易崩解弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)實(shí)踐及其監(jiān)測(cè)分析

郭亮亮

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)， 山西 靈石 031300）

1 工程概況

1.1 煤層圍巖巖性分析

對(duì)某礦泥巖進(jìn)行吸水率試驗(yàn)時(shí)，觀察到以下現(xiàn)象：自然狀態(tài)下的泥巖在浸水后幾分鐘便可看到有氣泡從試件表面冒出，說(shuō)明泥巖微裂隙、孔隙在吸水排出空氣。在水作用下，泥巖表面的微裂隙開(kāi)始慢慢擴(kuò)展，氣泡也越冒越多，伴隨有“滋滋”響聲。到30 min左右，看不見(jiàn)的微裂隙在水的作用下貫通為數(shù)條縱向裂縫，巖石破壞嚴(yán)重，完整性無(wú)法繼續(xù)保持。6 h后，試件已經(jīng)成碎塊狀，靠容器側(cè)壁支撐，一段時(shí)間后泥巖被侵蝕崩解最后泥化。

某礦的頂?shù)装鍘r性主要為泥質(zhì)、泥質(zhì)類砂巖，組成顆粒十分微小。微小顆粒在吸水后可形成很厚的水化膜吸附層，引起巖石內(nèi)部不均勻性膨脹，致使泥質(zhì)巖類內(nèi)部產(chǎn)生的力不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生大量的微裂隙，微裂隙的產(chǎn)生又促進(jìn)了水繼續(xù)與巖體內(nèi)部的黏粒發(fā)生作用，形成一個(gè)惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致泥質(zhì)巖類天然內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生膨脹崩解。

巷道開(kāi)挖后，圍巖暴露在空氣中，與空氣中的水、生產(chǎn)用水及頂板淋水接觸發(fā)生作用，導(dǎo)致巖體膨脹、崩解，巖體強(qiáng)度隨時(shí)間增加而降低，巷道薄弱部位首先產(chǎn)生明顯大變形；如不及時(shí)支護(hù)，進(jìn)而形成局部松動(dòng)破碎區(qū)，失去承載力[1-3]。巷道底板，處于開(kāi)放無(wú)約束狀態(tài)時(shí)，由于施工原因底板常有積水，水沿底板裂隙、孔隙滲入巖體，導(dǎo)致巖體由淺及深逐漸軟化、膨脹，底板的強(qiáng)度降低，若處理不好，會(huì)影響到兩幫及頂板的穩(wěn)定性[4]。

1.2 原巷道支護(hù)方案

礦井目前有兩個(gè)開(kāi)采水平（+826 m水平和+660 m水平），巷道埋深最淺110 m，最深達(dá)360 m左右。采區(qū)內(nèi)無(wú)強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)，只有一些較小的斷層構(gòu)造。巷道開(kāi)挖斷面為直墻半圓拱斷面，采用正臺(tái)階法開(kāi)挖?，F(xiàn)用支護(hù)形式為：臨時(shí)支護(hù)形式采用吊環(huán)式前探梁支護(hù)；永久支護(hù)形式為二次錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)，錨桿為長(zhǎng)度2.4 m，直徑20 mm全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，間排距800 mm×800 mm，二次支護(hù)錨桿與一次支護(hù)錨桿成五花布置；錨索規(guī)格為Φ15.24 mm×6 300 mm，間排距2 000 mm×1 600 mm。

1.3 支護(hù)存在的問(wèn)題

1）開(kāi)挖后不及時(shí)封閉圍巖。目前巷道開(kāi)挖時(shí)的臨時(shí)支護(hù)主要采用吊環(huán)式前探梁，緊接著一次錨網(wǎng)索支護(hù)，不能及時(shí)進(jìn)行初噴和一次噴漿。前探梁臨時(shí)支護(hù)方式對(duì)于護(hù)頂有一定作用，但是不能起到封閉圍巖、對(duì)表面圍巖施加壓應(yīng)力的作用，使得開(kāi)挖后的表面圍巖在單向力的作用下逐漸破碎剝落。

2）支護(hù)參數(shù)與圍巖強(qiáng)度不耦合。支護(hù)參數(shù)的確定應(yīng)綜合考慮地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造和圍巖狀態(tài)，保證圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的耦合。支護(hù)參數(shù)的確定從低地應(yīng)力狀態(tài)到高地應(yīng)力狀態(tài)一直未變，從而在有的巷道段支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖變形、強(qiáng)度不能耦合，造成了支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。

3）二次支護(hù)時(shí)間不予控制。在一次支護(hù)后，往往隨機(jī)進(jìn)行二次支護(hù)，不能嚴(yán)格控制二次支護(hù)與一次支護(hù)的時(shí)間間隔，導(dǎo)致的結(jié)果是：支護(hù)過(guò)早，圍巖變形能未完全釋放，變形導(dǎo)致噴層開(kāi)裂、錨網(wǎng)鼓出等；支護(hù)過(guò)晚，巷道變形增大，圍巖破碎加重。

2 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

針對(duì)礦井易崩解弱膠結(jié)軟巖巷道的支護(hù)現(xiàn)狀，對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

2.1 21-1煤層回風(fēng)大巷支護(hù)方案優(yōu)化

21-1煤層回風(fēng)大巷位于21-1煤層中，圍巖性質(zhì)良好，埋深較淺（100～260 m），地應(yīng)力水平較小，區(qū)域內(nèi)無(wú)不良地質(zhì)。在巷道礦壓監(jiān)測(cè)中可以發(fā)現(xiàn)其變形量很?。敯逑鲁亮吭?0 mm以內(nèi)，兩幫相對(duì)移近量在25 mm以內(nèi)），圍巖在變形過(guò)程中表現(xiàn)為彈塑性變形，支護(hù)參數(shù)有很大富余，造成了支護(hù)材料的浪費(fèi)，具有很大的優(yōu)化空間。其優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)如下：

1）錨桿間排距改為900 mm×900 mm，拱部錨桿型號(hào)不變，兩幫錨桿改為長(zhǎng)度為1.8 m，直徑為18 mm的全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，錨固長(zhǎng)度采用1.0 m。錨索改為三花布置。

2）臨時(shí)支護(hù)采用初噴和吊環(huán)式前探梁。初噴必須及時(shí)，在巷道開(kāi)挖后立即進(jìn)行初噴，以減少表面圍巖的單向受力破碎和崩解等。

3）增加底角錨桿，底角錨桿打入角度與水平保持20°～30°之間。

2.2 23-2煤層輔運(yùn)大巷下半段支護(hù)方案優(yōu)化

23-2煤層輔運(yùn)大巷處于23-2煤層中，圍巖性質(zhì)較差，下半段埋深在280～360 m之間，埋深較深，地應(yīng)力水平較大，區(qū)域內(nèi)有弱斷層。在巷道礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可知其變形量較大（頂板下沉量平均在80 mm，兩幫相對(duì)移近量平均在70 mm，底臌量在100 mm左右），表面圍巖破碎，網(wǎng)片多有撕裂，噴層開(kāi)裂脫落，錨桿、錨索被拉斷、剪斷現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化：

1）錨桿間排距改為600 mm×600 mm，錨桿規(guī)格改為20 mm×2 400 mm熱軋細(xì)牙等強(qiáng)螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿（這種錨桿螺紋較密，施加預(yù)緊力大，可有效緩解錨桿的松弛作用），錨固長(zhǎng)度采用1.0 m。錨索間排距改為1 600 mm×1 600 mm，關(guān)鍵部位（如交叉點(diǎn)，大斷面處）需再增加錨索。錨網(wǎng)由鐵絲捆扎改為鋼筋網(wǎng)彎折搭接，增加鋼筋網(wǎng)的抗性和剛度。

2）臨時(shí)支護(hù)采用初噴和吊環(huán)式前探梁。初噴必須及時(shí)，在巷道開(kāi)挖后立即進(jìn)行初噴，以減少表面圍巖的單向受力破碎和崩解等。

3）增加底角錨桿，底角錨桿打入角度與水平保持20°～30°之間。

4）嚴(yán)格控制二次支護(hù)時(shí)間。合理的二次支護(hù)時(shí)間段為10～15 d，在支護(hù)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制二次支護(hù)的時(shí)間，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。

3 巷道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

合理的支護(hù)參數(shù)不是保證巷道穩(wěn)定性的唯一因素，地下工程受地質(zhì)條件、地應(yīng)力作用、施工方法及支護(hù)時(shí)間等諸多因素的影響，因此，在合理的支護(hù)參數(shù)下仍需要進(jìn)行巷道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，用以評(píng)價(jià)支護(hù)效果，并收集數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步的優(yōu)化提供第一手資料，從而更好地指導(dǎo)生產(chǎn)[5]。

本次監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括：表面圍巖收斂量（頂板下沉量、兩幫相對(duì)移近量和底臌量）；頂板及兩幫內(nèi)部位移量。

3.1 表面圍巖收斂量測(cè)及分析

測(cè)點(diǎn)布置：在巷道兩幫和頂?shù)装宸謩e打30 cm鉆孔，然后放入凝固劑，并將事先準(zhǔn)備好的一端帶圓環(huán)的短鋼筋放入攪拌凝固。然后在優(yōu)化后的巷道段，每隔30 m布置一測(cè)站，對(duì)其進(jìn)行量測(cè)。

21-1煤層回風(fēng)大巷及23-2煤層輔運(yùn)大巷典型測(cè)站收斂曲線圖及收斂速率曲線圖分別見(jiàn)圖1、圖2、圖3及下頁(yè)圖4。

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及曲線圖來(lái)看，巷道頂板最大變形量在40 mm，兩幫相對(duì)移近量最大為35 mm，底臌量最大為45 mm，變形速率在5 d左右有明顯下降，到12 d左右已經(jīng)穩(wěn)定在一個(gè)較低值，巷道趨于穩(wěn)定，優(yōu)化后的支護(hù)效果良好。

3.2 圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)

圖1 21-1煤層回風(fēng)大巷圍巖收斂曲線

圖2 21-1煤層回風(fēng)大巷圍巖變形速率曲線

圖3 23-2煤層輔運(yùn)大巷圍巖收斂曲線

圍巖內(nèi)部位移是客觀反映巖體松動(dòng)范圍、離層量大小及判斷圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，內(nèi)部位移的量測(cè)主要通過(guò)位移計(jì)來(lái)進(jìn)行的。礦井使用的位移計(jì)為兩點(diǎn)式位移計(jì)，分別測(cè)量2 m和6 m范圍內(nèi)的圍巖內(nèi)部位移量。如表1所示。

圖4 23-2煤層輔運(yùn)大巷圍巖變形速率曲線

表1 巷道圍巖內(nèi)部位移

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上來(lái)看，21-1煤層回風(fēng)大巷和23-2煤層輔運(yùn)大巷的頂板離層量均較小，主要為淺部錨桿錨固范圍內(nèi)的離層。這是因?yàn)橐淮沃ёo(hù)期內(nèi)，淺部圍巖在釋放變形能的過(guò)程中，有部分圍巖產(chǎn)生破碎，與較深部圍巖產(chǎn)生離層。從頂板離層量來(lái)看，巷道頂板穩(wěn)定性良好，支護(hù)效果明顯[6]。

另外，在現(xiàn)場(chǎng)的巡查中發(fā)現(xiàn)巷道表面噴層裂紋、漿皮脫落，錨網(wǎng)撕裂，錨桿（錨索）被拉斷、剪斷的現(xiàn)象明顯減少。

4 結(jié)論

易崩解弱膠結(jié)軟巖是新疆伊犁地區(qū)常見(jiàn)的巖性之一，目前，對(duì)于該類軟巖的研究還不夠深入，在現(xiàn)有的煤礦開(kāi)挖過(guò)程中一般采用工程類比和硬巖經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，不能因地制宜，適用性較差，在實(shí)際施工中常常出現(xiàn)問(wèn)題而不能及時(shí)解決。因此，對(duì)該類軟巖巷道變形特點(diǎn)、支護(hù)理論和支護(hù)技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。