不穩定圍巖掘進巷道支護優化

牛劍韜

（高平市煤炭安全生產中心，山西 高平 048000）

1 概述

晉能控股煤業集團四明山煤礦9104 運輸順槽位于一采區南翼，巷道沿9#煤層頂板掘進，9104運輸順槽掘進斷面規格為寬×高=4.5 m×3.7 m。9#煤層傾角為2°～10°，視（相對）密度為1.49 t/m3，真（相對）密度為1.63 t/m3。9#煤層厚度1.51～1.93 m，平均厚度1.60 m，無夾矸，結構簡單，普氏硬度系數：煤f=1～2。煤層頂底板巖性見表1。

表1 9104 運輸順槽掘進的9#煤層頂底板巖性表

2 巷道原支護設計及存在問題

2.1 原頂板支護設計

9104 運輸順槽原支護采用錨桿+鋼筋網（塑料網、菱形網）+錨索聯合支護。

（1）錨桿形式和規格。錨桿由MSGLW-400鋼材制成，桿體直徑為20 mm，長度為2.4 m，桿尾螺紋長度為100 mm，直徑為22 mm，錨桿排距1.2 m，每排6 根錨桿，錨桿間距0.95 m。錨桿采用樹脂加長錨固，采用兩支樹脂錨固劑，一支規格為MSK2335，另一支規格為MSZ2360，預緊力矩不低于300 N·m。

（2）錨索支護。頂板錨索采用9 股預應力鋼絞線，錨索排距3.6 m，每排打設2 根錨索，間距1.6 m，距頂角1.8 m（2-0-0-2 布置）；錨索直徑17.8 mm，長度6.3 m。錨索托盤采用300 mm×300 mm×16 mm 的高強度拱形托盤，配套使用調心球墊，要求托盤承載力大于353 kN。

（3）護表構件。頂板采用Φ6 mm 鋼筋焊接鋼筋網進行護表，網格尺寸為100 mm×100 mm，鋼筋網長度為2.6 m，寬度為1.3 m。鋪網時相鄰兩片鋼筋網采用疊加連接方式，疊加寬度為0.2 m，采用14#鉛絲五花連接。

2.2 巷道掘進現狀

9104 運輸順槽采用機械化掘進工藝，巷道已掘進至620 m 處。由于掘進巷道上部為3#煤層采空區，層間距為27 m，巷道掘進前已對上覆采空區進行探放水，基本消除上覆采空區積水影響。巷道掘進至603 m 處時巷道頂板出現局部淋水現象，預計是3#煤層與9#煤層之間巖體裂隙殘留積水，頂板淋水量為0.83 m3/h，對巷道掘進影響不大。但巷道進入頂板淋水區后，由于直接頂為砂質泥巖，巖體在淋水浸泡作用下出現“軟化”現象，巖體由原來的層狀結構變為泥狀結構，巖體單軸抗壓強度不足25 MPa，導致原頂板支護時支護失效率高達11%，伴隨著頂板下沉、破碎現象。

3 頂板淋水區支護優化

為了進一步提高淋水區頂板圍巖穩定性，提高支護質量，保證巷道安全快速掘進，決定對淋水區頂板支護進行優化，在原頂板支護的基礎上，增加了“注漿+錨索架棚”聯合支護技術[1-5]。

3.1 注漿加固

頂板采用淺深孔注漿加固工藝，深孔注漿使巷道圍巖形成注漿帷幕圈，控制裂隙水滲入頂板巖體內，淺孔注漿主要對頂板支護區圍巖進行加固重組。

（1）深孔布置參數：① 頂板共計布置5 個深孔（鉆孔編號為1#～5#），鉆孔開口位置位于巷道設計頂板位置，布置間距為1.1 m，所有鉆孔布置仰角為60°，鉆孔深度為8.0 m，直徑為40 mm。其中1#鉆孔與巷幫偏角為60°，2#鉆孔與巷幫偏角為30°，3#鉆孔與巷幫偏角為0°，4#、5#鉆孔與1#、2#鉆孔對稱布置。② 帷幕注漿孔施工完后，對鉆孔內安裝注漿花管，注漿花管長度為1.5 m，直徑為38 mm，花管兩側均勻布置注漿射孔，每個鉆孔內安裝一個帷幕注漿花管。

（2）淺孔布置參數：① 頂板支護區共計布置3 個注漿淺孔（鉆孔編號為a、b、c），鉆孔開口位置位于頂板往下1.0 m處迎頭煤壁上，鉆孔間距為1.5 m，鉆孔直徑為40 mm，深度為4.0 m。② 其中a、c 鉆孔為兩幫鉆孔，鉆孔與兩幫夾角為45°，b 鉆孔與兩幫夾角為0°。

（3）注漿工藝：① 頂板淺深孔施工完后進行注漿施工，注漿時先進行深孔注漿后進行淺孔注漿，注漿前對鉆孔內安裝注漿軟管并對鉆孔進行封孔，深孔封孔長度為6.0 m，淺孔封孔長度為1.0 m。②鉆孔封孔后將注漿軟管與專用注漿泵進行對接，最后進行注漿施工，注漿液采用聚氨酯化學材料。

3.2 錨索架棚支護

為了進一步提高淋水區頂板穩定性，降低頂板下沉現象，決定對不穩定圍巖區架設錨索棚。

（1）9104 運輸順槽架設的錨索棚主要由棚腿、JW型頂梁、底座、固定錨索等部分組成，如圖1所示。棚腿長度為3.7 m，由槽鋼焊制而成，棚腿頂部焊接一個凹槽，主要用于安裝頂梁。

圖1 9104 運輸順槽錨索棚支護斷面示意圖（mm）

（2）JW 型頂梁長度為4.2 m，寬度為0.35 m，厚度為8 mm，抗載荷強度為650 MPa，鋼梁上均勻布置5 個錨索支護孔，孔間距為1.0 m，安裝時頂梁及棚腿凹槽采用卡纜進行固定。固定錨索長度為7.0 m，直徑為21.8 mm。

（3）錨索棚支護順序為：施工錨索鉆孔→安裝JW 型頂梁→安裝棚腿。錨索棚安裝后必須保證頂梁與頂板接觸嚴實，同時保證棚腿與頂梁之間具有被動支護效果，鋼棚架設間距為2.0 m。

（4）為了有效監控架棚區圍巖變形情況，每隔3 架錨索棚安裝一套圍巖監測裝置。圍巖監測裝置主要由頂板下沉監測儀和巷幫位移監測儀兩部分組成，圍巖監測裝置安裝JW 型頂梁下方，當圍巖變形時可通過裝置實時監測變形量。

4 結論

（1）淋水區圍巖采用深孔注漿加固后，圍巖外部形成扇形注漿帷幕圈，對內部圍巖起到封堵作用，有效阻止了裂隙水侵入。現場觀察表明：深孔注漿加固后，巷道在后期掘進過程中頂板淋水量降低至0.17 m3/h；同時，對圍巖采取淺孔注漿后，支護區圍巖得到有效加固，實測注漿后頂巖單軸抗壓強度提高至45.5 MPa，頂板支護失效率降低至3%以下。

（2）通過對不穩定圍巖架設錨索棚，提高了頂板抗壓能力，在圍巖變形前錨索棚為主動支護，當圍巖出現變形時錨索棚在主動支護的同時實現被動支護，提高了錨索棚支護效果，對圍巖變形、下沉起到有效的控制作用；通過安裝在錨索棚下方的監測裝置進行圍巖變形監測發現，巷道在后期掘進過程中頂板下沉量控制在0.16 m 以下，兩幫收斂量控制在0.23 m 以下。