復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域軟巖層巷道圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

范明建

(1．天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2．煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)分院，北京 100013)

煤系地層是典型的沉積巖層，在成煤過(guò)程和成煤后期地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的作用下，煤系地層中極易形成褶曲、斷層、陷落柱、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)地層的穩(wěn)定性、圍巖的完整性和應(yīng)力賦存環(huán)境造成極大的影響。在煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中揭露的地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域，圍巖多具有節(jié)理裂隙發(fā)育、完整性差、應(yīng)力賦存環(huán)境復(fù)雜、巷道支護(hù)難度大等特點(diǎn)。目前，我國(guó)煤礦復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域巷道掘進(jìn)多以“錨網(wǎng)索+鋼棚”聯(lián)合支護(hù)為主，由于錨桿支護(hù)在裂隙發(fā)育的破碎圍巖中難以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，錨桿的主動(dòng)支護(hù)作用無(wú)法發(fā)揮。即使棚式支護(hù)提供的支護(hù)阻力能夠維持淺部破碎圍巖的穩(wěn)定，但是在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下，鋼棚支架所承受的載荷極不均勻，巷道“錨網(wǎng)索+鋼棚”支護(hù)系統(tǒng)難以有效控制圍巖的變形破壞，局部區(qū)域巷道冒頂和圍巖垮塌現(xiàn)象嚴(yán)重[1-3]。

隨著對(duì)煤礦巷道圍巖控制技術(shù)精細(xì)化研究的不斷深入，預(yù)應(yīng)力錨桿(索)作為一種有效的主動(dòng)支護(hù)形式在困難復(fù)雜巷道支護(hù)工程中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域破碎圍巖的巷道錨桿支護(hù)技術(shù)，其關(guān)鍵在于如何在破碎圍巖中實(shí)現(xiàn)錨桿(索)的可靠錨固和支護(hù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散[4-7]。論文針對(duì)小回溝煤礦地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域軟巖層巷道圍巖賦存條件，在巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)定、破碎圍巖可錨性試驗(yàn)、軟巖層巖石黏土礦物成分分析的基礎(chǔ)上，提出“強(qiáng)力錨桿初始支護(hù)+破碎圍巖注漿加固+高預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)”的巷道支護(hù)與圍巖加固方案，優(yōu)化錨桿支護(hù)構(gòu)件形式與關(guān)鍵施工工藝，有效解決了地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域礦井永久巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定問(wèn)題，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

1 地質(zhì)條件與圍巖賦存環(huán)境

1.1 頂?shù)装鍘r層分布狀況

小回溝煤礦位于山西省清徐縣，可采煤層為石炭系山西組03號(hào)煤層、2號(hào)煤層、5號(hào)煤層和太原組6號(hào)煤層、8號(hào)煤層、9號(hào)煤層。首采煤層為山西組03煤和2煤，煤層頂?shù)装宥酁閺?fù)合巖層，巖石結(jié)構(gòu)破碎，鉆孔取芯率低于30%。首采區(qū)域?qū)?yīng)地面為山川，蓋山厚度變化大，落差達(dá)300 m以上，巷道埋深400～700 m。礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，一水平大巷掘進(jìn)期間，揭露大量斷層和陷落柱、小型褶曲與向斜背斜構(gòu)造交替產(chǎn)出，圍巖節(jié)理裂隙極為發(fā)育，巷道支護(hù)難度大。礦井首采區(qū)域綜合柱狀情況見表1。礦井大巷沿03煤和2煤掘進(jìn)，煤層傾角0～13°。從頂?shù)装鍘r性來(lái)看，03煤直接頂以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，03煤與2煤間距平均6.89 m，主要為砂質(zhì)泥巖和泥巖，2煤底板為中細(xì)砂巖和泥巖。

1.2 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試與評(píng)估

采用單孔多參數(shù)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)[8]，對(duì)首采區(qū)域圍巖應(yīng)力環(huán)境和巖體強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。巷道圍巖最大水平主應(yīng)力11.94～21.22 MPa，最小水平主應(yīng)力6.84～10.87 MPa，垂直主應(yīng)力為9.53～16.96 MPa，屬于中等-高地應(yīng)力水平，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹NE方向。多數(shù)巷道圍巖內(nèi)部存在大量的原生裂隙和明顯的空洞，如圖1(a)所示鉆孔位于2煤頂板砂質(zhì)泥巖，5.5 m以深塌孔。選擇沒有塌孔的鉆孔進(jìn)行圍巖強(qiáng)度測(cè)定，如圖1(b)所示鉆孔0～3.3 m為2煤頂板泥巖和細(xì)粒砂巖，平均礦壓強(qiáng)度41.95 MPa；3.3～4.2 m為03煤層，平均強(qiáng)度10.53 MPa；4.2～10.6 m為03煤頂板砂質(zhì)泥巖，平均強(qiáng)度26.35 MPa。圍巖強(qiáng)度受節(jié)理裂隙影響顯著，強(qiáng)度曲線波動(dòng)較大。

表1 礦井首采區(qū)域綜合柱狀情況

圖1 頂板圍巖強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

1.3 可錨性試驗(yàn)與黏土礦物成分分析

對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育的軟巖層進(jìn)行圍巖可錨性試驗(yàn)，是判斷巷道能否采用錨桿支護(hù)方式的前提。對(duì)于錨固效果差的破碎煤巖體，應(yīng)通過(guò)優(yōu)化錨固結(jié)構(gòu)與錨固參數(shù)實(shí)現(xiàn)可靠錨固。通過(guò)對(duì)井下直徑Φ22 mm、長(zhǎng)度2 400 mm，屈服強(qiáng)度335 MPa螺紋鋼錨桿和直徑Φ17.8 mm，長(zhǎng)度6.3 m錨索進(jìn)行拉拔力試驗(yàn)，判斷錨固效果。端錨錨桿(1支K2350錨固劑)平均拉拔力為71.2 kN，加長(zhǎng)錨固錨桿(1支K2350+1支Z2360錨固劑)拉拔力均>125 kN；直徑Φ17.8 mm錨索采用1支K2350錨固劑時(shí)，平均拉拔力63.5 kN，采用1支K2350和2支Z2360錨固劑時(shí)，拉拔力均>200 kN，基本滿足《中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(MT146.1—2002)》中對(duì)錨桿錨固力規(guī)定值的要求。

采用X射線衍射定量分析法對(duì)巷道圍巖黏土礦物成分與含量進(jìn)行分析。03煤與2煤頂?shù)装迳百|(zhì)泥巖與泥巖中的黏土礦物含量平均達(dá)54.8%，黏土中以伊蒙混層、伊利石和高嶺石為主，平均絕對(duì)含量達(dá)到21.51%、8.6%和28.29%。根據(jù)高嶺石的遇水軟化特性，判斷巖層具有較強(qiáng)的遇水軟化特性和明顯的易風(fēng)化特征。

2 支護(hù)原則與總體方案

圖2 錨桿支護(hù)應(yīng)力在不同圍巖結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散狀態(tài)

針對(duì)礦井地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域圍巖條件與裂隙發(fā)育狀況，結(jié)合現(xiàn)有巷道錨桿支護(hù)與圍巖加固研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[9-13]，確定巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)原則。①斷面優(yōu)化原則。地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域圍巖普遍破碎，應(yīng)選擇自穩(wěn)性能好、承載能力強(qiáng)的拱形斷面，降低巷道維護(hù)難度。②圍巖即時(shí)封閉原則。巖層中高嶺石含量高，遇水軟化特征明顯，圍巖揭露后及時(shí)噴漿封閉圍巖，減少軟巖層風(fēng)化崩解程度。③破碎圍巖結(jié)構(gòu)恢復(fù)原則。破碎圍巖的節(jié)理裂隙阻礙了錨桿(索)支護(hù)應(yīng)力在圍巖中的有效傳遞(圖2)，只有在恢復(fù)圍巖完整性的前提下，其主動(dòng)支護(hù)作用才能得到有效發(fā)揮。④錨固結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則。對(duì)錨桿(索)進(jìn)行全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固，一方面可以提高錨桿在軟巖層破碎圍巖中的錨固可靠性；另一方面，全長(zhǎng)錨固可隔絕鉆孔內(nèi)部空氣(水氣)與圍巖的接觸，減輕軟巖層巷道圍巖的風(fēng)化崩解和軟化程度。⑤強(qiáng)護(hù)表與預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。對(duì)于松散破碎圍巖巷道錨桿支護(hù)易在巷道表面形成“網(wǎng)兜”“鼓包”，為此錨桿的組合構(gòu)件應(yīng)具備護(hù)表面積大、剛度大、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，擴(kuò)大錨桿支護(hù)應(yīng)力的擴(kuò)散范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿間圍巖的主動(dòng)支護(hù)。

根據(jù)破碎圍巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原則，確定采用“強(qiáng)力錨桿初始支護(hù)+破碎圍巖注漿加固+高預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)”的圍巖控制方法，對(duì)礦井復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域的軟巖層破碎圍巖進(jìn)行有效控制。巷道開挖后，及時(shí)噴漿封閉表面圍巖，打設(shè)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿(索)主動(dòng)控制圍巖的初期變形，避免掘進(jìn)期間圍巖“漏、冒”現(xiàn)象的發(fā)生；然后對(duì)破碎圍巖進(jìn)行注漿加固，在恢復(fù)圍巖完整性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)，提高支護(hù)系統(tǒng)的整體可靠性；最后待圍巖變形穩(wěn)定后復(fù)噴成巷。

3 井下試驗(yàn)與關(guān)鍵參數(shù)

礦井西翼輔運(yùn)大巷沿2煤頂板掘進(jìn)，與回風(fēng)大巷、運(yùn)輸大巷間煤柱寬度分別為34 m和25 m，原設(shè)計(jì)巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬度6.24 m，高度4.57 m，“錨網(wǎng)噴”聯(lián)合支護(hù)。巷道掘進(jìn)時(shí)揭露大量斷層、褶曲、向斜、背斜、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，圍巖控制難度大，掘進(jìn)期間兩幫移近量1 200 mm，底鼓800 mm，圍巖漏冒嚴(yán)重。為提高巷道支護(hù)效果，確保大巷圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定，需對(duì)巷道關(guān)鍵圍巖控制方法與關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)前文確定的礦井復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域破碎圍巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原則，在滿足運(yùn)輸和通風(fēng)需要的前提下，將斷面優(yōu)化為利于破碎圍巖穩(wěn)定的拱形斷面，巷道開挖并及時(shí)初噴后，采用“強(qiáng)力錨桿初始支護(hù)+破碎圍巖注漿加固+高預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)”相結(jié)合的圍巖綜合控制技術(shù)(圖3)。選用直徑Φ22 mm、長(zhǎng)度2 400 mm、屈服強(qiáng)度335 MPa的螺紋鋼錨桿，每排15根，間距0.9 m，排距0.9 m，全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固，錨桿安裝扭矩300～350 Nm，預(yù)緊力50～70 kN。選擇長(zhǎng)度450 mm、寬280 mm、厚4 mm的雙向四肋W鋼護(hù)板作為錨桿的組合構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)對(duì)破碎圍巖的初始主動(dòng)支護(hù)。在地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域，采取破碎圍巖注漿加固的方法恢復(fù)圍巖的完整性和自承能力，注漿材料以較低水灰比的加固類水泥漿液為主，按照“從下到上、先幫后頂”的順序進(jìn)行圍巖注漿。漿液選用425#硅酸鹽超細(xì)水泥+XPM添加劑，漿液水灰比0.6∶1，最大程度減輕漿液中水對(duì)巖層中砂質(zhì)泥巖和泥巖強(qiáng)度的影響。選用直徑Φ21.8 mm，1×19股煤礦專用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，排距1.8 m，每排7根，拱頂、兩肩、肩角和兩幫各布置1根，頂錨索長(zhǎng)度7.3 m，幫錨索長(zhǎng)度5.3 m，錨索鎖定張拉力250～300 kN。

圖3 巷道支護(hù)參數(shù)示意圖

4 巷道礦壓與支護(hù)效果評(píng)價(jià)

1) 圍巖表面位移。如圖4(a)所示，巷道掘進(jìn)期

間兩幫移近量186 mm，是巷道寬度的2.98%；頂?shù)滓平?18 mm，是巷道掘進(jìn)高度的2.58%，其中頂板下沉48 mm，底鼓70 mm。巷道掘進(jìn)后距迎頭50 m范圍內(nèi)圍巖變形速度較快，距迎頭90 m以后基本趨于穩(wěn)定，巷道整體收斂率低于3%。

2) 頂板離層。采用頂板位移傳感器進(jìn)行離層監(jiān)測(cè)，淺部離層15 mm，深部離層8 mm。淺部離層相對(duì)較大，與圍巖結(jié)構(gòu)破碎有直接關(guān)系。

3) 錨桿受力。如圖4(b)所示，采用應(yīng)力傳感器對(duì)錨桿受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，穩(wěn)定后的錨桿受力值集中在50～70 kN之間，是桿體屈服載荷的40%～55%。肩部錨桿較幫部和拱頂錨桿受力值大且受力變化幅度相對(duì)較大，錨桿受力在距迎頭50～60 m后基本趨于穩(wěn)定。

4) 圍巖結(jié)構(gòu)。采用鉆孔窺視的方法對(duì)變形穩(wěn)定后的圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，采用“強(qiáng)力錨桿初始支護(hù)+破碎圍巖注漿加固+高預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)”圍巖控制方法能夠有效控制圍巖的變形破壞，并且注漿加固有效恢復(fù)了圍巖的完整性，有利于圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖4 巷道礦壓監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié) 論

1) 礦井地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域巷道圍巖賦存環(huán)境復(fù)雜，巷道圍巖具有節(jié)理裂隙發(fā)育、自身承載能力差、錨固可靠性低、受臨近采掘影響劇烈的特點(diǎn)。小回溝礦首采區(qū)域處于中等-高地應(yīng)力水平，巖層含有大量斷層、褶曲和陷落柱，圍巖結(jié)構(gòu)完整性差，頂?shù)装鍘r石中黏土礦物含量高，伊蒙混層和高嶺石絕對(duì)含量均達(dá)到20%以上，極易風(fēng)化崩解，圍巖控制難度大。

2) 在優(yōu)化錨固結(jié)構(gòu)，保證圍巖可靠錨固的基礎(chǔ)上，采用“強(qiáng)力錨桿支護(hù)+破碎圍巖注漿加固+高預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)”的圍巖控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)破碎圍巖的主動(dòng)有效控制。巷道開挖后，及時(shí)采用“錨網(wǎng)噴”聯(lián)合支護(hù)，錨桿全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固和強(qiáng)力護(hù)表構(gòu)件的使用，提高了支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖的主動(dòng)支護(hù)能力，在對(duì)破碎圍巖注漿加固恢復(fù)完整性的前提下，采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3) 將矩形斷面優(yōu)化為自穩(wěn)能力強(qiáng)的拱形斷面，減少了掘進(jìn)期間破碎圍巖“漏冒”現(xiàn)象，降低了圍巖控制難度。巷道開挖后及時(shí)封閉圍巖，隔絕了空氣中水對(duì)圍巖的風(fēng)化崩解程度，避免了高黏土礦物含量軟巖層圍巖的持續(xù)軟化。

4) “強(qiáng)力錨桿支護(hù)+破碎圍巖注漿加固+高預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)”的圍巖控制方法，為礦井復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域軟巖層巷道圍巖控制難題提供了解決途徑，礦井西翼輔運(yùn)大巷圍巖在距迎頭90 m后穩(wěn)定，斷面整體收斂率低于3%，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域軟巖層巷道圍巖的有效控制。