金能煤業(yè)穿層巷道圍巖變形及錨注噴聯(lián)合控制技術(shù)

任澤明

（霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)有限公司，山西 忻州 035100）

受地層賦存條件和礦井開拓部署需要，巷道掘進(jìn)時會面臨著穿層現(xiàn)象。由于不同巖層自身結(jié)構(gòu)和承載能力的差異性，當(dāng)巷道穿過軟硬巖層交替的界面時，巷道易在軟弱巖層部位出現(xiàn)變形破壞，甚至誘發(fā)圍巖整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，不少專家學(xué)者對穿層巷道圍巖變形失穩(wěn)規(guī)律進(jìn)行研究，提出了相適應(yīng)的控制技術(shù)[1-5]。金能煤業(yè)東翼集中回風(fēng)上山擔(dān)負(fù)中一采區(qū)回風(fēng)任務(wù)，根據(jù)地質(zhì)資料顯示，東翼集中回風(fēng)上山在掘進(jìn)過程中將揭露細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、煤層等不同巖層，在穿層過程中圍巖易出現(xiàn)大變形現(xiàn)象。因此，以東翼集中回風(fēng)上山掘進(jìn)揭露不同巖層為工程背景，通過分析不同工況條件下穿層巷道圍巖變形規(guī)律，開展穿層巷道圍巖變形及錨注噴聯(lián)合控制技術(shù)研究與應(yīng)用，為類似巷道圍巖控制提供借鑒。

1 工程概況

東翼集中回風(fēng)上山開口位置為+980 m 軌道大巷，巷道設(shè)計直墻半圓拱形斷面，寬度5.0 m，墻高1.15 m，設(shè)計長度1306 m。巷道掘進(jìn)層位屬于二疊系下統(tǒng)山西組2#煤，2#煤厚0.6～0.4 m，煤層含0～4 層夾矸，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層傾角7°～28°。煤層基本頂為砂質(zhì)泥巖，厚度6.37 m，深灰色，水平層理，質(zhì)硬；直接頂為泥巖，厚度4 m，淺灰色；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度2.6 m，深灰色，松軟；基本底為細(xì)粒泥巖，厚度9.6 m，淺灰色，堅硬。東翼集中回風(fēng)上山開口位置位于基本底巖層細(xì)粒砂巖，以12°傾角向上掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)時主要揭露細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、煤層等巖層。

2 穿層巷道圍巖變形規(guī)律

基于東翼集中回風(fēng)上山生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立穿層巷道數(shù)值計算模型，模擬分析不同工況條件下巷道圍巖變形規(guī)律，如圖1。GK1 為巷道位于細(xì)粒泥巖中，GK2 為巷道位于細(xì)粒泥巖、砂質(zhì)泥巖中，GK3 為巷道位于砂質(zhì)泥巖、煤層中，GK4 為巷道位于煤層中。

由圖1（a）、（b）分析可知，巷道在穿層過程中不同工況下（GK1～GK4）頂板下沉量分別 為45 mm、147 mm、272 mm、255 mm，呈“GK1＜GK2＜GK4＜GK3”的 規(guī) 律；肩 角 變 形 量分 別 為40 mm、144 mm、237 mm、215 mm，呈“GK1＜GK2＜GK4＜GK3”的 規(guī) 律；底 鼓 量 分別 為71 mm、105 mm、196 mm、232 mm，呈“GK1＜GK2＜GK3＜GK4”的 演 化；幫 部 移 近 量分 別 為56 mm、66 mm、201 mm、225 mm，呈“GK1＜GK2＜GK3＜GK4”的規(guī)律。整體看，巷道位于細(xì)粒泥巖時，其圍巖變形最小；巷道由細(xì)粒泥巖揭露穿層至砂質(zhì)泥巖時，巷道頂板及肩角位置變形量顯著增加；巷道由砂質(zhì)泥巖揭露穿層至煤層時，巷道圍巖變形均呈增加趨勢；巷道沿煤層掘進(jìn)時，頂板變形量相對減小，底鼓量相對增加。

3 穿層巷道錨注噴聯(lián)合控制技術(shù)

基于穿層巷道圍巖變形規(guī)律分析，巷道位于細(xì)粒泥巖層位時，圍巖變形量相對較小，巷道由細(xì)粒泥巖依次揭露至砂質(zhì)泥巖、煤層時，巷道圍巖變形顯著增加。因此，東翼集中回風(fēng)上山圍巖應(yīng)采用分區(qū)域控制技術(shù)。

1）細(xì)粒砂巖段巷道

巷道采用錨桿+錨索+注漿錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土支護(hù)。混凝土噴層采用二次噴射，巷道掘進(jìn)后，及時噴射混凝土，混凝土噴層厚度70 mm，強度C20。然后進(jìn)行錨桿+錨索+注漿錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿直徑20 mm、長度2200 mm，間排距800 mm×800 mm，每排布置12 根；錨索直徑22 mm、長度7500 mm，間排距1400 mm、1600 mm×1600 mm，每排布置3 根；注漿錨桿直徑25 mm、長度2500 mm，間排距1600 mm×1600 mm，每排布置5 根；金屬網(wǎng)采用直徑6 mm 鋼筋焊接的鋼筋網(wǎng)，規(guī)格800 mm×800 mm，網(wǎng)格規(guī)格100 mm×100 mm。錨網(wǎng)索支護(hù)完成后，進(jìn)行第二次復(fù)噴混凝土。二次復(fù)噴噴層厚度80 mm，強度C20。巷道支護(hù)斷面如圖2（a）。

圖2 東翼集中回風(fēng)上山支護(hù)斷面圖（mm）

2）穿層及砂質(zhì)泥巖、煤層段巷道

巷道采用錨桿+錨索+注漿錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土支護(hù)。混凝土噴層采用三次噴射，巷道掘進(jìn)后，及時噴射混凝土，混凝土噴層厚度30 mm，強度C20。然后進(jìn)行錨桿+錨索+金屬網(wǎng)，錨桿直徑20 mm、長度2200 mm，間排距800 mm×800 mm，每排布置12 根；錨索直徑22 mm、長度7500 mm，間排距1400 mm、1600 mm×1600 mm，每排布置5 根；金屬網(wǎng)采用直徑6 mm 鋼筋焊接的鋼筋網(wǎng)，規(guī)格800 mm×800 mm，網(wǎng)格規(guī)格100 mm×100 mm。錨網(wǎng)索支護(hù)完成后，進(jìn)行二次復(fù)噴混凝土，復(fù)噴厚度70 mm，強度C20。復(fù)噴后施工注漿錨桿，注漿錨桿直徑25 mm、長度2500 mm，間排距1600 mm×1600 mm，每排布置5根。注漿錨桿施工完成后，進(jìn)行第三次復(fù)噴混凝土，三次復(fù)噴厚度50 mm，強度C20。巷道支護(hù)斷面如圖2（b）。

4 工程應(yīng)用

將穿層巷道錨注噴聯(lián)合控制技術(shù)應(yīng)用于東翼集中回風(fēng)上山，監(jiān)測了掘進(jìn)時期（細(xì)粒砂巖段和砂質(zhì)泥巖段）的巷道頂板離層和圍巖變形，如圖3、圖4。

圖3 東翼集中回風(fēng)上山頂板離層情況

圖4 東翼集中回風(fēng)上山圍巖變形情況

圖3 給出了東翼集中回風(fēng)上山掘進(jìn)時期的頂板離層鉆孔窺視情況。由測試結(jié)果可知，當(dāng)東翼集中回風(fēng)上山掘進(jìn)揭露的頂板為細(xì)粒砂巖時，試驗巷道掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)裂隙發(fā)育和離層情況，表明掘進(jìn)對試驗巷道圍巖擾動影響較小。當(dāng)東翼集中回風(fēng)上山掘進(jìn)揭露的頂板為砂質(zhì)泥巖時，試驗巷道掘進(jìn)過程中，頂板巖層裂隙較為發(fā)育，且局部出現(xiàn)離層，巷道支護(hù)后，離層現(xiàn)象得到改善。

圖4 給出了東翼集中回風(fēng)上山掘進(jìn)時期圍巖變形情況。由圖可知，細(xì)粒砂巖段巷道掘進(jìn)15 d 內(nèi)，巷道圍巖發(fā)生快速變形，之后巷道變形逐漸穩(wěn)定。巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后，頂?shù)装逑鄬σ平繛?98 mm，兩幫移近量為223 mm。砂質(zhì)泥巖段巷道掘進(jìn)35 d內(nèi)，巷道圍巖發(fā)生快速變形，之后巷道變形逐漸穩(wěn)定。巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后，頂?shù)装逑鄬σ平繛?09 mm，兩幫移近量為225 mm。砂質(zhì)泥巖段巷道掘進(jìn)穩(wěn)定時間較長，變形相對較大。整體看，東翼集中回風(fēng)上山掘進(jìn)期間圍巖變形可控，表明了穿層巷道錨注噴聯(lián)合控制技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。

5 結(jié)論

以金能煤業(yè)東翼集中回風(fēng)上山地質(zhì)條件為工程背景，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法，模擬分析了不同工況條件下巷道圍巖變形規(guī)律。基于此，開發(fā)了穿層巷道錨注噴聯(lián)合控制技術(shù)。技術(shù)應(yīng)用后，監(jiān)測了東翼集中回風(fēng)上山掘進(jìn)時期（細(xì)粒砂巖段和砂質(zhì)泥巖段）的巷道頂板離層和圍巖變形。砂質(zhì)泥巖段巷道掘進(jìn)穩(wěn)定時間較長，變形相對較大。整體看，東翼集中回風(fēng)上山掘進(jìn)期間圍巖變形可控，表明了穿層巷道錨注噴聯(lián)合控制技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。