淺論加強高泥質(zhì)軟巖巷道支護(hù)

史春

摘要： 石溝驛煤礦010607工作面回順在回采過程中，由于受采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力以及采空區(qū)水對巷道圍巖的影響，巷道圍巖出現(xiàn)了整體變形，表現(xiàn)為頂板下沉、兩幫整體變形以通過對巷道破壞原因進(jìn)行分析，在010610回順掘進(jìn)時提出了從巷道的初次支護(hù)、表面封閉、隔離采空區(qū)水以及泥巖改性等方面對加固方案進(jìn)行探討，以保證巷道在回采時能夠保證圍巖的穩(wěn)定及嚴(yán)重的底鼓，在回采時巷道需要頻繁返修，嚴(yán)重影響了礦上的正常生產(chǎn)。

Abstract： In the stoping process of 010607 Face in Shigouyi Coal Mine， because of the lateral stress in the goaf and the effect of goaf on surrounding rock of roadway， the surrounding rock of roadway has the overall deformation such as the heaving floor roof subsidence， the overall deformation of scalings and the serious heaving floor. In the stoping process， the roadways need frequent repair， it seriously affects the ormal production of mine. Through the analysis of the causes of roadway damage， the reinforcement schemes are discussed from the first support， surface sealing， the water of isolated goaf and the modified mudstone in the 010610 tunnelling to ensure the stability of surrounding rock of the roadway in the stoping.

關(guān)鍵詞： 圍巖；應(yīng)力；支護(hù)；設(shè)計

Key words： surrounding rock；stress；support；design

中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0075-04

0 引言

石溝驛煤礦六煤層煤層頂板為復(fù)合型軟巖頂板，底板為具有遇水膨脹、崩解及流變特性的侏羅系泥質(zhì)軟巖，支護(hù)難度大。010607工作面回順在回采過程中，由于支護(hù)不當(dāng)，導(dǎo)致煤層頂板下沉、兩幫整體變形，巷道底鼓現(xiàn)象十分嚴(yán)重，加之返修不力，嚴(yán)重影響正常作業(yè)。

本文通過對巷道破壞原因進(jìn)行分析，在010610回順掘進(jìn)時提出了從巷道的初次支護(hù)、表面封閉、隔離采空區(qū)水以及泥巖改性等方面對加固方案進(jìn)行探討，以保證巷道在回采時能夠保證圍巖的穩(wěn)定。

1 地質(zhì)概況

石溝驛煤業(yè)分公司六煤層，煤層厚度1.47～2.04m，平均厚度為1.7m。該煤層煤層賦存穩(wěn)定，層狀結(jié)構(gòu)、節(jié)理發(fā)育，硬度較小，光澤強，厚度變化相對較大，煤層中上部（距頂板0.15～0.20m）有一層泥巖夾矸，夾矸厚度在0.05～0.1m間，煤層頂?shù)装逡阅鄮r為主，硬度較小，遇水易變軟彭脹，煤巖普氏系數(shù)f=2～3。

通過圖1 010607的回順的綜合柱狀圖比較可以看出，煤層頂板上方1.5m為五煤層，兩煤層之間為泥巖與細(xì)砂巖的互層分布，泥巖硬度較低，遇水易膨脹，巖石強度會明顯降低；其中細(xì)砂巖為塊狀泥質(zhì)膠結(jié)，強度較低，同時也具有遇水容易膨脹變形的特性；五煤層平均厚度為1.1m，具有硬度低，節(jié)理發(fā)育、層狀結(jié)構(gòu)的性質(zhì)；五煤層頂板為煤矸互層，層狀結(jié)構(gòu)、硬度小、易脫層，五層的厚度平均為0.3m；五層上方為粉砂巖，層狀結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，硬度中等，遇水易膨脹變形平均厚度為2.52m。

煤層底板為直接底為泥巖、細(xì)粒砂巖和粉砂巖，整體強度低，易吸水膨脹。

通過以上煤層頂?shù)装宓膸r性情況，可以得出以下圍巖特性：

①煤層頂板為復(fù)合型軟巖頂板。由于該種頂板為泥巖與砂巖交替出現(xiàn)，當(dāng)支護(hù)方式的選擇不當(dāng)時很容易發(fā)生脫層現(xiàn)象；頂板巖石為泥巖或者有泥巖膠結(jié)的砂巖組成，遇水后很容易發(fā)生膨脹變形，錨桿、索的錨固段的錨固力容易降低或者喪失，最終發(fā)生巷道頂板整體下沉，甚至出現(xiàn)冒頂事故。

②煤層底板為侏羅系泥質(zhì)軟巖，經(jīng)分析該泥巖具有遇水膨脹、崩解及流變的特性，支護(hù)難度大。

2 原支護(hù)形式及存在問題分析

2.1 原支護(hù)形式

010607工作面回順位于石溝驛技改井+929水平北翼，巷道下側(cè)為設(shè)計的010607綜采工作面，巷道上側(cè)為010605綜采工作面，間隔煤柱12m，設(shè)計施工長度2490m。矩形斷面，巷道斷面為12.18m2，全斷面掛設(shè)金屬網(wǎng)配合鋼帶、錨桿、錨索、錨梁進(jìn)行支護(hù)。錨桿間排距為800×900mm，巷道上幫使用3根螺紋鋼錨桿配合錨梁進(jìn)行支護(hù)（錨梁采用11#礦工鋼，長2700mm），錨桿規(guī)格為：Φ20×2800mm，巷道下幫及頂板共使用9根螺紋鋼錨桿，錨桿規(guī)格為：Φ20×2200mm，鐵托板均采用10mm厚鋼板加工，規(guī)格150×150×10mm。錨索孔間排距：3000×1800mm，采用Ф17.8mm鋼絞線加工，加工長度：7000mm，錨索托梁采用11#礦工鋼，加工長度600—800mm，鐵托板采用10mm厚鋼板加工，規(guī)格100×100×10mm。（圖2）

2.2 巷道礦壓特點及巷道變形分析

010607回順掘進(jìn)完以后受應(yīng)力影響巷道變形主要集中在巷口至1300范圍內(nèi)，變形首先發(fā)生在巷道頂板破碎下沉、幫部外凸嚴(yán)重，局部伴有錨桿破斷現(xiàn)象。錨桿受力較大的位置出現(xiàn)托盤翻盤現(xiàn)象嚴(yán)重。后期由于受斷層附近有淋水現(xiàn)象和相鄰采區(qū)滲水的影響，同時巷道在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)相鄰采空區(qū)的水通過工作面之間的煤柱滲透到順槽底板，巷道整體變形較大，雖經(jīng)多次返修仍不能控制巷道的穩(wěn)定。（圖3）

①斷層構(gòu)造附近的應(yīng)力明顯較大，同時受水的影響較大。

在斷層附近受復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力的影響，巷道受力明顯大于正常掘進(jìn)段。順槽通過斷層時一般需要穿煤層頂板或者底板通過，圍巖為泥巖或者是泥質(zhì)砂巖，同時斷層附近常伴有淋水現(xiàn)象，圍巖泥化、軟化嚴(yán)重，錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)的有效性很難保持，容易發(fā)生整體變形。

②工作面順槽間隔煤柱為12m，巷道受煤層傾斜和相鄰工作面010605的回采影響回順表現(xiàn)出較明顯的水平應(yīng)力。

回順的巷道變形位置位于兩肩窩處，表現(xiàn)出較明顯的拉剪破壞，該種破壞形式主要是受010605工作面回采后的側(cè)向應(yīng)力的影響造成的。側(cè)向應(yīng)力沿煤層傾斜方向向下傳遞，在010607回順表現(xiàn)出明顯的水平應(yīng)力，巷道兩肩窩處受拉剪應(yīng)力的破壞作用，發(fā)生嚴(yán)重變形，外凸。

巷道兩肩窩變形的結(jié)果使上方泥巖在自重應(yīng)力的作用下發(fā)生錯位，最終可能導(dǎo)致相應(yīng)處錨桿破斷，如不及處理，巷道變形將進(jìn)一步波及整個斷面。（圖4）

③復(fù)合軟巖頂板，容易導(dǎo)致頂板脫層現(xiàn)象，頂板整體下沉，嚴(yán)重處可能導(dǎo)致冒頂事故。

巷道頂板為泥巖與泥質(zhì)砂巖及煤層組成的復(fù)合頂板，如在巷道支護(hù)初期出現(xiàn)支護(hù)系統(tǒng)的預(yù)緊力小，或者系統(tǒng)工作過程中預(yù)緊力喪失等問題，復(fù)合頂板易出現(xiàn)離層現(xiàn)象，離層的結(jié)果使得錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)由主動支護(hù)變?yōu)楸粍又ёo(hù)，錨桿的錨固段由于處在軟巖之中，隨著裂隙的導(dǎo)通，錨桿的錨固力下降，支護(hù)失效隨著圍巖變形一同內(nèi)移。

④該段巷道，由于多次起底修復(fù)，使得相鄰工作面采空區(qū)積水滲入順槽，圍巖受水的影響下整體強度迅速下降，進(jìn)而誘發(fā)整體變形。

3 原支護(hù)存在的問題與返修方案存在問題及分析

3.1 巷道設(shè)計斷面抗壓輕度低

根據(jù)010607回順巷道實際情況，從圖3可以明顯看出，巷道受到的應(yīng)力主要集中在巷道頂板從中間往下下沉及兩幫鼓出，巷道頂板成鍋底狀下沉證明巷道原有的支護(hù)起到了一定的效果但是不能滿足應(yīng)力分散的需要，巷道幫部鼓出證明壓力沒有按照巷道輪廓進(jìn)行壓力傳導(dǎo)，造成了巷道的嚴(yán)重變形，說明矩形巷道的抗壓強度不能滿足我公司的井下現(xiàn)場生產(chǎn)的實際需要。

3.2 工作面間隔煤柱選擇

010607綜采工作面與相鄰010605綜采工作面間隔煤柱為12m，根據(jù)現(xiàn)場實際情況分析在受相鄰工作面動壓的影響下，錨桿、錨索、圍巖之間的協(xié)調(diào)變形能力較差。

從圖4中可以看出，目前在動壓影響的情況下，由于錨桿的延伸率較高，而錨索的延伸率較低，錨桿、索受力迅速增大，錨索首先發(fā)生破斷，由于錨索受力較大提前發(fā)生破斷，后期會導(dǎo)致整個支護(hù)系統(tǒng)受力增加，最終支護(hù)失效。

3.3 支護(hù)材料選型

3.3.1 錨桿托盤強度低

從井下的礦壓顯現(xiàn)特征來看，當(dāng)錨桿受力較大的情況下，錨桿托盤發(fā)生大量翻盤現(xiàn)象，錨桿托盤強度低。錨桿托盤的翻盤，會導(dǎo)致錨桿受力突然下降，嚴(yán)重時甚至喪失，不能有效控制圍巖變形，圍巖整體變形量大。

3.3.2 幫錨桿的施工出現(xiàn)三徑不匹配的問題

幫錨桿采用鉆頭為直徑38mm的煤電鉆打眼，而這時錨桿的直徑為20mm，錨固劑選用直徑為35mm，由MT/T 1104—2009《煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》明確要求鉆孔直徑和錨桿桿體直徑之差應(yīng)為6mm～10mm，鉆孔直徑與樹脂錨固劑直徑之差應(yīng)為4mm～8mm，其余的視為三徑不匹配問題。很明顯鉆孔直徑大錨桿直徑11mm，超出了技術(shù)規(guī)范的要求。

3.4 現(xiàn)場施工質(zhì)量

3.4.1 錨桿預(yù)緊力低

巷道在施工過程中要求錨桿的安裝預(yù)緊力為50kN，預(yù)緊力是錨網(wǎng)索主動支護(hù)的源泉，較小的預(yù)緊力不能控制圍巖的初期變形，裂隙向深部擴(kuò)展，圍巖的整體性受到破壞，容易造成后期錨固失效，巷道容易出現(xiàn)整體變形。

3.4.2 要求錨桿的錨固段的拉拔力太低

根據(jù)新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 146.2-2011《樹脂錨桿金屬桿體及其附件》要求，錨桿的錨固力至少要大于錨桿屈服強度的1.2倍，也就是Φ20普強錨桿的拉拔力至少要求在150kN。

3.5 風(fēng)化對巷道裸露巖體破壞

根據(jù)010607回順現(xiàn)場頂板破碎情況分析，頂板在受到應(yīng)力的影響下會發(fā)生變形，遇水會發(fā)生膨脹，受風(fēng)化影響煤層頂板巖層裂隙發(fā)育、巖體孔隙率高和強度衰減速度快、自穩(wěn)性能與承載能力差，造成頂板破碎。

3.6 巷道返修方案

巷道返修常采用11#礦工鋼配合單體液壓支柱棚子與錨網(wǎng)索支護(hù)形式相結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)方式。該項方案只能解決頂板不在繼續(xù)下沉，對于頂板破碎、整體抗壓方面不能提供很好的保證，所以不能作為巷道永久支護(hù)的可行性方案。

4 設(shè)計優(yōu)化改變支護(hù)形式后取得的成果

根據(jù)目前回順巷道錨網(wǎng)索支護(hù)方案出現(xiàn)的問題，我們對從以下幾個方面進(jìn)行設(shè)計調(diào)整，優(yōu)化支護(hù)設(shè)計，加強錨網(wǎng)索支護(hù)取得了一定的效果：

4.1 調(diào)整工作面間隔煤柱

根據(jù)010607回順的現(xiàn)場實際情況，我們在同水平010610綜采工作面回順掘進(jìn)時將工作面間隔煤柱由原來的12m調(diào)整為6m，縮短了工作面的間隔煤柱。這樣將應(yīng)力區(qū)對巷道的主要影響區(qū)域轉(zhuǎn)移至工作面6m處，降低了應(yīng)力區(qū)對巷道支護(hù)的影響。

4.2 改變巷道斷面形狀

我公司在010610回順巷道采用斷面均為三心拱，采用錨網(wǎng)（錨索、鋼帶）聯(lián)合支護(hù)，從巷道整體抗壓性上進(jìn)行了改進(jìn)，在后期才過程中證明該種巷道形式可以滿足生產(chǎn)需要，與相鄰010608綜采工作面比較，該工作面回順共進(jìn)行巷道返修3次，架設(shè)工字鋼棚1800架。而010610回順截至發(fā)稿日期僅在斷層破碎帶附近及局部架設(shè)鋼棚160架，巷道維護(hù)也主要為對底板鼓起地點進(jìn)行清理工作，極大的縮小了巷道維護(hù)工作。具體支護(hù)形式見圖5。

4.3 根據(jù)煤巖賦存情況優(yōu)化支護(hù)設(shè)計

經(jīng)過驗算，我們更改了巷道使用支護(hù)材料，使用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其桿體規(guī)格為：桿體直徑22mm，拱部桿體長度2500mm，巷幫使用Φ22×2200mm和Φ22×1200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鐵托板采用10mm厚鋼板加工，規(guī)格200×200×10mm，中部開孔Φ24mm。錨索使用Ф21.6m鋼絞線加工，加工長度：7000mm，鐵托板采用12mm厚鋼板加工，規(guī)格300×300×12mm，中部鉆孔Ф26mm。（表1）

4.4 圍巖表面封閉

采用薄噴材料對巷道圍巖表面進(jìn)行封閉，減少水及潮濕空氣對圍巖的影響，保證圍巖的整體強度。

5 目前存在的問題及我公司提出的解決方案

010610工作面回風(fēng)順槽過斷層段巷道掘進(jìn)完以后變形首先發(fā)生在巷道兩肩窩的位置，破碎外凸嚴(yán)重，但未出現(xiàn)錨桿破斷現(xiàn)象。錨桿受力較大的位置出現(xiàn)托盤翻盤現(xiàn)象嚴(yán)重。后期由于受于斷層附近有淋水現(xiàn)象和相鄰采區(qū)滲水的影響，同時巷道在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)相鄰采空區(qū)的水通過工作面之間的煤柱滲透到順槽底板，巷道整體變形較大，雖經(jīng)多次返修仍不能控制巷道的穩(wěn)定。

針對過斷層期間出現(xiàn)的問題及我公司改進(jìn)后的做法，我們提出了《構(gòu)造復(fù)雜區(qū)高泥質(zhì)軟巖沿空巷道親泥性錨注加固實施方案》，本設(shè)計方案采用“高預(yù)緊力錨網(wǎng)支護(hù)與親泥性注漿加固技術(shù)”，從巷道的初次支護(hù)、表面封閉、隔離采空區(qū)水以及泥巖改性等方面對加固方案進(jìn)行探討，以保證巷道在回采時能夠保證圍巖的穩(wěn)定。

“高預(yù)緊力親泥性錨注加固技術(shù)”分為三步：高預(yù)緊力錨網(wǎng)索支護(hù)、表面薄噴封閉以及親泥性注漿加固。具體的實施方案如下：

工作思路：①初次支護(hù)必須對巷道礦壓特點進(jìn)行分析，有針對性的進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，同時采用高預(yù)緊力錨桿對巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)，以減少圍巖的初期變形，保證圍巖的整體性。

②噴漿封閉。采用薄噴材料對圍巖進(jìn)行封閉，以減少水及潮濕空氣對圍巖強度的影響。

③通過采用親泥性注漿材料對圍巖進(jìn)行注漿加固，起到隔離采空區(qū)水及圍巖表面改性的作用，與高預(yù)緊力支護(hù)系統(tǒng)共同作用，避免圍巖出現(xiàn)持續(xù)性變形。

支護(hù)布置方式見圖7。

④巷道施工完畢后，在工作面迎頭后方對巷道進(jìn)行薄噴表面封堵。要求滯后迎頭100m，一次薄噴長度為50m。薄噴主要目的為減少水和空氣對巷道內(nèi)部泥質(zhì)軟巖的影響。表面封堵采用“薄噴專用”材料，噴層厚度為4～7mm。

6 結(jié)論

針對010610工作面回順掘進(jìn)時，由于支護(hù)不當(dāng)所導(dǎo)致的煤層頂板下沉、兩幫整體變形、巷道底鼓等問題，通過調(diào)整工作面間隔煤柱，改變巷道斷面形狀，根據(jù)煤巖賦存情況優(yōu)化支護(hù)設(shè)計，圍巖表面封閉等措施，調(diào)整了返修方案，提高了巷道支護(hù)強度，有效解決了上述問題，保證了正常作業(yè)進(jìn)度，同時大幅度降低了返修成本，提高了回采效益。鑒于本文所述改進(jìn)方案取得實效，建議將本套方案進(jìn)一步推廣到回采作業(yè)中，以提高全礦業(yè)的生產(chǎn)效率。

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