掘進巷道圍巖變形分析及支護技術研究

史增利

(山西汾西礦業(yè)正城煤業(yè)有限責任公司，山西 孝義 032300)

隨著采掘深度的增加，煤層賦存條件更趨復雜，制約了巷道掘進效率[1-2]。特別是巷道圍巖為弱膠結(jié)軟巖時，由于巖體強度低、黏土含量高、裂隙發(fā)育，遇水容易變形，巷道在掘進以及后續(xù)使用過程中容易出現(xiàn)冒頂、離層、片幫事故[3-5]。為此，眾多的學者對此類地質(zhì)條件下巷道圍巖支護技術展開了研究，并提出采用圍巖注漿、架棚支護、桁架錨索、圍巖噴漿等各種圍巖控制技術，現(xiàn)場應用均取得了較好效果[6-7]。但是不同礦區(qū)煤層賦存條件、掘進巷道圍巖特征有明顯差異，應依據(jù)現(xiàn)場實際情況制定針對性圍巖控制方案。本文就以山西某礦11301運輸巷掘進為背景，對巷道圍巖變形特征進行分析，并提出支護技術方案，實現(xiàn)了巷道圍巖有效控制。

1 工程概況

山西某礦設計產(chǎn)能為350萬t/a，采用斜井、平硐開拓，其中11301綜放工作面設計面長200 m、推進長度2 655 m，開采的11號煤層賦存穩(wěn)定，厚度5.4 m。11號煤層頂?shù)装逡灾写稚皫r、粉砂巖以及砂質(zhì)泥巖等為主。經(jīng)過巖石力學試驗測試發(fā)現(xiàn)粉砂巖抗壓強度為29.9 MPa；砂質(zhì)泥巖抗壓強度為24.1 MPa，砂質(zhì)泥巖中含有較多的黏土，吸水后急劇軟化，抗壓強度降至7.6 MPa。

11301運輸巷為矩形斷面(凈高3.6 m、凈寬5.6 m)，采用EBZ160綜掘機掘進，設計掘進長度2 705 m。原采用錨網(wǎng)索噴方式支護，支護斷面見圖1。巷道頂板一排布置7根錨桿(規(guī)格D22 mm×2 500 mm)，布置間排距為850 mm×900 mm，錨桿間用長5 400 mm的鋼帶連接；鋪設金屬網(wǎng)強化支護。采用的錨索(規(guī)格D17.8 mm×6 300 mm)按照3-2-3方式布置；巷幫一排布置5根錨桿(規(guī)格D18 mm×2 000 mm)，間排距均為900 mm；巷道底板噴射厚度200 mm、強度C30混凝土。在11301運輸巷掘進至1 205～1 302 m范圍內(nèi)時，頂板在區(qū)域構造作用下更為破碎，頂板變形嚴重，部分位置甚至有冒頂征兆。為確保巷道使用安全，需要對巷道圍巖變形特征進行分析，并針對性地優(yōu)化圍巖支護方案。

圖1 巷道原支護斷面圖(mm)

2 巷道圍巖特征及變形分析

2.1 現(xiàn)場調(diào)研

內(nèi)布置鉆孔對頂板巖層窺視，窺視儀為TS-C0601。具體部分窺視圖形見圖2，通過鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)頂板上2.6 m位置泥巖層出現(xiàn)一定程度離層；在距離窺視鉆孔5.3～6.4 m范圍內(nèi)主要為砂質(zhì)泥巖(夾雜有粗砂巖)；在窺視鉆孔孔壁處有一定范圍的環(huán)形黑色區(qū)域，離層情況較為明顯；在距離孔口約10 m位置時出現(xiàn)淋水情況。頂板離層位置、離層量等與裂隙、層理等發(fā)育密切相關。在巷道掘進完成后，在距離頂板2.8 m、6.5 m位置分別布置基點，對頂板巖層離層情況進行監(jiān)測，具體結(jié)果見圖3。從頂板離層監(jiān)測結(jié)果看出，在監(jiān)測初期(40 d以內(nèi))頂板離層量增加明顯，后逐漸趨于穩(wěn)定；在監(jiān)測90 d時，淺部、深部離層量分別為24 mm、35 mm。

圖2 鉆孔窺視圖

圖3 原支護方案頂板離層監(jiān)測結(jié)果

2.2 頂板巖性分析

11301運輸巷取樣對頂板巖性成分進行分析，具體頂板直接頂砂質(zhì)泥巖中黏土成分占比見圖4。

圖4 直接頂黏土成本占比

從試驗結(jié)果看出，頂板巖層中石英、高嶺石占比較高，平均分別為30.75%、41.25%；黏土礦物中占比最高的為高嶺石、伊利石并含有少量的綠泥石，高嶺石、伊利石分別占到整個黏土礦物含量的69.4%、21.41%.頂板巖層整體結(jié)構偏弱、承載強度較低，同時礦物成分中黏土礦物、高嶺石占比較高，遇水后容易崩解。

2.3 巷道頂板變形量分析

通過現(xiàn)場調(diào)查以及頂板礦物成分分析，總結(jié)出11301運輸巷在1 205～1 302 m范圍內(nèi)下沉量及離層量大的原因為:頂板承載能力不足、水作用、巷道跨度大以及斷面為矩形。

1) 巷道直接頂為砂質(zhì)泥巖，泥巖中含有的黏土礦物遇水容易弱化，導致強度明顯降低；基本頂為砂巖且有一定裂隙水。在巷道掘進作用下，頂板水會沿著裂隙淋出，導致直接頂砂質(zhì)泥巖泥化，嚴重時導致原有的錨網(wǎng)索支護體系局部失效，圍巖支護強度顯著降低。

2) 11301運輸巷跨度達到5.6 m，頂板懸露面積大。巷道頂板受力時，頂板下部會作用較大拉應力，加之頂板結(jié)構復雜，容易出現(xiàn)頂板離層；巷道支護采用的錨索長度為6 300 mm，錨索錨固端位于頂板砂質(zhì)泥巖中，承載能力相對較小。

3) 巷道斷面為矩形，在巷道肩角位置處容易出現(xiàn)應力集中。巷幫位置裂隙發(fā)育，在應力作用下出現(xiàn)片幫后會進一步增大巷道跨度，影響頂板穩(wěn)定。

3 圍巖支護技術

3.1 圍巖支護策略

通過現(xiàn)場調(diào)研并結(jié)合以往研究成果，提出的圍巖支護策略為：

1) 對巷道掘進斷面進行優(yōu)化，避免幫肩出現(xiàn)應力集中?？紤]到巷道行人、運輸以及通風等需要，將巷道斷面由以往的矩形優(yōu)化為直墻切拱形，從而降低幫肩位置應力集中程度，降低巷道圍巖變形量及后續(xù)控制難度。

2) 采用桁架錨索對頂板進行補強支護，通過桁架錨索可增加錨固區(qū)范圍并充分利用深部圍巖自身承載能力及穩(wěn)定性。

3) 適當增大錨桿、錨索上的預緊力，降低甚至消除頂板中部拉應力區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場圍巖支護需要，必要時可增加巷幫錨桿長度、支護密度，通過強化巷幫支護達到降低頂板下沉的目的。

4) 巷道開挖完成后及時噴漿降低淋水或者空氣等對圍巖的影響。同時在掘進前可布置超前鉆孔對頂板裂隙水進行疏排，降低掘進過程中頂板的淋水量。

3.2 圍巖支護參數(shù)

依據(jù)11301運輸巷現(xiàn)場情況，并結(jié)合上述圍巖支護策略，具體設計的圍巖支護斷面見圖5，支護參數(shù)為：

1) 頂板支護。頂板每排布置7根錨桿(規(guī)格22 mm×2 500 mm)，將錨桿錨固長度由0.9 m增至1.3 m；預先施加125 kN預緊力。頂板補強支護采用錨索(規(guī)格D17.8 mm×8 300 mm)，錨固長度1.5 m，施加150 kN預緊力，錨索布置方式為4-0-4，布置間距1 400 mm、排距1 800 mm；靠近兩幫的錨索外插70～75°，并配合工字鋼給頂板施加一定作用力。

2) 巷幫支護。巷幫布置5根錨桿(規(guī)格D18 mm×2 500 mm)，錨固長度1.3 m、施加100 kN預緊力，布置間排距仍為900 mm，支護配合長度3.4 m鋼帶護表；巷道最上部、最下部錨桿分別有20°、15°外插角，中部3根錨桿均垂直巷幫布置。

3) 巷道底板鋪設厚度200 mm、強度C30混凝土，混凝土中參雜一定量的防水劑。

圖5 優(yōu)化后巷道支護斷面圖(mm)

3.3 圍巖支護效果分析

在11301運輸巷支護完成后，布置測站對頂板離層情況進行監(jiān)測，具體結(jié)果見圖6。

圖6 優(yōu)化支護后頂板離層量

11301運輸巷在原支護參數(shù)下，圍巖變形量整體較大且掘進至1 205～1 302 m范圍內(nèi)時，頂板在區(qū)域構造作用下更為破碎，頂板變形嚴重，頂板最大變形量達到450 mm、頂板淺部、深部離層量分別為24 mm、35 mm。對巷道支護參數(shù)進行優(yōu)化后，圍巖變形控制效果較好，具體支護參數(shù)優(yōu)化完成后，圍巖變形具有下述特性：支護完成0～20 d后，巷道圍巖變形處于明顯增加階段；支護完成20～50 d后，支護體系、圍巖結(jié)構等相互耦合，頂板離層量增加速度明顯降低；支護完成50 d后圍巖變形量基本不再增加。巷道頂板離層量以淺部離層為主，離層點主要位于煤層與直接頂板(砂質(zhì)泥巖)交匯處，離層量控制在15 mm以內(nèi)。整體來說，通過對巷道支護參數(shù)進行優(yōu)化，頂板離層量大的問題得以有效解決，可滿足后續(xù)巷道掘進及使用需求。

4 結(jié) 語

1) 對11301運輸巷圍巖變形特征進行分析，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形以頂板下沉為主，頂板巖層離層量大。通過現(xiàn)場調(diào)研及試驗得出，11301運輸巷頂板下沉量較大的主要原因為：11號煤層直接頂(砂質(zhì)泥巖)中含有的黏土礦物，直接頂遇水容易軟化，強度及穩(wěn)定性等明顯降低；原有的支護參數(shù)不合理；巷道斷面為矩形，跨度大、頂板受力明顯，在幫肩位置應力集中。

2) 提出通過強化圍巖支護強度并優(yōu)化巷道斷面對頂板變形進行控制，并制定具體圍巖支護方案?，F(xiàn)場應用后，巷道頂板淺部離層量、深部離層量分別控制在4 mm、15 mm以內(nèi)，頂板變形量控制在35 mm以內(nèi)，圍巖控制效果較好。