8222工作面軟巖巷道鉆孔卸壓優化支護技術研究

裴志遠

（同煤集團宏泰公司，山西 大同 037000）

1 工程概況

同煤大唐塔山煤礦8222 工作面位于3~5#煤層二盤區，工作面主采3~5#煤層，煤層均厚為19.93m，平均傾角為2°，屬巨厚煤層。煤層中含有6~17 層夾矸，夾矸層的厚度在2.1~13.7m 之間變化，平均厚度為5.57m。煤層上方直接頂為泥巖和炭質泥巖，均厚為7.41m，基本頂為中砂巖和粗砂巖，均厚為8.3m。工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。8222 工作面頂板高抽巷設計為矩形斷面，沿煤層頂板掘進，屬于軟巖巷道，巷道設計全長約2907m，巷道寬度4200mm，高度3000mm。巷道原有支護方式采用錨桿、鋼帶、錨索、金屬網聯合支護。原有支護頂錨索型號為Ф17.8mm×8300mm，三花布置，排間距為1800×1200mm；頂板錨桿使用Ф22×2500mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排間距900×1000mm；兩幫錨桿型號為Ф18×2000mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排間距900×1100mm；金屬網采用網格為70mm×70mm 的8#鉛絲金屬網。8222 工作面頂板高抽巷在原有支護方案下圍巖變形量大，急需采取有效措施控制巷道圍巖的變形。

2 鉆孔卸壓原理分析

根據巷道圍巖相關松動圈的理論可知，巷道在開挖后會在巷道周圍淺部圍巖的一定深度內出現松動圈，由于松動圈范圍內的圍巖處于單向或者雙向受力狀態，巖石在集中應力的作用下會破壞。盡管破壞后的圍巖體存在著一定的殘余強度，但圍巖的破壞會使得圍巖體內的應力得到釋放。鉆孔卸壓的原理與巷道相似，當鉆孔形成后，鉆孔周圍的煤體會由原本的三軸受力狀態轉化為單向或者雙向受力狀態，在集中應力的作用下，鉆孔周圍的煤巖體會逐漸進入塑性狀態，隨著鉆孔周圍煤巖體塑性區域的不斷擴大，在塑性區內區的圍巖變形量與塑性區外區的圍巖變形相比要大，進而內圈的煤體便會發生破裂，進而形成破裂區，最終在卸壓鉆孔周圍會形成由彈性區、塑性區和破裂區組成的圍巖卸壓圈[1-2]。

當巷道開挖作業形成的松動圈與打設卸壓鉆孔形成的卸壓圈產生相互疊加時，便會在巷道的周圍形成一個較大的松動圈，其結構示意如圖1 所示。

圖1 巷道與卸壓鉆孔松動圈疊加示意圖

通過在需進行卸壓的巷道圍巖內打設卸壓鉆孔，能夠使巷道掘進產生的支承壓力峰值逐漸向圍巖的深部轉移，進而使得巷道處在應力降低區的范圍內，能夠有效地減小巷道圍巖的變形量；另一方面，卸壓鉆孔的打設能夠為巷道圍巖提供一定的變形空間，能夠有效地吸收圍巖內的一部分變形，進而在總體上減小巷道圍巖的變形量[3-4]。具體卸壓鉆孔的作用原理如圖2 所示。

圖2 卸壓鉆孔作用原理圖

3 鉆孔卸壓支護設計與效果

3.1 巷道變形破壞機理分析

通過對8222 工作面頂板高抽巷的圍巖進行物理力學性能的測試和現場觀測，得出巷道圍巖變形破壞的主要原因如下：

（1）巷道圍巖應力大。根據8222 工作面的地質資料可知，巷道圍巖處于高應力水平，圍巖受到的水平應力值較大，形成了較高的應力水平，增大了8222 工作面頂板高抽軟巖巷道的支護難度。

（2）圍巖強度低，具有較強的膨脹性。由于8222 工作面頂板高抽巷沿著煤層頂板掘進，煤層直接頂為泥巖和炭質泥巖，其巖體節理裂隙較為發育，巖體整體呈現出松散破碎的特征。根據圍巖力學試驗可知炭質泥巖和泥巖的整體強度在20 ～40MPa之間；另外由于直接頂巖層主要以泥巖為主，其泥質含量較大，巷道開挖后圍巖極易風化，進而會使得圍巖體的穩定性變差，圍巖強度急速降低；同時X 衍射礦物成分分析可知，直接頂泥巖中主要以高嶺石為主，同時含有一定的伊利石粘土礦物，致使巖石表現出親水性較強、易于出現塑性流變的特征，具有膨脹性。

（3）巷道底角和幫肩應力集中程度大。8222工作面頂板高抽巷斷面形狀為矩形，由于矩形巷道的承載能力與拱形巷道相比較低，并且矩形巷道在高應力的作用下，巷道會首先從底角和幫肩位置處出現破壞，進而導致巷道圍巖大范圍的變形破壞。

（4）巷道支護方式不合理。根據8222 工作面頂板高抽巷處于高應力區域和圍巖松散破碎的兩大特點，在對巷道支護時需具備兩大特點：① 支護系統應具備適應圍巖大變形的特征，能夠與圍巖形成協同變形；② 巷道支護系統應能夠提供足夠的支護阻力，來保障巷道圍巖的穩定。8222 工作面頂板高抽巷現有支護方式僅僅注重了巷道的支護強度，給巷道圍巖提供了一定的支護阻力，通過提高支護強度能夠維護降低巷道圍巖變形量，但成本過高，可對巷道周邊高能力和高應力進行適當的“讓”和“轉”，進而調整巷道圍巖的應力分布狀態，保證巷道處于應力降低區內，維持巷道圍巖的穩定。

3.2 支護整體思路

由于軟巖自身存在著塑性、各向異性、膨脹性、流變性等特征，進而使得軟巖在高應力狀態下表現出圍巖變形量大、變形持續時間長、變形速率快等特征，高應力為軟巖巷道變形破壞的主要原因。基于此特點，提出先將積聚在巷道周圍的高支承應力向圍巖深部轉移，再進行讓壓，釋放圍巖的變形能，最后再采用高強度、高穩定性的錨固支護來保證圍巖的穩定。具體8222 頂板高抽巷圍巖的控制思路如圖3 所示。

圖3 8222 工作面頂板高抽巷圍巖控制思路

3.3 支護方案設計

根據鉆孔卸壓原理、8222 工作面頂板高抽巷原有支護方案存在的問題及轉讓抗支護方案的控制思路對8222 工作面頂板高抽巷的支護方案進行優化設計，支護參數如下：

（1）頂板支護參數

頂板錨桿采用型號為Φ22mm×2500mm 的左旋無縱筋錨桿，間排距為800×800mm，靠近兩幫的錨桿向巷幫方向傾斜成15°安裝，其余錨桿垂直于巷道頂板打設。錨桿的錨固長度為1.2m，錨桿的安裝預緊力大于300N?m，同時采用7 網孔規格為70×70mm 的鋼筋網進行護頂。每排錨桿的第二根或者第五根用Φ18.9×5500mm 的錨索進行替換，并在每兩排錨桿中間布置型號為Φ18.9×5500mm的錨索，間排距為2000×2200mm。每排打設2 根錨索，錨索垂直于頂板打設，錨索型號為Φ22×8300mm 的1×19 股的鋼絞線，錨索的安裝預緊力為100kN，錨索采用兩支M2350 和兩支CK2350 型樹脂型錨固劑進行錨固，錨固長度為2700mm。

（2）兩幫支護參數

巷幫錨桿的間排距為700mm×800mm，錨桿直徑為22mm，長度為2500mm，錨桿的型號為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。巷道斷面內每排安裝4 根錨桿，靠近底板的錨桿向底板方向傾斜30°安裝，其余錨桿均垂直巷幫安裝。錨桿預緊力、錨固劑、托盤、金屬網及錨桿的錨固長度與頂板參數相同。

（3）卸壓鉆孔參數

沿著8222 工作面頂板高抽巷的走向方向，在巷道兩幫各施工3 個卸壓鉆孔。鉆孔的間排距為1000mm×800mm，鉆孔直徑為120mm，鉆孔深度為6m。

具體8222 工作面頂板高抽巷的支護示意圖如圖4 所示。

3.4 效果分析

為驗證8222 工作面頂板高抽巷采用鉆孔卸壓后的支護方案效果，通過十字布點法對頂板高抽巷的表面位移進行持續觀測。每兩天對巷道圍巖的位移進行一次觀測，持續觀測30d。根據礦壓觀測數據能夠得到巷道表面位移的曲線圖，如圖5 所示。

巷道表面位移的監測結果顯示，8222 工作面頂板高抽巷在鉆孔卸壓支護技術實施后，在0 ～10d內巷道圍巖變形量較大，頂底板的變形速率為11.5mm/d，兩幫變形速率為27mm/d；在10 ～30d的時間內巷道頂底板及兩幫移近量均基本保持穩定，這即表明巷道圍巖已經處于穩定狀態。巷道頂底板最大移近量為115mm，兩幫最大移近量為270mm，巷道圍巖變形量在采用鉆孔卸壓支護后得到了有效控制。

圖4 8222 工作面頂板高抽巷支護示意圖

圖5 巷道圍巖變形量曲線圖

4 結論

通過分析8222 工作面頂板高抽巷在現有支護下存在的問題，并結合鉆孔卸壓原理，對頂板高抽巷的鉆孔卸壓支護方案進行優化設計。礦壓監測結果顯示，在頂板高抽巷采用鉆孔卸壓支護方案后，頂底板的最大移近量為115mm，兩幫最大移近量為270mm，解決了巷道圍巖變形量大的問題，保證了巷道圍巖的穩定。