軟弱破碎圍巖煤層巷道支護技術(shù)應(yīng)用分析

魏治剛

（山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036604）

在巷道過破碎圍巖的條件下，由于受斷層構(gòu)造應(yīng)力的影響，斷層區(qū)域內(nèi)圍巖完整性受到破壞，礦壓顯現(xiàn)劇烈，僅靠單一的支護方式不能滿足控制巷道圍巖變形的要求，嚴重影響著巷道的穩(wěn)定性以及礦井的安全生產(chǎn)。長期以來，國內(nèi)外學者對過斷層巷道的圍巖控制技術(shù)做了大量的研究。唐輝雄等[1]，采用數(shù)值計算軟件對各支護方案下斷層破碎帶處圍巖的變形進行了模擬，并得出了圍巖變形特征；張艷軍[2]，根據(jù)斷層破碎帶處圍巖地質(zhì)情況，提出了聯(lián)合支護技術(shù)加固圍巖，并取得了顯著成效；張繼龍[3]，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實踐相結(jié)合的方法，對深井高應(yīng)力破碎軟巖巷道過斷層提出了“金屬網(wǎng)、U 型鋼拱支架、噴漿、注漿和錨索”的綜合支護方式，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性。本文以同寶煤業(yè)15106 運輸順槽過破碎圍巖段為工程背景，通過分析斷層構(gòu)造區(qū)域范圍內(nèi)巷道圍巖變形原因[4-5]，確定合理的支護技術(shù)方案，以期降低施工風險。

1 工程概況

山西同寶煤業(yè)15106 工作面開采15 號煤層，煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)中等，煤層中部夾一層0.35～0.85 m 的碳質(zhì)泥巖。15 號煤層平均厚度5.7 m，平均傾角13°，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層。煤層頂板為泥巖和粉砂巖，底板為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，煤層頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

15106 運輸順槽全長1 100 m，巷道為矩形斷面，凈寬5.0 m，凈高度3.5 m。受復雜地質(zhì)條件的影響，該順槽約200 m范圍內(nèi)巷道圍巖變形嚴重，頂板下沉量達600 mm，兩幫移進量達500 mm，且部分區(qū)域內(nèi)錨桿索出現(xiàn)斷裂、托盤壓翻等現(xiàn)象，需對該運輸順槽變形嚴重段進行加固處置，以確保井下的安全生產(chǎn)。

2 圍巖變形破壞分析

1）地質(zhì)構(gòu)造影響。通過現(xiàn)場地質(zhì)勘察，工作面掘進期間揭露6 條正斷層，斷層落差范圍為0.5～1.7 m，斷層最大影響范圍為20 m。這些斷層破壞了巷道圍巖的完整性，該運輸順槽在斷層構(gòu)造的作用下部分地段的圍巖較破碎，從而造成該區(qū)域內(nèi)巷道圍巖的強度較低。

2）圍巖強度影響。巷道的直接頂為泥巖，單軸抗壓強度約50.5 MPa，強度較低，同時，泥巖易吸水膨脹，直接頂范圍內(nèi)的泥巖是巷道圍巖的變形破壞的重要因素。

3）地應(yīng)力影響。選取破碎圍巖嚴重段的地應(yīng)力作為測點，破碎圍巖嚴重段所受地應(yīng)力大小和方向如圖1 所示。

圖1 地應(yīng)力大小和方向

由圖1 知，巷道的走向為正東西方向，最大水平主應(yīng)力與回采巷道的夾角為45°。剪切破壞面與水平面夾角為，通過做莫爾圓與抗剪強度間的關(guān)系圖可得巷道的頂板圍巖破壞角度范圍為41°～60°，巷道的走向為正東西方向，在最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力的作用下，巷道頂板巖石會在41°～60°范圍發(fā)生剪切破壞，破壞角度范圍平行于該運輸順槽。這種情況對巷道圍巖支護十分不利，是圍巖變形破壞的主要原因。

3 優(yōu)化支護方案

3.1 巷道原支護方案

巷道原支護方案為：巷道的頂板選用直徑22mm，長度2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿均與頂板垂直，錨桿間排距為900 mm×1000 mm，錨桿螺母預緊力矩不低于300 N·m，錨固力為190 kN；錨索采用φ20 mm×5 300 mm 預應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距為1 800 mm×2 000 mm，選用180 mm×180 mm×12mm 的球形鋼板托盤，施加預緊力不小于300kN，保證錨索錨固端深入穩(wěn)定巖體中不小于1 m；兩幫選用直徑22 mm，長度2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿均與幫部垂直，兩幫錨桿的間排距為950 mm×1 000 mm，錨桿螺母預緊力矩不得低于300 N·m，錨固力為160 kN；在巷道的頂板、兩幫均鋪設(shè)六邊形金屬網(wǎng)，規(guī)格分別為長×寬=5 500 mm×1 100 mm、長×寬=2 900 mm×1 100 mm，鋼筋網(wǎng)的搭接長度為50 mm，同時使用16 號雙股聯(lián)網(wǎng)絲進行連接，聯(lián)網(wǎng)絲的扭結(jié)大于3 扣，聯(lián)網(wǎng)距小于200mm。從支護方案可以看出，錨桿長度為2400mm，錨桿的錨固區(qū)處于泥巖中，在該區(qū)域內(nèi)錨桿只對剪切應(yīng)力起作用，并不能完全發(fā)揮錨桿的支護作用，支護效果不佳。

3.2 注漿加固方案

在圍巖進行注漿前，先對圍巖進行掃噴，封閉裸露處的圍巖表面。頂板注漿孔的間排距為1 600 mm×2 000 mm，注漿孔采用“4-3-4”進行布置，注漿孔的直徑為36 mm，深度為8 000 mm。巷道幫部注漿孔的間排距為2 000 mm×2 000 mm，每排2 個孔，注漿孔的直徑為36 mm，深度為7 000 mm。底板注漿孔的間排距為2 000 mm×2 000 mm，每排2 個孔，注漿孔的直徑為36 mm，深度為6 000 mm。采用鑿巖機打設(shè)注漿孔，注漿孔與巷道圍巖表面全部垂直。在注漿孔內(nèi)埋設(shè)射漿管進行一次性全鉆孔注漿，注漿壓力為6.0 MPa。采用水泥- 水玻璃雙液漿的注漿材料，水灰比為0.8，水玻璃的濃度為50Be′，模數(shù)為3.0，水玻璃與水泥漿液的體積之比為0.5:1[4-8]，注漿孔布置如圖2 所示。

圖2 注漿孔布置

3.3 錨桿（索）加固支護方案

巷道頂板支護：巷道頂板采用CRM500φ22-M24-2400 的強力錨桿。錨桿打設(shè)時需使錨桿與頂板相互垂直，錨桿的間排距設(shè)計為900 mm×900 mm，每排5 根。錨桿螺母預緊力矩大于400 N·m，且不超過500 kN，同時錨桿配合使用3.8 m 的鋼帶進行加強支護。巷道頂板錨索采用SKP22-1/1860/8300 強力錨索。錨索采用“2-3-2”方式進行布置，錨索兩根時，間排距為1 800 mm×1 000 mm；錨索三根時，間排距為1 700 mm×1 000 mm。錨索作業(yè)時需使錨索與巷道頂板相互垂直進行打設(shè)。巷道兩幫支護： 巷道兩幫采用CRM500φ22-M24-2400 的強力錨桿，間排距為950 mm×1 000 mm；巷道左、右?guī)吞庡^桿均打設(shè)4根，左右兩幫錨桿對稱布設(shè)。巷道兩幫采用SKP22-1/1860/4300 強力錨索進行加強支護。錨索作業(yè)時需使錨索與巷道幫部相互垂直進行打設(shè)，錨索的間排距設(shè)計間排距為2 000 mm×2 000 mm，每排共打設(shè)2 根，左右兩幫錨索對稱布設(shè)。其他支護技術(shù)材料、參數(shù)同原支護方案。

4 應(yīng)用效果

在巷道掘進施工過程中采用“十字布點法”進行巷道圍巖變形監(jiān)測，同時采用兩點式頂板位移測定儀以及多點位移計來進行巷道頂板離層量的測量，頂板離層儀基點安裝深度為4 m、8 m，巷道圍巖變形曲線及離層量如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖移近量和離層量曲線

由圖3 可以看出，在15106 運輸順槽掘進完成的前7d，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形速率度不斷增大，之后逐漸趨于穩(wěn)定。巷道頂板最大下沉量約為30.7 mm，巷道兩幫圍巖變形最大約為23.8 mm； 在頂板4 m 范圍內(nèi)，頂板離層量累計3.7 mm，離層平均速率為0.36 mm/d；在頂板4～8 m 范圍內(nèi)，頂板離層量累計6.2 mm，離層平均速率為0.63 mm/d，圍巖控制效果較好。

5 結(jié)語

以同寶煤業(yè)15106 運輸順槽過圍巖破碎段為工程背景，對過圍巖破碎段巷道的圍巖控制與支護技術(shù)進行了詳細探討，采用了“注漿+ 錨桿索”優(yōu)化支護技術(shù)方案。該方案應(yīng)用后表明，15106 運輸順槽掘進期間，頂板最大下沉量約為30.7 mm，巷道兩幫圍巖變形最大約為23.8 mm，淺基點處頂板離層量累計3.7 mm，深基點處頂板離層量累計6.2 mm，圍巖變形已得到有效控制。