正幫煤業輔運大巷圍巖失穩破壞規律及控制技術研究

高嘉駿

（山西汾西礦業集團公司正幫煤業，山西 孝義 032300）

1 工程概況

山西汾西礦業正幫煤業有限公司目前正在進行11#煤層的采掘工作，11#煤層厚度2.5～4.8m，平均厚度4.0m，可采指數為1，煤層傾角2～8°，平均4°。煤層頂底板巖性特征詳見表1。正在掘進的東西輔運大巷沿11#煤層布置，原有支護方式為錨網噴支護，在掘進生產實踐過程中，由于地質構造、老窯破壞區等因素，支護后圍巖出現明顯的失穩破壞現象，采用原有支護方案難以滿足巷道支護要求，必須展開其圍巖支護技術的研究。

表1 頂底板巖性特征表

2 東西輔運大巷原有支護及存在的問題

2.1 原有支護方案

11#煤層東西輔運大巷斷面為半圓拱形，支護后凈寬4.6m，直墻高1.6m，拱高1.9m，支護方式為錨網噴支護，采用規格為Ф18mm×2000mm的螺紋鋼錨桿。錨桿間排距為1000×1000mm，每個斷面共11根錨桿均垂直巷道表面施工，沿巷道中心線對稱布置，錨固劑為一支Z 2360樹脂藥卷，錨桿托盤采用120×120×10mm的碟形鋼托盤。頂板錨索采用Ф17.8mm×7000mm的預應力鋼絞線錨索，沿巷道中心線對稱布置，每排兩根，間排距為2400×2000mm，托盤采用 400×400×10mm的碟形鋼托盤，錨固劑為K2455、Z2455型號樹脂藥卷各一支。頂網采用由直徑為10mm圓鋼鋼筋制成的網孔為150×150mm的焊接網，網片規格為5200×1100mm。東西輔運大巷圍巖表面噴射厚度約為100mm的C20水泥混凝土。東西輔運大巷的支護斷面如圖1所示。

圖1 東西輔運大巷的支護斷面圖

2.2 圍巖位移特征及失穩原因

11#煤層東西輔運大巷在其掘巷早期布置圍巖表面位移和錨桿受力監測站，進行了20d的監測，整理后得到圖2所示的結果。根據圖2（a）所示的圍巖位移曲線可得，東西輔運大巷成巷后，巷道圍巖變形十分劇烈，成巷20d后，兩幫的移近量已達103mm，頂底板下沉量達148mm，頂板和兩幫的變形速度仍大于7mm/d，整體來說圍巖穩定性較差，巷道支護能力不足。根據圖2（b）所示的錨桿受力曲線可得，成巷后7d內錨桿受力的增加速度較快，之后錨桿受力增加緩慢，頂板錨桿的受力最大，達到40kN，錨桿載荷沒有達到屈服點的50%[1-2]，說明支護強度不夠，存在冒頂的危險。綜上分析可知，原有支護方案支護強度不能夠有效地控制圍巖位移，需提高其支護強度。

圖2 東西輔運大巷圍巖變形特征

3 東西輔運大巷技術研究

11#煤層東西輔運大巷圍巖失穩破壞很重要的原因是支護強度不足，并且底板未采取有效的支護措施。查閱相關的研究成果[3-4]，參考類似地質條件下巷道的支護實例，設計采用錨網索噴+反底拱錨注聯合支護方案對東西輔運大巷進行支護。優化后的支護參數：錨桿直徑由原來的18mm增加到20mm，錨桿長度為2000mm，材質為左旋無縱筋螺紋鋼，錨桿間排距減小為800×800mm，靠近底板的一排錨桿俯角為15°，錨固劑采用K2455型（內）、Z2455型（外）樹脂錨固劑各一支，錨固深度1.1m，預緊力不小于50kN，錨桿間鋼筋梯子梁由Ф10mm的Q235鋼筋焊制，金屬網采用由直徑6mm鐵絲加工的邊長為50mm的矩形鋼筋網，托盤采用120×120×10mm碟形鋼托盤；頂板錨索采用Ф15.24×7000mm鋼絞線錨索，每排兩根，沿巷道中心線對稱布置，間排距為1600×1600mm，每間隔兩排錨桿安裝一排錨索，錨固劑采用K2455型（內）、Z2455型（外）樹脂藥卷各一支，錨固長度1.6m，預緊力不小于100kN；完成以上支護后，在圍巖表面噴射100mm厚的C20混凝土。

11#煤層東西輔運大巷底板為泥巖，不僅厚度較大，且圍巖性質較差，因此設計采用混凝土反底拱錨注聯合支護技術。首先對底板進行臥底，使底板形成類似反拱的形狀，沿反底拱預埋底板曲梁；與此同時在底板安裝Ф22mm×1400mm的注漿錨桿，間排距為1600×1600mm，注漿材料為ZKD高水速凝材料，水灰比為1.5:1，注漿壓力根據底板巖層破碎情況進行調整，一般為2～4MPa；底板鋪設金屬網，最后澆筑水泥混凝土形成一個平面，混凝土上部空頂處用碎石子填充。東西輔運大巷錨網索噴+反底拱錨注支護詳情如圖3所示。

圖3 東西輔運大巷錨網索噴+反底拱錨注支護斷面圖

4 應用效果

為考察正幫煤業11#煤東西輔運大巷支護的效果，針對采用支護優化方案的巷段，分別進行了圍巖表面位移和錨桿受力監測。如圖4、圖5所示。

圖4 圍巖位移監測結果

圖5 錨桿受力監測結果

分析觀測結果可以看出，巷道圍巖在10d內變形量和變形速度較大，隨后圍巖的變形速度逐漸趨于0，頂底板累計變形量最大約為75mm，兩幫累計移近量約為42mm，整體來說，圍巖穩定性較好。根據圖5所示的錨桿受力曲線可知，成巷前3～4d內錨桿受力增加最為明顯，10d后錨桿的受力趨于平穩，兩幫錨桿受力約為60kN，頂板錨桿受力約為70kN，錨桿受力均大于屈服點的50%而小于80%，屬于錨桿較為理想的受力狀態。綜上可知，11#煤層東西輔運大巷采用優化后的支護方案，圍巖穩定性良好，取得了顯著的應用效果。