

3.3.1 圍巖注漿強化

采用水泥漿液（水灰比為1.0∶1.5）注漿，注漿孔直徑30 mm，長度2 m，間排距1.4 m×1.8 m，急增阻高承載中空注漿錨索規格L4.3 m×Φ22 mm，配規格150 mm×150 mm、厚15 mm 蝶形托盤，頂板間排距1.4 m×1.6 m。

3.3.2 高強度護表+“三高錨桿”+預應力錨索

1）頂板支護。錨桿規格為L2.2 m×Φ22 mm 左旋高強錨桿，間排距0.8 m×0.8 m，配規格150 mm×150 mm、厚15 mm 蝶形托盤，采用6 mm 雙筋梯子梁鏈接；錨索規格為L6.3 m×Φ21.6 mm，采用2-1-2 布置，間距2.2 m，排距0.8 m，配規格300 mm×300 mm、厚20 mm 蝶形托盤，采用M 型鋼帶連接（厚3 mm），鋼筋網10 號鋼筋編制而成，規格4.8 m×1.0 m 搭接而成。

2）兩幫支護。錨桿規格為L2 m×Φ22 mm 左旋高強錨桿，間排距0.8 m×0.8 m，配規格150 mm×150 mm、厚15 mm 蝶形托盤，采用6 mm 雙筋梯子梁鏈接；錨索規格為L4.3 m×Φ21.6 mm，間距1.2 m×1.6 m，配規格300 mm×300 mm、厚20 mm 蝶形托盤，采用M 型鋼帶連接（厚3 mm），鋼筋網10 號鋼筋編制而成，規格3.0 m×1 m 搭接而成。

3）底板支護。錨桿規格為L2.2 m×Φ22 mm 左旋高強錨桿，幫部一排，距底板0.2 m，角度15°，底板一排，距底角0.2 m，間排距0.8 m，角度45°。

3.3.3 混凝土厚噴層50 mm 封閉圍巖

4 控制效果分析

馬蘭礦10608 低抽巷松散軟弱圍巖控制技術應用后，進行了巷道表面位移收斂情況觀測，圖4 給出了巷道表面位移收斂與時間的變化曲線，從圖中可以看到試驗巷道變形可分為迅速變形（平均變形速率2～3 mm/d）、緩慢變形（平均變形速率低于0.5 mm/d）兩個階段，其中巷道掘出后迅速變形約20 d 后，巷道變形進入緩慢變形階段，巷道左幫最大移近量約41 mm，右幫最大移近量約44 mm，頂板最大移近量約33 mm，底板最大移近量約5 757 mm，總體來看，巷道底鼓相對嚴重，但試驗巷道在服務期內并未出現大變形，滿足底抽巷服務要求，巷道圍巖穩定控制效果較好。

圖3 巷道支護斷面（mm）

圖4 巷道表面移近量

5 結論

1）分析得到了軟巖巷道變形規律特征：自穩時間短，持續、快速大變形，底鼓劇烈，剛性支護易損壞等特點。提出了軟巖穩定控制三個原則：協調變形原則、一體化原則、局部強化原則。基于此，形成了軟巖巷道穩定控制思路：強化軟巖巖體承載性能；高強度護表+“三高錨桿”+預應力；錨索混凝土厚噴層防風化+支護結構合理補償。

2）開發了馬蘭礦10608 低抽巷松散軟弱圍巖控制技術：圍巖注漿+中空注漿錨索強化圍巖形成高強度錨固體；高強度護表+“三高錨桿”+預應力錨索二次強化圍巖，促使淺部-深部巖體一體化；混凝土厚噴層封閉圍巖防風化+支護結構合理補償。目前，該控制技術已成功應用于馬蘭礦10608 低抽巷，礦壓監測顯示，試驗巷道松散軟弱圍巖控制效果良好，可為類似軟巖巷道、低抽巷圍巖控制提供參考。