小峪礦軟巖巷道圍巖控制技術研究

李鵬程

（朔州煤電公司安全管理監察分局，山西 懷仁 038300）

隨著礦井采掘深度的增加，回采巷道掘進受到復雜地質構造及高地應力等因素多重影響，特別是巷道在軟巖中掘進時，圍巖短期變形及蠕變變形嚴重[1-2]。眾多學者結合軟巖掘進時巷道圍巖變形特征提出采用關鍵部位耦合支護、錨網索注聯合支護以及架棚支護等支護措施，取得顯著應用成果[3-6]。小峪礦南翼回風大巷在掘進過程中圍巖變形量過大，給巷道后續使用帶來安全威脅。

1 概況

南翼軌道大巷埋深400 m，沿著22 煤層底板掘進，22 煤層厚度平均3.36 m，直接頂、直接底均為松軟的泥巖。具體頂底板巖性如圖1。

南翼軌道大巷掘進斷面為半圓拱型，采用錨網索聯合支護工藝，支護設計如圖2。

南翼軌道大巷掘進完成后出現圍巖變形量過快、錨桿失效、嚴重底鼓問題，巷道掘進完成2 個月內底板底鼓嚴重，棚腿出現傾斜，拱頂出現顯著下沉，其中尤以底鼓最為明顯。同時，錨桿部分已失效，從巖體內整體拔出，未出現剪切、拉伸等破壞形式。

圖1 頂底板巖性

圖2 巷道原支護方案

南翼運輸巷圍巖變形過大，主要是由于巷道錨桿在松軟泥巖中出現脫落，錨桿支護時初期錨固力雖然達到設計要求，但在后期應力擾動、圍巖蠕變變形影響下，錨桿端部錨固材料與巖體間的粘聚力小于巖體塑性流變壓力，從而導致錨固端錨桿與巖體間膠結面被破壞，使得錨固力快速失效。

2 巷道頂底板巖層巖性成分分析

2.1 巖性成分分析

取巷道圍巖巖樣進行加工、測試以及分析，并采用XRF、XRD 測試巖體成分，其中發現圍巖中含有較高的黏土成分，見表1。

表1 巖樣主要礦物成分

結合現場調研并與軟巖標準對照，確認南翼回風大巷圍巖為弱膠結軟巖。

2.2 圍巖崩解測試

由于22 煤層上覆存在有富水性中等的裂隙水含水層，巷道頂板出現一定程度淋水，加之圍巖測試發現含有較高的黏土成分，為此，為了掌握圍巖變形特征，提出對圍巖進行崩解性測試。根據國家標準對巖樣進行循環崩解測試，具體典型巖樣測試過程中形態如圖3。

圖3 巖樣測試過程中形態

從圖3 看出，巖樣經過第1 次干濕循環后，整體變得更為粗糙且發育裂紋，巖樣部分脫落；經過第2 次干濕循環后，巖樣整體遭受明顯破壞，僅存在有一塊體積較大的碎塊且在碎塊表層發育有網狀裂隙，其余均出現崩解。

3 巷道圍巖變形控制技術

根據以往研究成果并結合巷道支護經驗，提出采用矩形鋼管混凝土拱架+注漿+錨桿支護方式對圍巖進行治理[7]。

3.1 技術方案

3.1.1 支護設計

矩形鋼管混凝土拱架+錨網索支護時，錨網索參數仍按照原支護方案，錨桿采用Ф20 mm×2500 mm 螺紋鋼錨桿，間排距按照800 mm×1000 mm 布置；錨索規格為Ф17.8 mm×8000 mm 鋼絞線，間排距為2000 mm×1000 mm。將原有的鋼架棚結構改成矩形鋼管混凝土拱架結構。

矩形鋼管混凝土拱架結構主要包括兩側拱弦及拱腿等，配備有鐵鞋、護板以及拉桿等結構。矩形鋼管混凝土拱架采用的鋼管壁厚為8 mm、長、寬均為150 mm，每個拱架上均預留有注漿孔（拱架底部）及排氣孔（拱架頂部），拱架搭設后形成的凈寬、凈高分別為5000 mm、4300 mm，拱架搭設間距為1000 mm。為了提高拱架穩定性，在拱腰位置采用錨桿、護板等固定，拱架與圍巖間空隙采用C20 混凝土充填。

巷道重新修整完畢后，采用錨網索立刻對圍巖進行支護，支護完成后即對圍巖進行注漿、搭設矩形鋼管混凝土拱架，拱架搭設完畢后從注漿孔位置鋼管中注入混凝土，待排氣孔中有混凝土溢出后停止注漿。

3.1.2 注漿加固

由于巷道沿著煤層底板掘進，考慮到22 煤具有自然發火危險性，若采用化學注漿材料加固圍巖，則材料在膠結過程中釋放的熱量會增加煤層自然發火概率，增加安全風險；選用普通水泥單液漿注漿時，漿液中水分與圍巖中高嶺土成分結合，會使得圍巖中細微裂隙被彌合，降低注漿效果，甚至引起圍巖結構失穩等問題。通過綜合分析，提出選用親泥性注漿材料加固圍巖，該材料在膠結過程中不產生熱量，較普通水泥漿具備更強的抗壓、抗拉強度，擴散半徑更大，同時緩凝性更好，便于注漿。親泥性注漿材料與普通水泥漿性能參數比對結果見表2。

表2 親泥性注漿材料與普通水泥漿性能參數比對表

待巷道臨時支護完成后，先對巷道底板進行注漿（注漿深度為2 m），然后施工底板錨桿，最后對巷道全斷面進行高壓注漿。底板注漿采用3 m 長注漿管，頂板及巷幫注漿采用中空注漿錨桿，巷道每隔5 m 布置一排注漿孔。為了提高圍巖加固效果，注漿采用間隔復注方式，具體如圖4，即為先依次對1-1、3-3、5-5 斷面進行注漿，待注漿完成之后再進行2-2、4-4、6-6 斷面復合注漿，注漿壓力均設計為2～5 MPa。

圖4 間隔注漿示意圖

3.2 圍巖控制效果

待巷道修整后，即對巷道圍巖變形情況進行觀測，具體注漿加固前后圍巖變形情況如圖5。

圖5 注漿加固前后圍巖變形

從圖中看出，對巷道圍巖注漿加固后，圍巖變形量顯著降低，最終注漿加固完成10 d 后圍巖趨于穩定，頂、底板最大變形量為151 mm（其中底鼓量為95 mm）、巷幫收斂量為85 mm。支護完成后的現場情況如圖6。

圖6 支護完成后的現場情況

4 結語

（1）小峪礦南翼回風大巷圍巖變形較大主要原因是巷道頂底板巖層為松軟泥巖且泥巖中含有大量的高嶺土，巷道頂板裂隙水含水層沿著裂隙從頂板淋出后會進一步降低泥巖強度，甚至造成圍巖支護結構失穩。

（2）采用矩形鋼管混凝土拱架+錨網索+注漿方式對圍巖變形進行控制。為注漿選用親泥性注漿，不僅可封堵導水裂隙而且可提高圍巖強度。

（3）巷道支護完成后10 d 圍巖變形基本趨于穩定，頂、底板變形以底鼓為主，最大變形量為151 mm，巷幫最大收斂量為85 mm，能夠滿足安全生產需要，達到設計圍巖控制效果。