二疊系軟巖大變形巷道支護關鍵技術在新維煤業公司的研究與應用

銀正川 胡雷 王克雄

摘? 要：新維煤業是川南煤田優質無煙煤主力生產礦區，主采川南煤田二疊系宣威組煤層，在礦井埋深超過500m時，巷道因地壓大、巖石軟等問題，出現了嚴重底鼓、片幫的現象，二疊系軟巖巷道變形機理及變形防控已成為亟待解決的難題。本項目針筠連礦區新維煤礦總回風為例，巷道掘進后出現的底板鼓起量大、持續變形、難以穩定的現象，從原因、機理、工藝、技術等方面對上述問題展開研究并提出解決支護優化方案，對降低礦井巷道掘進成本具有重大的價值和實際意義，并形成軟巖巷道掘進支護技術體系。

關鍵詞：二疊系宣威組? 巷道變形防控? 支護優化? 軟巖支護技術體系

中圖分類號：TD353? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0011-04

Abstract： Xinwei coal industry is the main production area of high-quality anthracite in South Sichuan coalfield. It mainly mines the Permian Xuanwei Formation coal seam in South Sichuan coalfield. When the mine buried depth exceeds 500m， the roadway has serious floor heave and spalling due to the problems of large ground pressure and soft rock. The deformation mechanism and deformation prevention and control of the roadway in Permian soft rock have become a difficult problem to be solved. Taking the total return air of Xinwei coal mine in Junlian mining area as an example， the floor heave is large， continuous deformation and difficult to be stable after roadway excavation. This paper studies the above problems from the aspects of causes， mechanism， technology and technology， and puts forward the support optimization scheme， which has great value and practical significance to reduce the tunneling cost of mine roadway， and forms soft rock roadway excavation support Nursing technology system.

Key Words： Permian xuanwei group; Road deformation prevention and control; Support optimization; Soft rock support technology system

軟巖作為支護工程中的國際性難題，長期以來國內外學者開展了大量的研究，近年來我國學者的研究成果在國際上形成了自己的特色。關于軟巖的支護理論，國內外針對不同的軟巖條件，提出了大量的支護理論。比較典型的有：中國礦業大學何滿朝教授的軟巖巷道優化支護理[1];中國礦業大學陸世良教授U型鋼支護壁后充填理論[2];董方庭教授圍巖松動圈理論[3];北京科技大學方祖烈教授軟巖巷道的維護理論[4];東北大學鄭雨天教授軟巖支護理論[5];廣西大學范秋雁教授新奧法原理[6];中國礦業大學侯朝炯教授加固幫腳控制圍巖變形的理論;煤炭科學研究總院開采研究所康紅普教授提出了關鍵承載圈理論;西安科技大學黃慶享教授等在治理四川攀枝花構造破碎帶軟巖巷道錨網支護時，提出了巷道支護的“極限自穩平衡拱理論”。

針對全厚軟巖巷道掘進造成的圍巖松動圈大、圍巖軟弱的圍巖結構特征，從恢復、提高圍巖自身強度和改變圍巖的力學狀態為切入點，緊緊圍繞改善圍巖結構及其物理力學性質、適時隨機加固圍巖這一根本，采用“先控、后固、再抗”的巷道支護理念先進支護優化方案。

1? 新場井總回風支護參數

（1）根據新場井總回風大巷圍巖條件，提出以下巷道支護原則：①錨桿與錨索支護優先原則;②及時、主動支護原則;③全斷面支護原則;④錨固與注漿加固相結合原則;⑤耦合支護原則;⑥二次支護原則，如圖1所示。

（2）錨桿支護：半圓拱頂板和直墻兩幫部均采用Ф25×3000mm規格的MZGK200-42/25中空注漿錨桿，配150mm×150mm×10mm方形托盤，錨桿間距700mm，錨桿排距700mm，每排18根;半圓拱頂板和兩幫直墻每根錨桿使用1節Z2850型樹脂藥卷;每根錨桿預拉力不小于30kN（對應的扭矩不小于150N.m）。

（3）錨索支護：半圓拱頂板和兩幫直墻均采用中空注漿錨索長8300mm，直徑Ф29mm，破斷力400KN以上，配300mm×300mm×16mm方形托盤，1個KM29型鎖具，錨索間距1400mm，排距1400mm;每根錨索搭配2節Z2850型樹脂藥卷;每根錨索預緊力不低于120KN。

（4）布置方式：拱部正頂布置1根中空注漿錨索，兩側對稱呈放射狀依次布置，保證中空注漿錨索均垂直巖面布置。最上端中空注漿錨桿距巷道中心線350mm對稱布置，其余錨桿依次垂直于巖面對稱布置，底角錨桿下扎20°，且距離巷道底板不得大于 200 mm，見圖1。

（5）鉆孔參數：中空注漿錨桿安裝孔徑 32mm，孔深2900 mm;中空注漿錨索安裝孔徑 38 mm，孔深按 8 000 mm，誤差均不得大于±50 mm。

（6）護表方式：采用直徑6.5mm鋼筋網，半圓拱+直墻共使用8片鋼筋網片，每片鋼筋網片規格1600mm×1000mm，鋼筋網格尺寸50mm×50mm，搭接長度50mm，采用人工扣接。半圓拱+直墻表面的中空注漿錨桿之間采用4條W鋼帶連接，每條W鋼帶長3.2m，寬300mm，厚5mm、孔直徑40mm，孔間距700mm，端部余留200mm。

（7）錨桿注漿參數：①注漿量主要掌握兩個原則，一是控制泵壓在圍巖內達到1.5～2.5Mpa時應停止注漿;二是根據相鄰鉆孔跑漿量來定，相鄰鉆孔一旦跑漿，應及時封鄰孔或停止注漿。②復注量一般為一次注漿量的60%。③幫頂注漿壓力為 2～2.5MPa，底角錨桿孔注漿壓力可加到2.5～3.0MPa。④在控制注漿壓力和注漿量的同時，必須控制注漿時間一般為30～40 min，可以防止注漿在弱面漿液擴散較遠，造成跑漏現象。

（8）錨索注漿參數：注漿壓力7～10MPa，不低于7MPa，達不到注漿壓力時，則采取分次分級加壓注漿，初壓3MPa，注漿3～5min，間隔30min，再復注5～7MPa。

2? 底板支護技術參數

2.1 底板注漿錨索支護

底板注漿錨索錨索索體為籠型中空結構，8根Φ6mm周邊絲以及自帶注漿芯管（內、外徑分別為Φ7.5mm和Φ10mm），長度6.3m，在端頭設置攪拌頭，在錨固段設置“鳥籠”，以提高底板錨索的錨固力。底板每排布置3個中空注漿錨索孔（每排孔間距1600mm），排距1600mm，底板鉆孔直徑為Φ32mm，采用“下錨上注”的方式，對底板錨索實現全長錨固。先采用樹脂藥卷錨固，張拉錨索（預緊力為150～180 kN），然后對自由段進行注水泥漿全長錨固。錨索施工完成后，對底板進行矸石回填和噴射混凝土，如圖2所示。

2.2 底板注漿錨索支護

采用2m長的29U型鋼梁將每排2根錨索組合，鋼梁上小托板（160×100×14mm）、鎖具張拉錨索，錨索張拉儀型號SL-50T，錨索張拉力不小于120kN。對稱一根上托板300×300×16mm及160×100×14mm小托板、鎖具、錨索形成一排，鋼梁和單排錨索交叉進行排列錨固。

3? 監測方案設計技術參數

3.1 切測站布置

一盤區總回風大巷采用高強中空注漿錨桿支護+高強中空注漿錨索二次支護試驗段，分別布置：表面收斂測站四組，多點位移計站一組，頂幫測力錨桿各一組。測站具體設置位置，根據現場施工進度現場確定一盤區總回風大巷試驗段布置兩個監測斷面，兩監測斷面沿巷道軸向間隔0.6～1.0m。采用十字布點法安設表面位移監測斷。

3.2 錨桿受力觀測

利用錨桿液壓枕監測錨桿軸向力。錨桿液壓枕使用時，待錨桿攪拌完成后，首先安裝錨桿液壓枕，然后再安裝錨桿托盤，實施預緊力。錨桿安裝好后，用采集器對錨桿受力液壓枕安裝好之后，進行定期觀測，定期逐點觀測錨桿。對數據進行處理，可得到錨桿軸向拉力。本次監測，在一個斷面內頂板安裝4個，左右幫部各安裝2個，一個斷面總共安裝8個錨桿索測力計，如圖3所示。

4? 軟巖巷道支護優化效果分析

4.1 經濟效益

4.1.1 支護成本核算

（1）原有支護形式成本核算（見表1）。

① 錨桿采用Φ16螺紋鋼錨桿，長度2200mm，間排距800×800mm。② 錨索采用Φ15.24鋼絞線錨索，間距1.2m，排距1.6m，按四四布置。③ 金屬網采用菱形編制金屬網。④ 噴射混凝土為C20，噴砼厚100m。⑤ U型棚間距0.8m，架棚緊跟工作面。

巷道一次返修率：67%;巷道二次返修率：28%;巷道報廢率：14%。

則原支護條件下巷道每米成本為：

7071.6+7071.6×67%+7071.6×28%+7071.6×14%=14779.7元。

（2）巷道支護優化設計成本核算（見表2）。

①巷道斷面形狀為直墻半圓拱形;②錨桿? ? ? ? ? 為16mm左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，平行布置，間排距為800×800mm;③ 使用樹脂藥卷，長度500mm，每根錨桿2卷;④ 菱形網，具體規格為：網片寬為1000mm，網眼尺寸75mm×75mm，網為8#鐵線;⑤恒阻錨索長度為8.5m。

支護優化后巷道每米成本為：8118.9元;優化后每米巷道節約支護成本：14779.7-8118.9=6660.8元。

節約成本：11000m×6660.8元/m=7326.88萬元。

4.2 安全、社會效益

4.2.1 提供了巷道頂板分類科學依據

將不同層位的巷道根據其跨距比、穩定巖層高度及老頂是否含軟巖進行了科學的分類，根據分類的不同提供了可靠的頂板支護方式，避免了軟巖巷道支護的盲目性。

4.2.2 消除了安全隱患

支護技術優化之后，對不穩定頂板巷道和極不穩定頂板巷道提供了有效的支護方式，消除了原有支護方式帶來的不安全因素，杜絕了冒頂現象的發生，減少了片幫、底臌量。

4.2.3 降低了工人的勞動強度

原有支護方式一次返修率極高、二次返修率不低，甚至存在整條巷道報廢現象，支護技術優化后，不僅減小了進行返修支護作業時工人的勞動強度，同時也減小了支護材料的搬運量，由此大大降低了工人的勞動強度。

5? 結語

重點解決新維煤業出現的軟巖底鼓治理理論與關鍵技術問題，并通過維礦軟巖及底鼓防治現場工程實踐，形成適合新維煤業礦區地質條件的底鼓治理理論與技術體系，為新維煤業在地質條件惡化，采動應力的疊加，二次采動的擾動等因素的綜合作用下的礦井監測巷道掘進變形破壞狀況、巷道圍巖結構與巖石力學特性等技術提供了研究依據。

通過二疊系軟巖巷道變形機理及防控關鍵技術研究設計優化技術的推廣應用，符合經濟增長要堅持節約資源的發展方針，施工工藝工序更為簡單，操作方便，較大的節約了人力和物力，可以實現減少巷道多次返修，降低維護費用的目標，同時能滿足通風、運輸、行人的需要，確保礦井的安全生產，提高了機械化程度和操作人員的精度，進而加快了巷道掘進速度，使公司安全生產與技術管理水平得到大幅度提升，為樹立公司良好的社會形象起到巨大的推動作用。

參考文獻

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