掘進巷道過陷落柱破碎圍巖控制技術研究

武雙忠

（山西汾西礦業集團柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

巷道掘進過地質構造期間如何確保圍巖穩定是巷道掘進時需重點解決的問題[1-2]。當巷道掘進過陷落柱時，由于陷落柱內巖體往往呈現裂隙發育、易風化、穩定性差等特點，從而導致巷道掘進過程中容易出冒頂、頂板垮落等問題[3-4]。為此，眾多的研究學者對掘進巷道過陷落柱破碎圍巖控制技術展開研究，并提出注漿加固、架棚、噴漿、單點錨索等各種圍巖支護方式，現場應用取得一定的成果[5～7]。文中就以山西某礦5301 運輸巷掘進過TX1 陷落柱為工程背景，提出綜合使用超前注漿+錨網索+架棚支護技術對陷落柱內破碎巖體進行控制，現場取得較好圍巖控制效果。

1 工程概況

山西某礦5301 工作面設計開采3#煤層，煤層埋深為390 m，厚度5.8 m、傾角2°。3 號煤層頂底板以粉砂巖、砂質泥巖等為主。5301 運輸巷用以采面通風、煤炭運輸工作，巷道凈寬×凈高=5.0 m×3.3 m。5301 運輸巷掘會揭露TX1、X181 陷落柱，其中TX1陷落柱（長軸42.8 m、短軸30.2 m），巷道掘進長度42.8 m；X181 陷落柱（長軸93.4 m、短軸92.4 m），預計影響巷道掘進距離為20 m，具體掘進巷道與陷落柱間位置關系見圖1 所示。

圖1 掘進巷道與陷落柱間位置關系圖（m）

探測到TX1、X181 陷落柱均不含水且均不具備導水性，陷落柱內為泥質膠結砂巖、破碎，巷道掘進至陷落柱位置時容易出現頂板冒落風險，從而給巷道圍巖控制以及掘進安全等帶來威脅。為此，在5301 運輸巷掘進過陷落柱時提出綜合使用超前注漿+架棚+錨網帶支護技術對陷落柱內破碎圍巖進行控制。

2 巷道掘進過陷落柱破碎圍巖控制技術

2.1 破碎圍巖超前注漿加固

2.1.1 注漿加固鉆孔布置

具體在5301 運輸巷布置的超前加固鉆孔參數見下頁表1 所示，鉆孔布置見下頁圖2。注漿加固鉆孔需要控制巷道頂板、巷幫等位置破碎巖體。在運輸巷掘進迎頭位置布置1 號—5 號注漿加固鉆孔，通過注漿將掘進迎頭前方頂板破碎巖體進行加固，在掘進工作面前方破碎巖體穩定性；在運輸巷內布置的6 號、8號鉆孔分別對巷幫破碎圍巖進行加固，通過注漿提高巷幫巖層穩定性以及抗變形能力；7 號鉆孔對掘進前方破碎巖體進行加固，避免巷道掘進過程中迎頭破碎巖體出現掉落問題；9 號—11 號鉆孔對巷道底板巖層進行加固，不僅可以給巷道掘進創造較好底板條件而且可避免底板巖體在圍巖應力作用下出現較大底鼓問題。在掘進迎頭布置2 個檢查鉆孔，對注漿加固效果進行考察。

圖2 鉆孔布置圖（mm）

表1 鉆孔施工參數

2.1.2 注漿加固工藝

由于5301 運輸巷掘進前方TX1、X181 陷落柱對巷道掘進影響較大，通過一次超前注漿難以有效對陷落柱內破碎巖體進行加固，同時也存在注漿時間長、施工難度高以及注漿加固效果難以保證等問題。為此巷道超前注漿采用分段式注漿方式，即鉆孔施工、注漿等分段交替進行。依據掘進巷道以及陷落柱分布情況確定單次注漿長度為20 m、預留2 m 作為安全維護距離，因此單次注漿有效長度確定為18 m。鉆孔注漿選擇使用化學漿液，漿液由A、B 兩種組分構成，漿液水灰質量比按照0.8∶1.0 確定。為實現注漿漿液在孔隙內有效擴散，選擇使用高壓注漿方式，注漿壓力設定為10～15 MPa。

2.2 錨網索支護

在巷道掘進至陷落柱破碎帶后采用錨網索支護方式對圍巖進行永久支護。巷道頂板布置6 根高強錨桿（Ф22 mm×2 800 mm），按照900 mm 間距、1 000 mm排距布置，錨桿使用樹脂錨固劑進行長錨固，錨固長度為900 mm，并使用鋼筋托梁連接臨近錨桿；頂板布置2 根錨索（Ф22 mm×6 300 mm），按照2 000 mm 間距、1 000 mm 排距布置。

巷幫錨桿與頂板一致，每側布置3 根，間排距均設計為1 100 mm×1 000 mm。巷道頂板、巷幫均使用鍍鋅鐵絲編制而成的鋼筋網進行護表。具體錨網索支護設計見圖3 所示。

圖3 錨網索支護設計圖（mm）

2.3 架棚支護

架棚棚梁使用12 號工字鋼梁，長度4 300 mm；棚腿使用U25 鋼，上棚腿、下棚腿長度分別為1 800 mm、2 000 mm，棚腿外扎角控制在35°～45°，柱窩深度控制在200 mm，棚腿與巷幫間距控制在450 mm 以內。架棚間間距為1 200 mm，并使用長度1 400 mm 背板將架棚與頂板、巷幫背實。

3 破碎圍巖控制效果分析

5301 運輸巷掘進通過TX1、X181 陷落柱后，對陷落柱影響范圍內圍巖變形進行檢查。具體監測結果見圖4 所示。

圖4 圍巖變形監測結果

從圍巖變形監測結果看出，對陷落柱破碎巖體進行超前注漿、錨網索以及架棚支護后，巷道圍巖在支護完成后的20 d 基本區域穩定，其中頂底板、巷幫變形量峰值分別控制在156 mm、142 mm。運輸巷圍巖變形量在安全范圍內，不會給巷道正常使用威脅。

4 結論

1）巷道掘進遇陷落柱時面臨現冒頂、圍巖變形量大等問題，給巷道掘進以及圍巖控制帶來較大安全威脅。針對5301 運輸巷掘進通過TX1、X181 陷落柱期間巖體破碎問題，提出使用超前注漿、錨網索、架棚等方式對圍巖變形進行控制。

2）在陷落柱破碎巖體中進行超前注漿，可提高破碎巖體穩定性以及強度；使用錨網索支護充分發揮巖體自身承載能力，避免出現較大變形；采用架棚支護給巷幫、頂板一定作用力，減少圍巖變形量。依據現場實際情況，對掘進過陷落柱時圍巖支護參數進行設計。現場應用后，巷道頂板、巷幫變形量分別控制在156 mm、142 mm以內，可滿足巷道掘進以及后續使用需要。