頂板及圍巖破碎巷道一體化支護技術研究

安鵬飛

（晉能控股煤業集團安全生產指揮中心，山西 大同 037000）

引言

近年來，煤礦開采深度逐漸增大，巷道圍巖松散破碎導致的開采困難成為了限制煤礦開采質量提升的主要問題之一，世界范圍內相關人員對此進行了細致的研究。文獻[1-3]主要研究深部軟巖巷道損壞原因和控制原理，得出結論錨桿大量布置在破碎程度嚴重的圍巖中是造成巷道承載力失效的關鍵因素，破碎的圍巖使得錨桿難以實現支護功能，無法提供足夠的強度，后承載力下降，對此提出“高強、完整、減壓”的理念。王連國等人對深部極高應力極軟巖層巷道的破壞原因進行了研究，設計出錨注支護體系；張文等人在理論層面對軟弱破碎巷道破壞原因和圍巖支護進行了研究，設計出“錨噴+化學注漿”聯合支護的方式；劉洪濤等人根據彈性理論中布辛涅斯克方程以及莫爾強度理論，設計出一種新型的錨固串結構，實際應用效果較好。頂板破碎圍巖導致巷道整體難以成型，會出現頂板鏤空、離層、下沉、冒頂或者垮塌等現象，降低了巷道掘進的效率，危害施工人員的施工安全。所以，分析頂板破碎巷道圍巖支護技術對巷道掘進工作有著重要影響。本文基于晉能控股煤業集團某礦18311工作面進行研究，針對頂板破碎巷道圍巖支護技術進行改進，設計出一種“錨護噴注”一體的巷道圍巖加固技術并展開分析。

1 18311工作面概況

18311工作面傾斜長度210 m、走向長度1 050 m，工作面開采8號煤層，煤層均厚3.5 m，平均傾角5°，屬于近水平開采。煤層老頂是由5.0 m厚的石灰巖構成，巖層呈深灰色，含有少量黏土質，有節理；直接頂是由2.5 m厚的泥巖構成，巖層呈灰黑色，質較軟；直接底由3.3 m厚的砂質泥巖構成。

泥巖自身質地較軟導致煤層直接頂容易出現脫落垮塌現象，給回采巷道的掘進過程中的互頂工作帶來了較大的困難，極易產生頂板鏤空現象，巷道整體難以成型，頂板離層以及下沉量超過相關指標，特別是工作面運輸巷部分區域回采過程中老頂巖層裂隙逐漸增大，給支護工作帶來了極大的困難；如果選區的支護方式不恰當，很容易產生冒頂事故，因此需要設計一種科學合理的支護方式；在工作面回采巷道中，運輸巷圍巖情況最差，因此選取其作為研究對象。

2 巷道圍巖變形破壞特征

在18311工作面運輸巷頂板各處進行鉆孔，詳細觀測運輸巷頂板巖層的完整度，觀測結果如圖1所示。

圖1 巷道頂板裂隙發育探測結果

根據觀測結果可知：運輸巷頂板直接頂破碎情況嚴重，2.5 m厚的泥巖幾乎都處于破碎狀態，泥巖和粉砂巖交界區域有離層出現，5.0 m厚的粉砂巖近半出現嚴重的裂隙情況，頂板松動圈大約為5.0 m。

現有的運輸巷支護方案相關參數：頂板錨索數量2根，尺寸Φ22 mm×4 300 mm，相鄰錨索間距2 500 mm、排距1 000 mm；頂板錨桿數量6根，尺寸Φ20 mm×2 400 mm，相鄰錨索間距850 mm、排距1 000 mm；兩幫錨索布置一致，均為3根，尺寸Φ20 mm×1 800 mm，相鄰錨索間距1 000 mm、排距1 000 mm?，F有支護方案下，運輸巷直接頂在掘進過程中常常出現垮塌現象，導致巷道整體成型困難，局部區域頂板離層量和下沉量過大，對于巷道的掘進效率和施工人員的安全有顯著影響。

根據實地調查結果可知，運輸巷支護困難、巷道破壞嚴重的主要原因如下：

1）巷道圍巖強度低。相關數據顯示，巷道圍巖由泥巖以及粉砂巖組成，抗壓強度依次是30.6 MPa和39.5MPa，抗壓強度較低給支護工作帶來了較大的難度。

2）頂板破碎巖體范圍大。根據鉆孔觀測結果可知，運輸巷頂板直接頂破碎嚴重，2.5 m厚的泥巖幾乎全部處于破碎狀態，頂板松動圈大約為5.0 m，頂板巖體破碎范圍較大。

3）不合理巷道支護參數。4.3 m錨索過短，導致其難以完全固定在巖層之中，支護效果大打折扣；對于巷道頂板破碎情況嚴重以及成型困難等情況，未進行護頂加強或改善圍巖結構等相關措施。

3 巷道圍巖加固技術

為了優化巷道圍巖結構、提升巷道圍巖的抗壓強度以及承載能力，確保工作面掘進和回采的效率以及施工人員的安全，提出了“錨護噴注”一體的巷道圍巖加固技術，采用超前注漿、巷道噴漿、加長錨索以及滯后注漿聯合使用的方式進行圍巖加固。注漿加固主要針對局部巖體的破碎進行加固，超前以及滯后注漿是通過高壓將漿液送入破碎巖體縫隙中，采取擠壓、充填、膠結和封堵的方式，使得加固后的巖體具有強度高、抗滲透性好和穩定性強等特點。采用注漿加固破碎巖體和“錨噴”支護聯合使用的方式，能夠最大程度發揮錨桿的支護作用，降低冒頂現象的產生，提升支護結構的抗壓能力、整體性以及承載能力。

1）超前注漿。針對直接頂在掘進過程中的垮塌、頂板冒頂以及巷道整體難以成型等問題，采用超前注漿的方式，在掘進迎頭頂板補打傾斜注漿管，保證漿液能夠充分滲透進入破碎巖體內部，提升巖體結構的整體性，補打的傾斜注漿管也能夠在起到挑頂、護頂的作用。注漿管同頂板間的夾角為20°、尺寸Φ15 mm×6 000 mm，每排5根，相鄰注漿管間的間距為1 000 mm、排距為2 000 mm。注漿材料選用A、B雙組份速凝無機材料，注漿壓力為4 MPa，速凝無機材料縮短了注漿成型的時間，提升了巷道的掘進效率。

2）巷道噴漿。注漿要求具有較好的封閉性，巷道直接頂泥巖質地柔軟并且極易脫落，采取表面噴漿的方式，降低滯后注漿跑漿現象的出現，提升注漿的護表能力降低頂部巖層風化。混凝土厚度在50～100 mm之間，強度不得低于C20。

3）加長錨索。針對現有方案使用錨索長度過短，難以完全固定在巖層中，導致支護效果無法充分發揮的情況，調整錨索的長度，使得錨索能夠避開松動圈，固定在硬度較大的巖層中。根據實地測試結果能夠發現，頂板松動圈大約為5.0 m，綜合分析錨索的固定巖層以及外露長度，將現有4.3 m錨索更換為6.3 m錨索。

4）滯后注漿。對于超前注漿過程中出現的漿液擴散不充分，并且在巷道掘進過程中伴隨圍巖裂隙的發育而擴張的現象，使用注漿錨索滯后注漿的方式，優化巷道圍巖的結構。將原有的錨索布置方式更換為一排普通錨索和一排注漿錨索交替布置的方式。注漿材料選取525號硅酸鹽水泥及添加劑，水灰比例2∶1，注漿壓力在3～4 MPa間，注漿工作滯后掘進工作面迎頭10～20 m。

新方案下的支護參數為：頂板錨索數量2根，尺寸Φ22 mm×6 300 mm，相鄰錨索間距2 500 mm、排距1 000 mm；采取一排普通錨索和一排注漿錨索交替布置的方式。頂板錨桿數量6根，尺寸Φ20 mm×2 400 mm，相鄰錨索間距850 mm、排距1 000 mm。

兩幫錨索布置一致，均為3根，尺寸Φ20 mm×2 000 mm，相鄰錨索間距間1 000 mm、排距1 000 mm。將錨桿支護同W型鋼帶、菱形鋼筋網以及配套托盤聯合使用，確保頂板錨桿預緊力超過300 N·m，兩幫錨桿預緊力超過300 N·m，普通錨索張拉力超過200 kN，注漿錨索張拉力超過150 kN。新方案下的巷道支護參數如圖2所示。

圖2 巷道支護參數（單位：mm）

4 應用效果分析

對于巷道掘進過程中的表面位移以及頂板離層進行實時監測，相關監測結果以及圍巖控制效果如下頁圖3、圖4所示。

圖3 巷道檢測結果

根據監測結果不難發現：巷道兩幫移近量148 mm，頂底板移近量89 mm，頂板以及兩幫變形量顯著減??；0～2.4 m淺部巖層離層量下降為3 mm左右，根據結果可知頂板泥巖巖體的破碎現象得到了較好的改善，頂板總離層量為13 mm，離層量顯著減小；根據鉆孔觀測結果不難看出，注漿充分，圍巖整體性增強，膠結性較好，由此可知注漿加固效果明顯，破碎頂板穩定性提升；根據實地觀測結果可知，巷道整體性較好，頂板平整，圍巖得到了較好的控制。

5 結論

1）針對巷道頂板破碎嚴重，巷道整體成型困難以及變形量超標等情況，選取運輸巷作為研究對象。采取鉆孔觀測的方式，觀察頂板巖層的完整度，得出結論基本頂泥巖破碎嚴重，頂板松動圈大約為5.0 m；護頂困難，巷道變形失穩的主要原因是巷道圍巖強度不足、頂板破碎巖體面積大以及巷道支護參數選取不合理。

圖4 圍巖控制效果

2）為了優化巷道圍巖結構，提升圍巖的抗壓強度和承載能力，提升工作面掘進和回采的效率，提出“錨護噴注”一體化的支護技術，采取超前注漿、巷道噴漿、加長錨索以及滯后注漿聯合使用的形式對圍巖進行加固。

3）采取數值模擬的方式進行支護校驗，校驗結果顯示當前的方案下，頂底板相對移近量304 mm，兩幫相對移近量500 mm，頂板和兩幫應力集中現象較為明顯，塑性區范圍較大；采取優化后的支護方案，巷道頂底板相對移近量115 mm，兩幫相對移近量112 mm，應力集中區域、塑性區范圍以及變形量明顯下降，得出結論“錨護噴注”一體化的巷道圍巖加固技術能夠滿足既定目標。

4）根據實時監測結果不難看出：兩幫移近量148 mm，頂底板移近量89 mm，0～2.4 m淺部巖層離層量下降至3 mm，頂板總離層量為13 mm，頂板、兩幫的變形量以及頂板離層量都有明顯的下降，根據鉆孔觀測和實地檢測的結果可知，注漿加固成效明顯，巷道圍巖得到了較好的控制。