軟巖頂板巷道掘進(jìn)圍巖協(xié)同控制技術(shù)研究

王之偉

（汾西礦業(yè)高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

當(dāng)?shù)V井掘進(jìn)巷道頂板軟巖時(shí)，由于巖體內(nèi)本身承載能力及穩(wěn)定性較差，從而導(dǎo)致巷道支護(hù)使用的錨桿、錨索等支護(hù)效果弱化；若采用以鋼架棚為主的被動支護(hù)方式，支護(hù)體系與圍巖未能形成有效承載單元，則容易導(dǎo)致巷道在掘進(jìn)或者采面回采時(shí)出現(xiàn)垮落問題[1-3]。如何提高軟巖頂板巷道圍巖支護(hù)效果，成為此類地質(zhì)條件巷道掘進(jìn)時(shí)需要重點(diǎn)解決的問題。為此，部分研究學(xué)者對此類地質(zhì)條件巷道圍巖控制技術(shù)展開研究，其中李本奎等提出綜合使用錨網(wǎng)索、鋼架棚及高強(qiáng)混凝土，對泥巖入侵頂板巷道進(jìn)行控制，確保了巷道后續(xù)使用安全；李延春等對泥質(zhì)膠結(jié)軟巖巷道變形量大、圍巖承載能力不強(qiáng)等問題，從改善巷道圍巖受力狀態(tài)及提高圍巖支護(hù)體系穩(wěn)定性出發(fā)，針對性提出支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了泥質(zhì)膠結(jié)軟巖巷道圍巖穩(wěn)定[4-6]。由于各區(qū)域煤層賦存條件存在顯著差異，應(yīng)針對礦井現(xiàn)場實(shí)際條件設(shè)計(jì)軟巖巷道頂板圍巖支護(hù)技術(shù)，方可為巷道后續(xù)使用創(chuàng)造良好條件[7]。本文以山西某礦15106 運(yùn)輸巷掘進(jìn)為工程研究對象，對泥質(zhì)膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)面臨問題進(jìn)行分析，并提出采用協(xié)同控制技術(shù)對圍巖進(jìn)行控制，現(xiàn)場取得較好應(yīng)用成果。

1 15106 運(yùn)輸巷概況

1.1 地質(zhì)概況

15106 運(yùn)輸巷沿著15 號煤層頂板掘進(jìn)，巷道為矩形斷面（凈面積16.8 m2、凈高4.0 m、凈寬4.2 m），設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度1 590 m。15 號煤層為礦井現(xiàn)階段主采煤層，煤厚均值4.08 m，受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響煤層部分區(qū)域頂板為泥質(zhì)石灰?guī)r（夾雜黃泥）、泥巖及石灰?guī)r，底板以石灰?guī)r為主，具體15 號煤層頂?shù)装鍘r性如圖1 所示。根據(jù)鄰近采面采掘揭露資料顯示，在15106 運(yùn)輸巷掘進(jìn)范圍內(nèi)巷道頂板為泥質(zhì)石灰?guī)r，同時(shí)頂板破碎、裂隙擴(kuò)展，巷道兩幫煤體強(qiáng)度降低。巷道在此條件下掘進(jìn)時(shí)圍巖變形顯著，支護(hù)采用的錨桿索出現(xiàn)失效。

圖1 15 號煤層頂?shù)装鍘r性

1.2 巖性概況

對15106 運(yùn)輸巷頂板軟巖段進(jìn)行鉆孔窺視，發(fā)現(xiàn)巷道頂板巖層不同程度出現(xiàn)黃泥夾層情況，頂板上方2.2～2.8 m 段較為破碎，3.1～3.7 m 位置縱向裂隙擴(kuò)展，3.9～4.5 m 位置破碎。取樣對頂板軟巖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)軟巖頂板、煤體夾雜的黃泥中黏土成分占比分別達(dá)到64.5%、57.6%，黏土遇水容易崩解、膨脹變形，會進(jìn)一步降低軟巖頂板及煤體承載能力，具體圍巖礦物質(zhì)成分見表1。

表1 圍巖礦物質(zhì)成分含量 %

2 巷道軟巖頂板段圍巖協(xié)同控制技術(shù)

對15106 運(yùn)輸巷掘進(jìn)至軟巖頂板段圍巖變形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)頂板巖體被黃泥充填、裂隙發(fā)育、圍巖承載能力差及現(xiàn)有支護(hù)體系不合理等是導(dǎo)致巷道圍巖變形量過大的主要原因。為此，本文結(jié)合以往研究成果及類似情況下其他礦井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案，提出采用圍巖協(xié)同控制技術(shù)，具體是結(jié)合錨網(wǎng)索、鋼架、噴漿方式對圍巖進(jìn)行控制。

2.1 協(xié)同控制技術(shù)參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)15106 運(yùn)輸巷圍巖高效控制，本文將錨網(wǎng)索、鋼架、噴漿等支護(hù)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)圍巖協(xié)同控制，并將巷道斷面由矩形改為半圓拱形。在支護(hù)時(shí)，在錨網(wǎng)索主動支護(hù)體系基礎(chǔ)上，采用可伸縮鋼架（U 型鋼）、表層噴漿，充分發(fā)揮主動支護(hù)、被動支護(hù)效果，并對表層圍巖裂隙進(jìn)行封堵，降低空氣、水等對軟巖弱化影響。圍巖支護(hù)斷面圖，如圖2 所示。

圖2 圍巖支護(hù)斷面圖（單位：mm）

2.1.1 錨網(wǎng)索支護(hù)

在巷道掘進(jìn)完成后為降低圍巖變形量并確保巖體穩(wěn)定性，應(yīng)及時(shí)采用高強(qiáng)度錨桿、錨索對圍巖進(jìn)行控制。通過錨網(wǎng)索及時(shí)支護(hù)，可改善圍巖受力并避免局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，利于圍巖形成結(jié)構(gòu)相對完整的承載單元。同時(shí)給支護(hù)使用的錨桿、錨索提供較大的預(yù)緊力，可避免頂板軟巖離層量增大。

頂板支護(hù)采用的錨桿為高強(qiáng)螺紋鋼錨桿（Φ20 mm、長2 400 mm），錨桿間排距均為1 200 mm，預(yù)先施加300～500 N·m 預(yù)緊力矩，用樹脂錨固劑錨固端頭（錨固長度控制在600 mm）；支護(hù)用錨索為鋼絞線（Φ17.8 mm、長 5 300 mm），按照間距 2 000 mm、排距2 400 mm 布置，錨索錨固端有效錨固長度增加至1 200 mm。

巷幫支護(hù)采用螺紋鋼錨桿Φ20 mm×2 200 mm、鋼絞線錨索Φ17.8 mm×4 300 mm 支護(hù)，分別按照間排距 1 200 mm、1 000 mm，1 200 mm、2 200 mm布置。

2.1.2 鋼架棚支護(hù)

采用可伸縮鋼架確保巷道斷面，采用的U 型鋼架具有較強(qiáng)的支護(hù)強(qiáng)度，可有效彌補(bǔ)錨網(wǎng)索主動支護(hù)剛度不足問題。采用的鋼架棚材質(zhì)為29U 型鋼，鋼架棚間距設(shè)計(jì)為1 000 mm，中間采用長為1 000 mm 的拉桿連接。

2.1.3 表層噴漿

對圍巖進(jìn)行表層噴漿后，可有效封閉巷道表面，降低空氣、水等給頂板泥巖弱化影響。噴漿選擇采用C25 混凝土，厚度控制在100 mm。

2.2 圍巖控制效果分析

在15106 運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間對間隔100 m 位置分別布置2 個(gè)測站，對采用的協(xié)同控制技術(shù)方案現(xiàn)場應(yīng)用效果進(jìn)行分析。具體2 個(gè)測站獲取到的巷道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中看出，隨著巷道圍巖支護(hù)時(shí)間增加，巷道圍巖變形量呈先逐漸增高后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢。測站在距離掘進(jìn)迎頭45 m 后，巷道圍巖變形速度增加量明顯降低；巷道圍巖變形以兩幫變形為主，頂?shù)装迨諗苛肯鄬^小。從監(jiān)測結(jié)果看出，巷道支護(hù)完成后兩幫最大變形量為73 mm（1 號測站兩幫移近量），頂?shù)装迨諗苛繛?7 mm（2 號測站頂?shù)装逡平浚瑖鷰r變形量整體較小，可滿足巷道后續(xù)使用需要。

圖3 圍巖變形監(jiān)測曲線

3 結(jié)語

15106 運(yùn)輸巷在軟巖頂板段掘進(jìn)時(shí)，受到頂板泥巖充填及裂隙發(fā)育等影響，巷道圍巖變形量較大，給巷道后續(xù)使用帶來較大制約。為維持巷道圍巖穩(wěn)定，提出將運(yùn)輸巷斷面由矩形改為半圓拱形，并通過錨網(wǎng)索、鋼架棚、噴漿等相互作用提高圍巖控制效果。

根據(jù)15106 運(yùn)輸巷現(xiàn)場實(shí)際條件，對協(xié)同控制技術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工程應(yīng)用。結(jié)果表明，所提支護(hù)方案可實(shí)現(xiàn)軟巖頂板巷道圍巖有效控制，圍巖變形量較原有支護(hù)方案降低90%以上，最終巷道兩幫、頂?shù)装遄冃瘟糠謩e穩(wěn)定在93 mm、37 mm。現(xiàn)場支護(hù)采用的協(xié)同控制技術(shù)方案充分發(fā)揮主動支護(hù)、被動支護(hù)優(yōu)勢，并可降低空氣、水等對頂板泥巖的影響，提高圍巖自身穩(wěn)定性。