城山煤礦深部軟巖巷道支護技術(shù)研究

陳兆玉

摘 要： 城山礦隨著其開采深度不斷增加，受高應(yīng)力的影響，軟巖問題愈趨嚴重，36#層運輸巷道支護的難度和破壞程度不斷增加，底臌現(xiàn)象突顯，圍巖變形量大，影響巷道有效尺寸， 阻礙運輸、通風(fēng)和人員行走，嚴重威脅了煤礦的安全生產(chǎn)。

本論文深入分析該礦軟巖變形機理，提出新的支護方案并應(yīng)用實踐，在現(xiàn)在礦壓和變形量的監(jiān)測下，驗證了巷道沒有發(fā)生明顯的頂板下沉、噴層開裂及底鼓等現(xiàn)象。提高了生產(chǎn)的安全性，改善了礦井的運輸條件，且為該礦區(qū)及國內(nèi)類似條件下巷道支護問題提供了一條很好的技術(shù)途徑，因此具有很好的社會效益。

關(guān)鍵詞： 錨桿支護；深部巷道；軟巖支護

1 城山煤礦深部回采巷道狀況分析

1.1 城山礦井概況

城山煤礦立井位于雞西市城子河區(qū)，距雞西火車站NE3.5公里。有雞密公路在井田內(nèi)通過，礦區(qū)鐵路專用線與哈密國鐵相連，交通十分方便。

井田東西長10公里，南北寬3.5公里。東部與正陽礦相鄰。西部與沈煤集團新城煤礦毗連。地理坐標(biāo)為東經(jīng)130° 33′40″，北緯45°20′40″。

井田內(nèi)地形大部分為丘陵地形，地形差異不大。北部由于基盤古老變質(zhì)巖系的出露呈現(xiàn)大致平行于煤系地層走向的山脊，略東西方向，山峰圓頂，一般標(biāo)高為+350米。

1.2 中部區(qū)36#層運輸巷支護現(xiàn)狀

1.2.1工程概況

城山煤礦二水平中部區(qū)36#煤層運輸巷北部為二水平25#運輸巷，該施工區(qū)域上方地表為城子河長青鄉(xiāng)新興村、新城村，雞城公路在其上方經(jīng)過，公路兩側(cè)有樓房，地面有河渠及高壓線，原穆棱河道在其上方經(jīng)過。根據(jù)已施工巷道分析該施工區(qū)域附近暫無斷層經(jīng)過。該施工工程在36#煤層中進行。36#煤由煤、煤頁巖組成，厚度1.8-2.11m左右，該區(qū)域煤層走向近似于東西走向，由北向南傾斜，煤層傾角在12-30°之間。頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖、泥巖或炭質(zhì)泥巖。預(yù)計該區(qū)域36#瓦斯含量在2.8-4.0m3/t左右，絕對瓦斯涌出量在35-55m3/min之間，瓦斯壓力在0.3-0.42MPa左右，礦井涌水量大，最大涌水量10m3/h，施工時，嚴格執(zhí)行“逢掘必探”規(guī)定。

2 城山礦深部36#層運輸巷軟巖變形機理分析

通過對城山煤礦36#層運輸巷支護失穩(wěn)破壞表現(xiàn)出的底鼓、兩幫嚴重內(nèi)擠和拱頂離層現(xiàn)象等現(xiàn)場調(diào)研及初步理論分析，認為，軟巖巷道發(fā)生嚴重變形和破壞的原因主要是由以下幾方面因素綜合作用的結(jié)果：

1、圍巖承載能力低

軟巖大致可分為三類基本巖性：砂巖、泥巖、煤。另外也有具有臨近兩巖層某些共性的過渡巖層，如泥砂巖互層、泥質(zhì)粉砂巖，這種過渡巖層的巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)介于兩種巖性之間，加上各巖層連續(xù)性較差，RQD 質(zhì)量指標(biāo)較低，圍巖整體承載能力將受到極大影響。因此圍巖承載能力較低是軟巖巷道失穩(wěn)的主要原因。

2、水的影響

根據(jù)礦井工程地質(zhì)資料和實際情況，侏羅系含水層組的孔隙裂隙水是影響巷道掘進與支護的主要影響因素。由于巷道所處位置圍巖大部分為泥質(zhì)膠結(jié)，對水非常敏感，巖體遇水泥化現(xiàn)象十分明顯。

而巷道在掘進過程中，掘進頭的水非常豐富，圍巖遇水即破碎成泥，錨桿無法錨固；地下水的存在，一方面使已松散破碎的巖體泥化，而出現(xiàn)流變現(xiàn)象，另一方面使得較大塊度的巖石出現(xiàn)軟化，大大降低了巖塊的強度和承載力，從而使得巖塊更易于破壞，加劇了圍巖裂隙的發(fā)育程度，從而形成惡性循環(huán)，使得巖體特性顯著劣化，無法滿足巷道支護的要求。

3、巷道原支護結(jié)構(gòu)和參數(shù)不合理

受巷道工程地質(zhì)條件的限制，巷道成型效果較差、支架與圍巖接觸不良、無控底措施、噴射混凝土封閉效果不明顯，整體支護強度不夠。

4、底板和底角未采取有效的控制措施

煤頂?shù)装鍘r層均為巖性較差的砂質(zhì)泥巖、泥巖或炭質(zhì)泥巖，而對巷道的底角和底板并沒有采取有效的支護措施，因此當(dāng)巷道的頂幫壓力較大時，巷道底板中的圍巖就會出現(xiàn)應(yīng)力集中，產(chǎn)生顯著的塑性變形和剪切破壞，表現(xiàn)出顯著的底鼓現(xiàn)象，進而影響巷道頂幫的穩(wěn)定，產(chǎn)生拱頂下沉，兩幫內(nèi)擠，從而造成巷道支護結(jié)構(gòu)的全面失穩(wěn)破壞。

5、大松動圈不穩(wěn)定圍巖

測得的松動圈范圍約1.1～2.84 m，根據(jù)圍巖松動圈支護理論，該段巷道屬于Ⅴ類大松動圈較軟軟巖或極軟軟巖巷道，一般支護形式無法滿足維護其穩(wěn)定的要求。先前采用U形鋼棚支護屬于被動低強度支護，一方面圍巖強度得不到加固提高，圍巖自身承載能力在變形過程中逐漸降低；另一方面在高圍巖壓力下，支架受力不均出現(xiàn)集中高應(yīng)力，使支護機構(gòu)的承載能力大打折扣，一旦某一個部位首先破壞就會導(dǎo)致全斷面的整體失穩(wěn)，同時圍巖松動圈進一步擴大，使支護結(jié)構(gòu)和圍巖狀況進一步惡化，出現(xiàn)大變形和垮落。

3.36#層運輸巷軟巖支護技術(shù)方案

3.1 巷道圍巖支護技術(shù)方案

針對巷道變形破壞的特點及失穩(wěn)機理，研究確定的支護技術(shù)方案為：初次錨網(wǎng)噴與錨索支護+二次錨注加固+底板反底拱與錨注加固，結(jié)合分層和超前導(dǎo)硐掘進技術(shù)，以保證巷道的長期穩(wěn)定。

3.2 巷道圍巖控制技術(shù)參數(shù)

（1）分層與超前中央導(dǎo)硐掘進

考慮到巷道底板圍巖長期受地下水和施工用水的作用，造成較大范圍的底板圍巖嚴重弱化，并造成嚴重底鼓現(xiàn)象，因此，確定采用分層施工方法。即將巷道全斷面分2 層施工，上分層為巷道的主體，超前掘進與支護，滯后再進行下分層掘進及臥底和底板反底拱施工，以減少對巷道底板巖層的擾動。

同時在上分層超前掘進過程中，由于巷道斷面仍較大，一次形成掘進斷面后難以實施及時支護，因此，首先采用中央導(dǎo)硐超前掘進，及時對頂板實施強力錨網(wǎng)噴支護，并采用小孔徑低預(yù)應(yīng)力錨索進行加強支護，然后再對中央導(dǎo)硐兩側(cè)圍巖進行掘進和支護。

下分層的高度控制在1.0 m 左右，滯后20～40d（綜掘機后）進行下分層的掘進與支護；上分層中央導(dǎo)硐寬度控制在3.0～3.5 m（盡量與綜掘機寬度匹配），超前距離控制在3.0～5.0m。

（2）頂幫錨網(wǎng)噴與低預(yù)應(yīng)力錨索支護

形成掘進斷面后，及時實施全斷面錨網(wǎng)噴支護與低預(yù)應(yīng)力錨索支護，組成復(fù)合支護結(jié)構(gòu)。

高強預(yù)應(yīng)力錨桿規(guī)格為Φ22 mm×4000 mm，錨桿為單向左旋無縱筋螺紋鋼制作，孔徑為φ28 mm，采用1 卷中速2360 型和1 卷快速2335 型樹脂藥卷加長錨固，錨固力大于150 kN，預(yù)緊力力矩不小于200N·m，間排距為800 mm×800 mm。金屬網(wǎng)采用φ6.5 的圓鋼焊接，網(wǎng)格為100 mm×100 mm。噴射混凝土強度等級C20，配合比1：2：2，摻3～5%速凝劑，噴厚30～40 mm。

低預(yù)應(yīng)力錨索采用φ17.8 mm 低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作，錨索長度為8.5 m，孔徑為φ30mm，采用樹脂藥卷錨固，錨固長度大于1.5 m；預(yù)應(yīng)力不低于200 kN，排距為1.6 m，間距為2.0～3.0 m，全斷面布置5～6 根。

（3）下分層掘進與底角和底板加固

滯后一定距離或時間進行下分層的掘進與底板反底拱支護。一般在綜掘機后或滯后20～40 d 進行下分層的掘進，及時采用錨網(wǎng)噴對巷道兩幫及底角進行支護，然后再臥底砌筑鋼筋混凝土反底拱，形成全斷面支護。

兩幫和底角支護：采用高強預(yù)應(yīng)力錨桿支護與金屬網(wǎng)支護，間排距等支護參數(shù)與上述相同，底角錨桿向下傾斜30。。

底板反底拱：矢跨比為1：6，拱厚為350 mm，配雙層金屬網(wǎng)，底層金屬網(wǎng)與幫角金屬網(wǎng)相連，上層金屬網(wǎng)可在后期與二次支護金屬網(wǎng)相連，然后再用混凝土澆灌，面層留40～50 mm 作為后期注漿加固的封孔層。

（4）全斷面錨注二次支護與加固

完成底板反底拱施工后，利用高強預(yù)應(yīng)力錨桿和內(nèi)注漿錨桿進行頂幫二次錨網(wǎng)噴支護，并在底板反底拱基礎(chǔ)上，采用內(nèi)注漿錨桿進行加強支護，然后利用頂幫和底板布置的內(nèi)注漿錨桿進行全斷面注漿加固。

頂幫二次錨網(wǎng)噴支護，采用高強預(yù)應(yīng)力錨桿和內(nèi)注漿錨桿間隔布置方式，間排距為800mm×800 mm，高強預(yù)應(yīng)力錨桿和金屬網(wǎng)的規(guī)格和支護要求與初次支護相同；內(nèi)注漿錨桿采用無縫鋼管制作，規(guī)格為φ22 mm×2400 mm，端頭錨固，錨固力不低于100 kN。兩幫金屬網(wǎng)要與底板反底拱中上層金屬網(wǎng)相連，形成一體，然后噴漿封閉，噴厚30～40 mm，保證內(nèi)注漿錨桿的孔口外露20～30 mm。

底板內(nèi)注漿錨桿規(guī)格為φ22 mm×500 mm，間排距800 mm×800 mm，如底板成孔困難，則采用自鉆式內(nèi)注漿錨桿，錨桿規(guī)格為φ28 mm×500mm，間排距為1000 mm×1000 mm，每個斷面布置5～6 根內(nèi)注漿錨桿。采用砂漿抹面封孔（或利用噴漿回彈料和噴漿料封孔），保證內(nèi)注漿錨桿孔口外露20～30 mm。

利用頂、幫、底中布置的內(nèi)注漿錨桿進行全斷面注漿加固。注漿材料主要采用單液水泥-水玻璃漿液，水灰比控制在0.8～1.0，水玻璃的摻量為水泥用量的3～5%，注漿壓力控制在1.5～3.0MPa。如圍巖嚴重風(fēng)化，注漿可導(dǎo)致圍巖發(fā)生膨脹變形，或圍巖裂隙細小，水泥漿液無法注入時，可采用超細水泥漿液或化學(xué)漿液（如馬麗散）進行全斷面注漿加固。

完成全斷面注漿加固后，再對頂幫噴漿以覆蓋外露的錨桿尾端，總噴厚100 mm 左右。

4 總結(jié)

在對上述巷道實施上述加固支護后，通過近四個月的位移監(jiān)測表明：巷道頂板、底板和兩幫的收斂變形與原支護方案相比有了明顯的減小，頂板最大移進量為73mm，兩幫的最大移進量為68＼mm；監(jiān)測期間，變形速度由3mm/d 逐漸減至0.02mm/d，趨于穩(wěn)定；巷道沒有發(fā)生明顯的頂板下沉、噴層開裂及底鼓等現(xiàn)象，為礦井的高產(chǎn)高效及加快巷道的開拓與修復(fù)速度提供了保證。

新的支護方案，減輕了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)的安全性，改善了礦井的運輸條件，且為該礦區(qū)及國內(nèi)類似條件下巷道支護問題提供了一條很好的技術(shù)途徑，因此具有很好的社會效益。

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