金能煤業大斷面掘進巷道圍巖支護技術研究

周 瑞

（霍州煤電金能煤業有限公司，山西 靜樂 031500）

為緩解采掘接替壓力，提高掘進效率，采區和區段巷道常布置在煤層中。由于煤層內部富存節理裂隙，頂底板常為泥巖、砂質泥巖等軟弱巖層，因此大斷面煤層巷道若支護參數設計不合理，后期易發生顯著變形，影響巷道的正常服務使用。因此，有必要開展大斷面煤巷掘進支護技術研究以解決圍巖變形顯著問題。

在大斷面煤巷支護技術方面，專家學者研究取得了豐富的理論成果和理想的現場實踐效果[1-4]。為解決金能煤業東翼集中回風上山巷道掘成后變形顯著問題，本文分析了原支護存在的問題，提出了通過注漿錨索改善圍巖變形控制效果的方案。

1 工程背景

1.1 工作面地質條件

東翼集中回風上山擔負中一采區的回風任務，巷道的地面標高為+1382～ +1450 m，底板標高為+919.5 m，長度為1306 m，坡度為12°。巷道沿山西組2#煤層掘進，2#煤層厚度為0.6～10.4 m，煤層傾角為7°～28°。煤層直接頂為4 m 厚的泥巖，基本頂為6.37 m 厚的砂質泥巖，直接底為2.6 m 的砂質泥巖，基本底為9.6 m 厚的細粒泥巖。

1.2 原支護情況

東翼集中回風上山的斷面形狀設計為直墻半圓拱形，巷道寬度為5.44 m，高度為4.82 m。原支護設計采用錨網索噴支護。

（1）錨桿支護。選用Φ22 mm×2400 mm 型錨桿，每排15 根，每根使用2 根Z2835 樹脂錨固劑，頂錨桿預緊力矩不小于200 N·m/根，間排距800 mm×800 mm，配備尺寸為1000 mm×2000 mm 的Φ6 mm 鋼筋焊接網護表，網格尺寸為100 mm×100 mm。

（2）錨索支護。選用Φ17.8 mm×6500 mm 型普通錨索，每排布置5 根，間排距1200 mm×1600 mm，每根錨索使用4根Z2360和1根CK2360 錨固劑，錨索錨固力不小于120 kN。

（3）噴漿支護。巷道表面噴射厚度為120 mm的C20 混凝土支護。

具體支護參數如圖1。

圖1 原支護參數斷面圖（mm）

東翼集中回風上山頂底板巖性均為泥巖，圍巖較為破碎，承載能力不佳。同時，由于巷道沿煤層掘進，煤層厚度變化不均，部分區域巷道頂板存在托頂煤問題，增大了巷道圍巖支護難度，掘成巷道發生顯著變形，影響巷道服務期間的正常使用。現場圍巖破壞呈現如下特征：

（1）巷道掘成一周內，變形速率均值可達21～27 mm/d，峰值可達105 mm/d，測得的頂底板移近量達1.12～1.54 m，兩幫收斂量達0.92～1.47 m。

（2）巷道穩定周期長。根據對巷道變形數據的分析，發現巷道掘成后需經歷至少28～57 d 方能達到穩定狀態。

2 巷道變形原因分析及支護優化

2.1 原支護存在問題分析

通過對巷道支護效果進行現場調查，發現原巷道支護存在以下問題：

（1）錨索長度不足。由于巷道沿底板掘進，煤層厚度變化大，錨索未能錨固在深層穩定巖層內。

（2）支護密度不夠，支護強度不足。巷幫僅使用了錨桿支護，未布置錨索，幫部變形嚴重。

（3）支護失效現象普遍。由于圍巖破碎，普通錨桿、錨索支護后預緊力損失嚴重，未能實現對圍巖的主動支護，使得巷道圍巖持續變形失穩。

（4）巷道掘進方式影響。由于巷道沿煤層底板掘進，巷道頂板存在頂煤，采動影響下頂板變形破碎嚴重，出現大范圍支護構件失效現象。

2.2 圍巖變形控制思路

針對存在問題，提出了注漿錨索強力支護技術。通過增大錨桿索的預緊力，實現主動支護；通過注漿錨索對圍巖進行注漿改性，將圍巖裂隙封堵粘結，保證預緊力擴散效果，變被動支護為主動支護，實現預應力全長錨固，改善圍巖控制效果。注漿錨索支護具有以下特點：

（1）改善圍巖力學性能

煤系地層由于屬于沉積巖，巖性普遍較軟，同時內部富存節理裂隙。煤層巷道受擾動作用，易發生變形破壞。通過注漿錨索對圍巖注漿，可顯著提升巖體的剛度和抗剪能力，從而保證在受擾動影響時變形較小。

（2）降低圍巖松動圈范圍

巷道開挖后，圍巖應力環境發生改變，由三向應力向二向應力狀態轉變，受開挖卸荷作用，巷道淺部圍巖變形破壞，形成圍巖松動圈。圍巖松動圈的產生，表明圍巖的承載性能不足以承受所處環境的集中應力作用，圍巖發生了變形破壞。通過注漿對圍巖進行加固，其承載能力得到提升，巷道圍巖不再變形破壞從而降低了圍巖松動圈范圍，保證巷道的穩定性。

（3）避免風化作用

通過注漿液對巖層裂隙進行封堵，限制巖體同空氣接觸，可避免巷道圍巖內部受風化影響力學性能降低。

（4）實現主動支護

巷道圍巖通過使用注漿錨索注漿加固，圍巖的承載能力顯著提升，同時松動圈范圍明顯降低，可保證支護附加應力場在圍巖內的擴散，保證巖體與支護體形成整體承載結構，達到主動支護效果，使巷道頂板穩定而不易產生破壞。

2.3 支護參數優化

基于前文對原支護存在問題的分析，根據圍巖變形控制原則，提出了支護優化方案，如圖2。

圖2 支護優化方案斷面圖（mm）

由于原支護為普通錨桿、錨索支護，當圍巖破碎時預應力傳遞效果差，易出現支護失效，對此通過使用注漿錨索加強對圍巖的控制。

錨桿采用型號為Φ22 mm×2400 mm，間排距800 mm×800 mm。注漿錨索型號Φ22 mm×8500 mm，每排布置9 根注漿錨索，頂板注漿錨索間排距為1200 mm×1600 mm，幫部注漿錨索的間排距為1000 mm×1600 mm，每根錨索使用4 根Z2360 和1根CK2360 錨固劑，錨索錨固力不小于300 kN。

為實現對圍巖裂隙的快速封堵強化，選用P.O 42.5 硅酸鹽水泥作為注漿錨索的注漿材料，選用波密度37 的液體水玻璃（硅酸鈉）為注漿材料的添加劑。水泥漿的水灰比為水:水泥（質量比）=1:1；水泥漿:水玻璃（體積比）=1:0.25～0.5。

3 圍巖控制效果

為評價提出的支護優化參數對圍巖的控制效果，在掘進工作面布置了巷道表面位移觀測點，監測巷道掘成后的頂板下沉量、兩幫移近量和底鼓量變化情況，監測數據整理如圖3。

圖3 巷道圍巖變形情況

（1）隨著測點距掘進工作面距離的增加，測得的巷道變形量逐漸增加，但趨勢趨于穩定，在距掘進工作面30 m 處巷道變形量趨于穩定。待巷道變形穩定時，頂板下沉量為22 mm，兩幫移近量為72 mm，底鼓量為24 mm。

（2）圖3 中巷道圍巖變形觀測數據，表明采用注漿錨索對圍巖進行強化支護后，巷道的變形得到有效控制，同原支護下巷道圍巖變形量相比降低95%以上，表明提出的支護優化方案較為合理。

圖3 試驗巷道圍巖移近曲線圖

4 結論

（1）為解決金能煤業掘進巷道變形顯著問題，針對巷道地質條件，對原支護方案進行了優化，提出使用注漿錨索改善圍巖變形控制方案。

（2）采取優化支護方案后，現場觀測數據顯示巷道圍巖變形得到有效控制，巷道變形量較小。同原支護相比圍巖變形量降低了95%以上，表明提出的圍巖變形控制技術適用性較好。