深井高應力巷道松動圈測試及支護優化技術

李建功，任家俊，丁坤朋

（1.山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046000；2.河南明德礦山技術開發有限公司，河南 焦作 454000；3.河南理工大學河南理工產業技術研究院，河南 焦作 454003）

隨著科學技術的快速發展，煤礦開采逐步向深部發展，深部巷道普通的支護形式已不能滿足安全生產的要求，深井巷道呈現出難支護、支護效果差、巷道變形嚴重等現象，并且深部巷道支護還存在一些問題。

單一支護方式未考慮巷道不同地段地質特點，造成支護強度過大或過小，未真正起到作用。

忽略幫部及底板支護，造成幫部和底板失穩。

未考慮巷道整體穩定性，只針對局部位置加強支護，引起支護失穩。

山西某礦現開采15號煤層，煤層平均厚4 m，煤層埋深高達800 m。在煤層傾向的中部布置有五條大巷。其中回風大巷位于15號煤層中，沿煤層頂底板掘進，矩形斷面。頂部采用錨索、鋼筋網、噴射混凝土聯合支護，采用Ф21.8 mm×6 200 mm的高強錨索，間排距均為800 mm；幫部采用錨索、鋼筋網、噴射混凝土聯合支護，巷道底角處施工一排Ф20 mm×2 400 mm錨桿，錨索采用Ф17.8 mm×4 200 mm，間排距均為800 mm。根據地應力測試結果，回風大巷所處位置最大水平主應力32.26 MPa，原巖應力場為高應力值場，構造應力占優勢。

工作面布置在大巷南北兩側，呈條帶式開采。煤層埋深大、地應力高，且受采動影響的共同作用，使大巷受到嚴重變形，甚至破壞，對礦井正常生產和安全構成極大影響。為此，大巷經歷了多次返修，耗費了大量的人力物力。為了掌握大巷的圍巖破壞情況，通過對回風大巷進行圍巖松動圈測試，基于測試結果，優化大巷支護方式和參數。該研究為巷道支護參數的優化提供技術依據。

1 返修巷道圍巖松動圈理論分析

巷道圍巖松動圈支護理論認為巷道支護主要對象是巖體開挖后形成的松動圈所產生的圍巖碎脹變形；而對于返修巷道的支護形式是巷道刷擴過程中圍巖產生的碎脹變形。與新掘巷道有所不同，返修巷道圍巖松動圈的發展過程有其自身的特點，決定了返修巷道與新掘巷道在支護要求上的不同。

如圖1所示，原松動圈為AC，返修過程中巷道因刷幫，靠近巷道表面AB的巖石被挖去，破壞了原松動圈所形成的力學平衡狀態，原松動圈的內邊界A點變到了刷擴后的B點，巷道的圍巖松動圈向深部發展，外邊界由原有的C點變到了刷擴后的D點，在此過程中，BC間的巖體變得更碎脹，CD之間的巖石發生了破裂，形成新的松動圈BD。

圖1 松動圈變化示意圖

當刷擴寬度AB與圍巖松動圈比值較小時，巷道的刷擴寬度不大，圍巖變形量不大，可按原有支護方式進行支護。如果AB與松動圈比值較大時，即巷道刷擴寬度較大，此時巷道出現了較大的圍巖碎脹變形，原有支護方式不合理，需重新設計支護方式。

2 巷道圍巖松動圈測試

2.1 測試原理

采用CT-2型超聲波圍巖裂隙探測儀進行巷道圍巖松動圈測試。其原理：聲波的波速與裂隙發育情況、介質密度、聲阻抗等因素有關，與裂隙發育、聲阻抗成反比，與密度成正比。因此，圍巖完整性好測得的聲波波速就高，圍巖存在裂縫時測得的波速就低。測出距巷道圍巖表面不同深度的巖體波速值，從而可以繪出深度和波速的曲線，然后由該地的地質資料可推斷出該巷道的圍巖松動圈范圍。

圖2 CT-2型探測儀發射與接收示意圖

CT-2型探測儀為一發雙收式裝置。發射探頭F在鉆孔中發射聲波，在孔壁周圍產生滑行波沿著鉆孔壁傳播，在一發雙收的測試中，當首波傳播到接收探頭J1時，將聲波轉換成電能，使控制器翻轉，計數門開啟，計數器開始計數。當滑行波繼續傳播到接收探頭J2時，控制器翻轉回來，將計數門關閉，計數器停止計數，顯示出聲波在J1與J2間巖體中傳播的時間讀數t，用下式計算聲波波速：

式中：l為兩接收探頭之間的距離；t為時間讀數。

2.2 測試位置及相關參數

采用單孔測試方法，在巷道斷面上先確定監測點，然后在監測點位置鉆孔，再將圓管狀聲波探頭置入鉆孔，為了使探頭和孔壁有良好的聲耦合，需要事先把孔內注滿水，孔口裝有堵水器，從孔口到孔底逐點測試，直到各點測試完畢。

在回風大巷內布置兩個觀測鉆孔，鉆孔位于15號煤層對應15109綜采工作面回風順槽向東50 m處。鉆孔直徑68 mm，鉆孔深度3.0 m，距底板高度，1.5 m；鉆孔角度向下偏5°。如圖3所示。

圖3 測試鉆孔布置圖

2.3 測試結果及分析

根據觀測數據，將其換算成聲波速度后，并將其繪制成波速度與孔深關系圖如圖4所示。

圖4 聲波速度與孔深關系圖

結合現場測試狀況，并對測試結果進行分析，由圖4可知：

1）通過測試鉆孔注水情況可知，回風大巷的孔內裂隙均較發育，注水時需3~10 min才能將水注滿鉆孔，且停水后孔內水位快速下降，在距離孔口約0.5 m至巷幫處鉆孔大量裂隙導致鉆孔內持續注水時水位上升困難。

2）巷道圍巖越破碎，裂隙越多，波速越低。彈塑性變形區的圍巖無破壞，在受到松動圈內的轉移應力作用下使其壓力變大，巖石密度增加，波速相應較高。遠離開挖空間的巖塊只承受原巖應力，波速介于松動圈與彈塑性變形區之間，所以由圍巖松動圈內的波速到彈塑性區的波速會有明顯的增加，彈塑性區的波速也有一段穩定的長度。由圖4可以看出，波速在鉆孔內波動較大，因其孔內持續注水對測試結果有一定的影響；綜合判斷該松動圈大于2.2 m。

3）由于松動圈測試儀的測桿長度有限，回風大巷未能測出松動圈的邊界。

3 回風大巷支護方式優化

3.1 圍巖松動圈大小與分類

根據表1可知，基于測得的圍巖松動圈大小初步判定該礦大巷圍巖屬于大松動圈中的Ⅴ類或Ⅵ類。

表1 圍巖松動圈分類表

3.2 錨網噴支護與注漿支護

該礦15號煤回風大巷原為矩形斷面，在受到靜壓和回采動壓影響后其頂板變形嚴重，其維護困難。鑒于拱形斷面較矩形斷面有較好的抗壓性，采用直墻半圓拱斷面，沿煤層頂板掘進，挑去頂板的K2灰巖，拱部置于K2灰巖中，墻體位于煤層中。

結合圍巖松動圈大小與分類分析，為了提高巷道的整體穩定性，減少大巷維護量，15號煤回風大巷支護采用組合拱、二次支護理論。對于大松動圈的巷道而言，為了能夠保持和利用破碎圍巖的自身承載能力，對破碎的巖體進行支護和加固是十分重要的，能夠阻止部分滑移和進一步的破碎，有效控制巷道變形，提高殘余強度。因此，錨網噴與注漿聯合支護是治理巷道大松動圈的最佳手段。

適當間距的錨桿群可以形成組合拱。噴漿可以填實巷道表面的坑洼、裂隙，阻止了巷道的風、水對圍巖的破壞。金屬網與噴層一起形成了一道具有柔性的支護圈，可吸收一定的變形。錨網噴能讓能抗，剛柔相濟。

圖5 錨網噴支護示意圖（mm）

3.2.1 錨網噴支護

組合拱理論認為組合拱的厚度為：

式中：b為組合拱厚度；l為錨桿有效長度；a為錨桿間排距。

目前回風大巷在其下部靠近底板的位置施工了1排錨桿，長度為2.4 m，施工時外露0.1 m。利用錨桿具有很好的抗滑移作用，需要在巷道幫部施工錨桿，間排距為0.8 m，由錨桿作用形成的組合拱的厚度為1.5 m。

采用2 100 mm×1 100 mm鋼筋網片，Ф6 mm圓鋼焊制，網格50 mm×50 mm。采用C25混泥土進行噴漿，其厚度不低于100 mm。

3.2.2 巷道注漿

注漿是由注漿材料配制而成的漿液經壓力泵充填至圍巖裂隙中，其主要作用：

1）圍巖注漿可改善錨桿受力狀態，使錨桿工作特性適應圍巖變化規律，能及時向圍巖提供支護阻力。

2）提高圍巖的內聚力，增加了內摩擦角，圍巖整體強度有所提高。

3）漿液充實裂隙后改善了圍巖的受力狀態，使充實前的兩向受力變為三向受力狀態。

4）充填的漿液將圍巖與風和水隔離，阻止風、水對圍巖力學性質的降低。

注漿后的加固效果取決于注漿材料自身強度與注漿參數兩個因素。用于巷道加固常用的注漿材料為水泥與一些化學漿液；水泥價格相對適中，來源廣、配制簡單而被大量采用；本大巷加固采用P425的普通硅酸鹽水泥，將其配制成單液漿。

注漿參數是有注漿管間排距、注漿壓力、水灰比等，對注漿效果的好壞起著重要作用。不同的圍巖結構、裂隙發育程度等因素決定了不同的注漿參數?，F場采用先打淺孔、注淺孔，再打深孔、注深孔的順序進行注漿試驗。主要參數如下：淺孔水灰比1.0∶0.7深孔水灰比1.0∶0.8注漿孔間排距：1.8 m×2.4 m；注漿壓力：淺孔1～2 MPa，深孔3～4 MPa；注漿孔深度：設計淺孔1.6 m，深孔3.5 m。

圖6 注漿管布置示意圖（mm）

5 結論

1）采用CT-2型超聲波圍巖裂隙探測儀測得15號煤回風大巷的圍巖松動圈大于2.2 m。

2）在對回風大巷進行注漿加固時，加固體的厚度需大于2.2 m，在現場試驗時，注漿加固的深度約為5 m。

3）根據測得的圍巖松動圈大小應采用以組合拱為基礎的復合支護，該回風大巷需要在巷幫施工錨桿，間排距取0.8 m，可形成1.5 m的組合拱，該組合拱的厚度較大，能抵抗巷道的部分變形。