強構造應力影響區復合軟巖地層巷道補強支護設計研究

黃 衡

(山西煤炭進出口集團 蒲縣萬家莊煤業有限公司,山西 蒲縣 041204)

巷道作為煤礦井下開采運輸、通風及行人的重要通道，其穩定性在煤礦安全中具有重要的作用[1-3]。如遇到斷層時，巷道圍巖會表現出應力高、圍巖破碎的情況，極易造成巷道失穩，嚴重影響井下工作面的安全開采。所以巷道過斷層構造時采取針對性的支護措施顯得尤為重要[4]。本文針對萬家莊煤業北翼區段回風巷提出了補強支護技術方案與參數。

1 工程概況

1.1 煤層及頂底板地質條件

萬家莊煤業位于山西省臨汾市。北翼區段回風巷為2號煤層一采區，北翼區段回風巷東側為F7正斷層，南側為運輸大巷，西側為北翼區段運輸巷、北側為實體煤。北翼區段回風巷平面位置如圖1所示。

圖1 巷道平面布置示意

北翼區段回風巷為矩形斷面，沿2號煤層頂板掘進。煤層平均厚度1.46 m。煤層頂板10 m范圍內無穩定的關鍵承載層，主要由泥巖、砂質泥巖、細砂巖、泥巖、煤等軟弱薄層構成復合軟巖頂板，煤層柱狀圖如圖2所示。煤層底板3 m范圍內也無穩定的關鍵承載層，主要由泥巖、煤等構成復合軟巖底板。因此，回風巷處于典型的復合軟巖地層中。巷道掘進寬度4.2 m，掘進高度3.1 m，掘進斷面13.02 m2。

圖2 煤層柱狀圖

1.2 地質構造情況

2號煤層賦存穩定，不受沖擊地壓威脅，無煤與瓦斯突出危險性，煤層賦存穩定。但是，北翼區段回風巷近似平行于1條F7/H=25.7 m/∠70°大斷層(正斷層)掘進，保護煤柱45 m左右，如圖3所示。

圖3 北翼區段回風巷受強構造影響情況圖

北翼區段回風巷位于該大斷層的上盤，因此巷道處于強烈的構造應力影響區，最大水平構造應力可以達到垂直應力的1.5～2.0倍，約20～27 MPa。在強構造應力場作用下，巷道掘進過程中的礦壓顯現十分劇烈。

1.3 巷道現有支護情況

1) 頂部支護：采用間排距為800 mm×800 mm的D20 mm×2 200 mm左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，采用間排距1 600 mm×1 600 mm的D21.8 mm×8 000 mm的鋼絞線，鋪設D6 mm的鋼筋網、網格100 mm×100 mm。

2) 幫部支護：采用間排距為800 mm×800 mm的D20 mm×2 200 mm左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，鋪設D6 mm鋼筋網，網格100 mm×100 mm。

頂幫錨網索支護完畢后，最后集中噴漿，噴漿混凝土強度為C20，噴射厚度100 mm，現有支護如圖4所示。

圖4 北翼區段回風巷現有支護斷面圖(mm)

1.4 巷道破壞情況現場調研

回風巷屬于強構造應力影響區復合軟巖地層巷道，最大水平應力為20～27 MPa，圍巖平均強度約30 MPa，圍巖應力強度比為0.67～0.90，屬于不穩定圍巖(根據《水利水電工程地質勘查規范》，當圍巖強度應力比<2時，為V類圍巖，屬于不穩定圍巖)。通過現場調研發現，萬家莊煤業北翼區段回風巷表現為頂板剪切錯動變形、巷幫移近、底板鼓出等強烈礦壓顯現特征(圖5)，錨桿錨索破斷現象多，巷道安全可靠性差。所以提出了北翼區段回風巷的補強支護技術方案。

圖5 北翼區段回風巷變形破壞情況圖

2 回風巷巷道受斷層構造影響機理分析

該正斷層在巷道東側45～150 m，巷道在此斷層的上盤，由于斷層帶附近煤巖體一般較為破碎，再加上巷道掘出后圍巖應力狀態惡化，使圍巖變得更為破碎，圍巖強度也進一步降低，極易發生巷道坍塌垮落破壞。影響構造破碎區內巷道圍巖變形破壞的關鍵因素主要有：

1) 圍巖應力高。由于受斷層構造影響明顯，使得構造破碎區附近往往存在較大的構造應力，巷道開挖后，在構造應力作用下巖塊沿結構面剪切滑移，破碎圍巖容易進一步破壞。

2) 應變軟化特性。巖石超出峰值應力后仍具有一定承載能力，而這一承載能力隨著應變增大而逐漸減小，表現出明顯的應變軟化現象。

3) 體積膨脹特性。控制斷層破碎區巷道圍巖變形即為控制圍巖破碎后的體積膨脹。

4) 節理化圍巖。構造破碎區中巷道圍巖節理裂隙發育，極易在構造應力和開挖擾動作用下發生較大的變形和破壞，從而影響巷道的穩定性[5]。

3 北翼區段回風巷補強支護方案初步設計

3.1 巷道支護原則

回風巷屬于高構造應力復合軟巖地層巷道，在巷道掘進過程中，巷道頂底板和兩幫在強烈構造應力(水平應力)影響下將發生劇烈的剪切滑移變形，進而導致頂板變形、巷幫鼓出以及底鼓，因此必須要通過錨桿(索)主動提供高強度的軸向與橫向抗力，阻止不連續面的滑移與張開，提高圍巖的抗剪強度。

3.2 巷道補強支護形式選擇

根據現場探測結果，考慮到萬家莊煤業北翼區段回風巷屬于強構造應力影響區復合軟巖地層巷道，巷道頂板和兩幫0～3 m范圍內圍巖裂隙十分發育，圍巖剪漲擴容變形十分劇烈，普通錨桿錨索發生“拉-剪”破斷現象十分普遍。針對這一變形破壞特征，必須要通過圍巖注漿改性加固等手段，來提高巷道頂板和兩幫0～3 m范圍內圍巖的抗剪強度，增強圍巖的承載能力。為此，回風巷采用“超高強錨-管-注一體化協同支護+U型鋼棚”聯合補強支護方式，巷道支護方案如圖6所示。

3.3 巷道補強支護參數設計

1) 頂板補強支護參數。為提高巷道頂板復合巖層整體抗剪承載能力，采用超高強錨-管-注一體化協同補強支護形式，具體參數如下：頂板使用規格為D21.8 mm×4 300 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線錨索(1×19股)，極限破斷拉力不低于607 kN，最大力總延伸率不低于7%.采用300 mm×300 mm×14 mm的高強度可調心托板及配套高強度鎖具，托板材質為Q235鋼。錨索配合采用D40 mm×2 500 mm抗彎剪-注漿一體化支護裝置，該支護裝置為特制的組合螺紋鋼管結構，兼有抗彎剪支護和注漿功能。

圖6 回風巷超高強錨-管-注一體化

根據漿液擴散特征，建議頂板補強錨索間距為1 500 mm，排距為1 600 mm；錨索鉆孔采用大小孔嵌套方式，大孔直徑45 mm，長度為3 000 mm；小孔直徑29 mm，長度為1 000 mm。每根補強錨索采用1卷MSK2335和1卷 MSZ2360 樹脂藥卷錨固；錨索預張力250 kN，損失后不低于200 kN。

2) 兩幫和底角補強支護參數。為確保對巷幫和底板的有效控制，兩幫使用規格為D21.8 mm×4 300 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線錨索(1×19股)，配合采用D40 mm×2 500 mm抗彎剪-注漿一體化支護裝置，間距為1 100 mm，排距為1 600 mm。其余參數同頂板。底角使用規格為D21.8 mm×6 300 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線錨索(1×19股)，配合采用D40 mm×4 000 mm抗彎剪-注漿一體化支護裝置，排距為1 600 mm。底角錨索與水平面夾角為45°。其余參數同頂板。

3) U型鋼架支護參數。在上述超高強錨-管-注一體化協同支護補強的基礎上，建議進一步采用平頂U型鋼棚支護來提高巷道的安全性與可靠性。建議棚距為800 mm，支架搭接長度500 mm，搭接處使用2副限位卡纜緊固，限位卡纜螺母扭矩不小于300 N·m。每棚間采用金屬支拉桿連接，每個斷面共3根，中頂(偏上幫100 mm)1根、搭接處下限位卡纜位置各1根。支架應垂直頂底板，支架前傾后仰不大于1°，傾斜巷道每增加5～8°，支架迎山角增加1°，淋肩不大于40 mm，支架梁扭矩不大于50 mm。頂梁采用鐵背板腰背，頂梁以下采用鐵背板，間距為300 mm。鐵背板規格為900 mm×50 mm，腰背要平、直，每塊鐵背板兩頭用14號鐵絲與鐵絲網聯牢，使壁后充填嚴實。

4) 噴漿支護參數。北翼區段回風巷在注漿之前，必須對巷道表面進行噴漿處理。噴射混凝土強度等級C20，噴層厚度建議50～100 mm。

5) 高性能漿液注漿加固參數。通過組合螺紋鋼管的注漿裝置向頂板和兩幫錨索注漿，注漿材料采用425號普通硅酸鹽水泥，配合高性能納米改性添加劑，漿液水灰比為0.5～0.6，添加劑用量為10%～15%.注漿壓力根據以往經驗，注漿壓力為3.0～5.0 MPa，最大注漿壓力為5.0 MPa。一般單孔注漿時間為3～5 min。

4 回風巷補強支護效果分析

采用如上支護方式進行補強支護后，為驗證支護效果，在巷道表面布置測點，對巷道頂底板移近量及兩幫移近量進行分析，觀測周期為60 d。提取數據并處理后得到巷道表面圍巖變形曲線，如圖7所示。

圖7 巷道圍巖位移變形圖

監測結果顯示，巷道頂底板移近量為121 mm，巷道兩幫最大收斂量104 mm，均在可控范圍之內，可以滿足巷道的安全使用要求，巷道變形得到了有效的控制，此支護方式效果良好。

5 結 語

1) 巷道受斷層構造影響，在巷道掘進過程中，巷道頂底板和兩幫在強烈構造應力(水平應力)影響下將發生劇烈的剪切滑移變形，進而導致頂板變形、巷幫鼓出以及底鼓，必須要通過錨桿(索)主動提供高強度的軸向與橫向抗力，阻止不連續面的滑移與張開，提高圍巖的抗剪強度；

2) 通過理論分析，發現需要通過圍巖注漿改性加固等手段，來提高巷道頂板和兩幫0～3 m范圍內圍巖的抗剪強度，增強圍巖的承載能力。因此提出采用“超高強錨-管-注一體化協同支護+U型鋼棚”聯合補強支護方式，并確定了具體的補強支護參數。