正幫煤業(yè)輔運大巷圍巖失穩(wěn)破壞規(guī)律及控制技術(shù)研究

高嘉駿

（山西汾西礦業(yè)集團公司正幫煤業(yè)，山西 孝義 032300）

1 工程概況

山西汾西礦業(yè)正幫煤業(yè)有限公司目前正在進行11#煤層的采掘工作，11#煤層厚度2.5～4.8m，平均厚度4.0m，可采指數(shù)為1，煤層傾角2～8°，平均4°。煤層頂?shù)装鍘r性特征詳見表1。正在掘進的東西輔運大巷沿11#煤層布置，原有支護方式為錨網(wǎng)噴支護，在掘進生產(chǎn)實踐過程中，由于地質(zhì)構(gòu)造、老窯破壞區(qū)等因素，支護后圍巖出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，采用原有支護方案難以滿足巷道支護要求，必須展開其圍巖支護技術(shù)的研究。

表1 頂?shù)装鍘r性特征表

2 東西輔運大巷原有支護及存在的問題

2.1 原有支護方案

11#煤層?xùn)|西輔運大巷斷面為半圓拱形，支護后凈寬4.6m，直墻高1.6m，拱高1.9m，支護方式為錨網(wǎng)噴支護，采用規(guī)格為Ф18mm×2000mm的螺紋鋼錨桿。錨桿間排距為1000×1000mm，每個斷面共11根錨桿均垂直巷道表面施工，沿巷道中心線對稱布置，錨固劑為一支Z 2360樹脂藥卷，錨桿托盤采用120×120×10mm的碟形鋼托盤。頂板錨索采用Ф17.8mm×7000mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，沿巷道中心線對稱布置，每排兩根，間排距為2400×2000mm，托盤采用 400×400×10mm的碟形鋼托盤，錨固劑為K2455、Z2455型號樹脂藥卷各一支。頂網(wǎng)采用由直徑為10mm圓鋼鋼筋制成的網(wǎng)孔為150×150mm的焊接網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為5200×1100mm。東西輔運大巷圍巖表面噴射厚度約為100mm的C20水泥混凝土。東西輔運大巷的支護斷面如圖1所示。

圖1 東西輔運大巷的支護斷面圖

2.2 圍巖位移特征及失穩(wěn)原因

11#煤層?xùn)|西輔運大巷在其掘巷早期布置圍巖表面位移和錨桿受力監(jiān)測站，進行了20d的監(jiān)測，整理后得到圖2所示的結(jié)果。根據(jù)圖2（a）所示的圍巖位移曲線可得，東西輔運大巷成巷后，巷道圍巖變形十分劇烈，成巷20d后，兩幫的移近量已達103mm，頂?shù)装逑鲁亮窟_148mm，頂板和兩幫的變形速度仍大于7mm/d，整體來說圍巖穩(wěn)定性較差，巷道支護能力不足。根據(jù)圖2（b）所示的錨桿受力曲線可得，成巷后7d內(nèi)錨桿受力的增加速度較快，之后錨桿受力增加緩慢，頂板錨桿的受力最大，達到40kN，錨桿載荷沒有達到屈服點的50%[1-2]，說明支護強度不夠，存在冒頂?shù)奈ｋU。綜上分析可知，原有支護方案支護強度不能夠有效地控制圍巖位移，需提高其支護強度。

圖2 東西輔運大巷圍巖變形特征

3 東西輔運大巷技術(shù)研究

11#煤層?xùn)|西輔運大巷圍巖失穩(wěn)破壞很重要的原因是支護強度不足，并且底板未采取有效的支護措施。查閱相關(guān)的研究成果[3-4]，參考類似地質(zhì)條件下巷道的支護實例，設(shè)計采用錨網(wǎng)索噴+反底拱錨注聯(lián)合支護方案對東西輔運大巷進行支護。優(yōu)化后的支護參數(shù)：錨桿直徑由原來的18mm增加到20mm，錨桿長度為2000mm，材質(zhì)為左旋無縱筋螺紋鋼，錨桿間排距減小為800×800mm，靠近底板的一排錨桿俯角為15°，錨固劑采用K2455型（內(nèi)）、Z2455型（外）樹脂錨固劑各一支，錨固深度1.1m，預(yù)緊力不小于50kN，錨桿間鋼筋梯子梁由Ф10mm的Q235鋼筋焊制，金屬網(wǎng)采用由直徑6mm鐵絲加工的邊長為50mm的矩形鋼筋網(wǎng)，托盤采用120×120×10mm碟形鋼托盤；頂板錨索采用Ф15.24×7000mm鋼絞線錨索，每排兩根，沿巷道中心線對稱布置，間排距為1600×1600mm，每間隔兩排錨桿安裝一排錨索，錨固劑采用K2455型（內(nèi)）、Z2455型（外）樹脂藥卷各一支，錨固長度1.6m，預(yù)緊力不小于100kN；完成以上支護后，在圍巖表面噴射100mm厚的C20混凝土。

11#煤層?xùn)|西輔運大巷底板為泥巖，不僅厚度較大，且圍巖性質(zhì)較差，因此設(shè)計采用混凝土反底拱錨注聯(lián)合支護技術(shù)。首先對底板進行臥底，使底板形成類似反拱的形狀，沿反底拱預(yù)埋底板曲梁；與此同時在底板安裝Ф22mm×1400mm的注漿錨桿，間排距為1600×1600mm，注漿材料為ZKD高水速凝材料，水灰比為1.5:1，注漿壓力根據(jù)底板巖層破碎情況進行調(diào)整，一般為2～4MPa；底板鋪設(shè)金屬網(wǎng)，最后澆筑水泥混凝土形成一個平面，混凝土上部空頂處用碎石子填充。東西輔運大巷錨網(wǎng)索噴+反底拱錨注支護詳情如圖3所示。

圖3 東西輔運大巷錨網(wǎng)索噴+反底拱錨注支護斷面圖

4 應(yīng)用效果

為考察正幫煤業(yè)11#煤東西輔運大巷支護的效果，針對采用支護優(yōu)化方案的巷段，分別進行了圍巖表面位移和錨桿受力監(jiān)測。如圖4、圖5所示。

圖4 圍巖位移監(jiān)測結(jié)果

圖5 錨桿受力監(jiān)測結(jié)果

分析觀測結(jié)果可以看出，巷道圍巖在10d內(nèi)變形量和變形速度較大，隨后圍巖的變形速度逐漸趨于0，頂?shù)装謇塾嬜冃瘟孔畲蠹s為75mm，兩幫累計移近量約為42mm，整體來說，圍巖穩(wěn)定性較好。根據(jù)圖5所示的錨桿受力曲線可知，成巷前3～4d內(nèi)錨桿受力增加最為明顯，10d后錨桿的受力趨于平穩(wěn)，兩幫錨桿受力約為60kN，頂板錨桿受力約為70kN，錨桿受力均大于屈服點的50%而小于80%，屬于錨桿較為理想的受力狀態(tài)。綜上可知，11#煤層?xùn)|西輔運大巷采用優(yōu)化后的支護方案，圍巖穩(wěn)定性良好，取得了顯著的應(yīng)用效果。