大陽煤礦西翼行人大巷破碎圍巖加固技術(shù)研究

杜斌斌

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 大陽煤礦，山西 晉城 048003）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟技術(shù)的快速發(fā)展以及對能源需求的不斷增長，我國煤炭的開采程度不斷加深，導致深部巷道圍巖變形問題引起的災害事故愈加嚴重。為了保證礦井的安全生產(chǎn)，提高社會效益、經(jīng)濟效益，減小巷道的圍巖應力，增加巷道圍巖的穩(wěn)定性，選擇合理的支護方式，應加強煤巖體的結(jié)構(gòu)觀察。通過分析頂板的各種層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育情況，判斷其頂板的完整性和穩(wěn)定性，并在地下開采活動中使用錨桿錨索協(xié)調(diào)支護技術(shù)，以加強巷道圍巖穩(wěn)定控制。目前我國巷道圍巖控制技術(shù)主要有5類。分別為表面支護、錨固、改性、卸壓及聯(lián)合控制技術(shù)。

謝俊在針對五陽煤礦7607 回風巷破碎圍巖巷道支護技術(shù)研究中，運用FLAC3D 模擬軟件進行支護參數(shù)的模擬，提出錨網(wǎng)索聯(lián)合支護的方案；李樹剛等針對余吾煤業(yè)南二采區(qū)S2206 工作面進風巷處于大規(guī)模松軟破碎圍巖中，運用UDEC 數(shù)值計算軟件，揭示了破碎圍巖動壓巷道的變形破壞機制，提出了相應的控制對策，并結(jié)合現(xiàn)場實際，提出了基于錨索與注漿的支護加固方案；孟慶彬等針對大斷面軟弱破碎圍巖煤巷變形破壞特征與支護難點，提出了全斷面錨網(wǎng)索噴初次支護、高預應力錨索與錨注二次加固組成的“三錨”聯(lián)合支護技術(shù)方案；尚晨針對晉煤集團長平公司1603 綜放工作面回風巷過斷層破碎帶期間圍巖變形較大的問題，采用理論分析和現(xiàn)場實測的研究方法，對斷層破碎帶影響范圍內(nèi)巷道支護方案進行研究，提出了超前注漿加固斷層破碎帶后，采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+U 型鋼架+噴混凝土”的主被動聯(lián)合支護方案。本文針對西翼行人大巷受鄰近巷道掘進、工作面回采采動壓力的影響所造成的巷道圍巖變形，提出了合理的圍巖控制措施并進行了工業(yè)性試驗。

1 概 況

大陽煤礦3 號煤層位于山西組下部，上距K8砂巖平均43.83 m 左右，下距9 號煤層平均62.50 m 左右。煤層厚度4.63～7.15 m，平均厚6.26 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單~較簡單，一般含0~2 層夾矸，位于山西組下部，下有K7 砂巖，此煤層在井田范圍內(nèi)厚度較大，層位穩(wěn)定，為本井田穩(wěn)定可采煤層。直接頂巖性主要為泥巖、細粒砂巖，老頂巖性為淺灰色中厚層粉砂巖、中粒砂巖；底板巖性為黑灰色泥巖、粉砂巖，局部為細砂巖。

全井田3 號煤層劃分為1 個水平，+750 m 水平；3 個采區(qū)，北一、北二、南采區(qū)。礦井提升方式為膠帶式輸送機和串車，通風方式為中央分列式。主要運輸大巷采用膠帶運輸機運輸，輔助運輸采用8 t、10 t 架線式和蓄電池電機車牽引1 t 和1.5 t 礦車串車運輸，采煤方法為走向長壁與傾斜長壁相結(jié)合開采，采煤工藝全部采用綜合機械化低位放頂煤采煤，全部垮落法管理頂板，回采工作面初次來壓步距15 m，老頂周期來壓步距25 m。

3 號煤層直接頂主要為泥巖、細粒砂巖，裂隙不太發(fā)育，厚度1.90 ～6.88 m，其抗壓強度為24.37～62.07 MPa，抗拉強度為2.58～11.10 MPa，抗剪強度為4.36～9.78 MPa，屬軟質(zhì)- 堅硬巖石。老頂為淺灰色中厚層粉砂巖、中粒砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，分選性良好，含有包裹體，斜層理明顯，裂隙不太發(fā)育，厚度平均4.46 m 左右，屬堅硬巖石。底板為黑灰色泥巖、粉砂巖，局部為細砂巖，厚度平均3.50 m 左右，其抗壓強度為27.00 ～80.50 MPa，抗拉強度為5.10～13.10 MPa，屬軟質(zhì)- 堅硬巖石。

西翼行人大巷位于礦井一、二采區(qū)之間，北邊為西翼膠帶大巷，南部為3105 工作面，西部為四采區(qū)回風大巷，東部為保安煤柱，保安煤柱東邊大部分為以前的礦井采空區(qū)。西翼行人大巷沿煤層底板掘進，巷道設(shè)計斷面為梯形，中寬4.2 m，中高3 m，采用11 號工字鋼棚支護。

通過分析礦井地質(zhì)資料及采掘平面圖，并結(jié)合大陽煤礦技術(shù)人員反映及現(xiàn)場考察可知，礦井西翼行人大巷處于向斜軸附近，地應力復雜，且陷落柱較多，屬于復雜構(gòu)造地質(zhì)條件。在大巷附近有回采工作面經(jīng)過，大巷反復受動壓影響，原有工字鋼棚支護已不能控制巷道圍巖的變形，出現(xiàn)兩幫位移量大、工字鋼棚架破壞、底鼓變形持續(xù)增大等問題。由于西翼行人大巷受鄰近巷道掘進、工作面回采采動壓力的影響，其圍巖承受相當大的集中壓力影響，巖石吸水膨脹，導致局部底鼓變形量明顯，而工字鋼剛性支護為被動支護，如不改變支護方式，即使將巷道返修，也不能保證短期內(nèi)巷道的正常安全使用，施工后很快就會再次發(fā)生破壞，因此，必須采用合適的支護方式和支護參數(shù)對大巷進行修復和加固，有效控制巷道圍巖變形，確保大巷在服務(wù)期內(nèi)的安全使用。

2 巷道破壞情況分析

通過對大陽煤礦在掘巷道的調(diào)研可知，已掘巷道全部采用錨網(wǎng)、錨索聯(lián)合支護，特別是回采巷道，一般均沿煤層底板掘進，巷道頂板和兩幫均為煤層，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和與工程技術(shù)人員溝通，現(xiàn)對巷道所處不利條件作如下分析。

（1） 圍巖巖性不一致、變形不均勻，將加劇巷道圍巖的變形。巷道沿煤層底板掘進，巷道實際揭露的巖層性質(zhì)與該巷道附近鉆孔地質(zhì)柱狀圖均表明，煤層直接底為泥巖、細粉砂巖等，巖性松軟，遇水易泥化；巷道兩幫和頂板均為煤層，巷道頂板煤層厚約為3 m，巷道圍巖有明顯的流變特性，具有典型的軟巖特征。由于巷道圍巖巖性不一致，且強度相差較大，在地應力作用下，其變形破壞必定不均勻。

（2） 巷道掘進擾動加劇了巷道圍巖巖性的弱化。西翼行人大巷屬于3 面是煤、底板是巖性較差的泥巖層組成的巷道，巷道掘進擾動會進一步加劇巷道圍巖巖性的弱化，使巷道兩幫煤體和頂板巖層破碎，從而增加支護難度。

（3） 地質(zhì)構(gòu)造較多，陷落柱發(fā)育，破壞了巷道圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)三維地震勘探結(jié)果，該礦處于陷落柱發(fā)育地區(qū)，西翼行人大巷通過很多小的陷落柱和小斷層，但構(gòu)造本身導水性很弱，一般無滲水。因此，斷層和陷落柱構(gòu)造附近的巖層較為松軟破碎，巖層強度較低，錨桿支護在此類破碎頂板圍巖內(nèi)進行，支護效果較差，巷道圍巖發(fā)生變形。

（4） 錨桿擰緊力矩較小，高強預應力錨桿的支護作用未發(fā)揮出來。對新掘巷道圍巖及時進行錨桿錨索支護，并施加足夠的預緊力，可有效控制圍巖裂隙的張開，使圍巖形成次生承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖承載能力，防止發(fā)生圍巖擴容破壞，是從根本上解決高應力、大斷面巷道圍巖變形破壞的可靠方法。

3 大巷加固方案

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)、地質(zhì)條件調(diào)查，由于煤礦西翼行人大巷受陷落柱、斷層等構(gòu)造及鄰近工作面回采動壓影響，圍巖已遭到嚴重破壞，壓力大、圍巖結(jié)構(gòu)破碎松軟。大量工程實踐表明，單一的加固方法不能有效控制此類破碎圍巖的長期蠕變及進一步破壞，為保證加固效果，針對西翼行人大巷的圍巖變形提出高強錨桿、錨索+噴漿聯(lián)合加固方案。

加固施工順序為：擴巷—臨時支護—打樹脂錨桿孔—安裝樹脂錨桿—打錨索孔—安裝錨索—噴漿封閉圍巖。

西翼行人大巷加固錨桿、錨索布置示意如圖1所示。

圖1 西翼行人大巷加固錨桿、錨索布置示意Fig.1 Reinforced anchor rod and anchor cable arrangement in West Wing Pedestrian roadway

3.1 擴 巷

西翼行人大巷破壞段兩幫圍巖大都為煤體，頂板圍巖大都為煤體、細粉砂巖和泥巖，由于圍巖巖性不一致，當受到復雜高地應力和周圍工作面回采的擾動影響后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭桶l(fā)生了嚴重的變形，如果不進行處理，將影響巷道的安全使用。巷道加固既要控制巷道的大變形，又要允許巷道釋放部分變形，因此，為了防止巷道釋放部分變形時造成巷道斷面變小，影響正常使用，加固前必須對巷道進行擴寬，將巷道擴展至比原來的輪廓4 200 mm×3 000 mm 寬100 mm 后再進行加固，即擴寬后的巷道為矩形斷面，巷道尺寸為4400mm×3100mm。巷道掘進采用風鎬落煤，盡量不放炮。

3.2 臨時支護

巷道臨時支護采用前探梁托網(wǎng)、錨桿梯子梁臨時支護空頂，巷道頂板前探梁不少于3 根。

3.3 打樹脂錨桿孔

使用MQT120 錨桿鉆機打孔，鉆頭直徑為28 mm。樹脂錨桿長度定為2 200 mm，鉆孔深2 150 mm，頂板為5 根錨桿，間距為1 000 mm，兩幫各4 根錨桿，間距均為900 mm，頂幫錨桿排距均為900 mm。

巷道遇陷落柱時，首先對錨桿做拉拔力試驗，如果錨桿錨固力達到5 t 以上，則頂板錨桿增加1根，即2 錨桿間距減小200 mm，為800 mm，錨桿排距不變。如果錨桿錨固力達不到5 t，則考慮采用架工字鋼棚通過陷落柱，棚距800 mm。

3.4 安裝樹脂錨桿

連接鐵絲網(wǎng)：采用8 號鐵絲編織，相鄰鐵絲網(wǎng)之間搭接100 mm，使用10 號鐵絲鉸緊。

錨固方式：高強樹脂錨桿采用樹脂加長錨固，頂板選用2 支低粘度錨固劑，1 支規(guī)格S2360，1支規(guī)格為Z2360，錨固長度約1 269 mm；兩幫亦選用2 支低粘度錨固劑，1 支規(guī)格S2340，1 支規(guī)格為Z2340，錨固長度約846 mm。樹脂錨桿的安裝是采用旋轉(zhuǎn)安裝法，即先將2 只樹脂放入到錨桿鉆孔后，將帶有錨桿托板的錨桿插入到錨桿鉆孔內(nèi)，用錨桿鉆機一邊推進，一邊旋轉(zhuǎn)，直到將錨桿推進所要求的深度，此時錨桿鉆機不需要推進，只進行旋轉(zhuǎn)，大約旋轉(zhuǎn)20 s 后，停止鉆機，2 min 后再用鉆機或風動搬手將錨桿的壓緊螺母擰緊為止，并使用扭力扳手檢驗錨桿預緊力矩，應不小于150 N·m。

3.5 打錨索孔

高強錨索鉆孔使用MQT120 錨桿鉆機打孔，鉆頭φ28 mm，孔深700 030 mm。由于西翼行人大巷與3303 工作面回風順槽斷面相差不大，故錨索布置方案參考3303 工作面回風順槽的計算結(jié)果，錨索間距2 000 mm，排距1 800 mm，1 排2 根。

3.6 安裝錨索

原則上錨索必須緊跟迎頭施工，錨索必須垂直頂板布置。

高強錨索采用樹脂端部錨固，3 支低粘度錨固劑，1 支規(guī)格為S2360，另2 支規(guī)格為Z2360，樹脂錨固長度約1 632 mm。

鉆孔打好后，輕輕將錨固劑推入鉆孔，確保不使錨固劑外殼破裂。用錨索將錨固劑緩緩推入鉆孔，直至推不動。將預先安裝在鉆機上的錨索攪拌器與錨索尾部連接，快速攪拌錨固劑，攪拌錨固劑的同時鉆機推力要最大。錨固劑攪拌的時間為20～25 s，攪拌錨固劑停止時，要確保錨索托盤靠近巖面。錨固劑攪拌完畢10 min 后，安裝托盤和索具，并用錨索張拉器拉緊錨索。錨索預緊力≥150 kN。

當巷道通過陷落柱時，錨索采用20 號槽鋼連接成一個桁架，錨索長度可以適當加長，并向兩側(cè)傾斜，盡量將錨索錨固到穩(wěn)定巖層中，錨索托盤采用100 mm×100 mm×14 mm 的平托盤，托盤中心孔徑比鋼絞線公稱直徑大2～4 mm，錨索預緊力應≥150 kN，外露長度為200～300 mm。

3.7 噴漿封閉圍巖

巷道錨桿、錨索加固結(jié)束后對圍巖表面進行噴漿。噴漿材料強度等級C20，525 號普通硅酸鹽水泥，配比為水泥∶砂子∶石粉=1∶2∶2，水灰比0.45～0.55，速凝劑添加量為水泥用量的3%～5%，噴層厚度為100 mm，最低不能低于80 mm，噴層封閉圍巖表面裸露區(qū)、圍巖縫隙等。

4 工業(yè)性試驗

為全面檢查巷道錨桿、錨索支護的工作狀態(tài)，監(jiān)控巷道受到掘進影響前后的狀況，掌握圍巖的變形規(guī)律，以確定巷道的穩(wěn)定程度，以便及時采取相應的處理措施，并且通過監(jiān)測來驗證設(shè)計的合理性，檢驗支護質(zhì)量，同時為修改設(shè)計提供科學依據(jù)。

巷道表面位移觀察采用“十”字布點法進行。測試斷面布置的當天進行第一次測量，以后每天觀測1 次，20 d 后每3 d 觀測1 次，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

從圖2 可知，2 個測站的巷道圍巖變形規(guī)律基本一致。在30 d 的觀察期內(nèi)，大巷加固方案實行初期由于受到采動影響較大，未能形成整體支護，巷道圍巖變形較大，巷道頂、底板移近量和兩幫移近量變化幅度大，但在穩(wěn)定開采中后期時，巷道圍巖應力重新分布，高強錨桿和錨索起到關(guān)鍵作用。測站1 頂?shù)装逑鄬ψ畲笠平繛?98 mm，兩幫移近量為100 mm，頂、底板移近量穩(wěn)定在195 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在100 mm；測站2 頂?shù)装逑鄬ψ畲罄塾嬕平繛?90 mm，兩幫移近量為90 mm，頂、底板移近量穩(wěn)定在185 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在90 mm。由此可知，隨著時間的變化，圍巖變形速度逐漸減小，圍巖變化趨于穩(wěn)定，可見高強錨桿、錨索+噴漿聯(lián)合加固方案滿足西翼行人大巷的要求，圍巖的整體性和穩(wěn)定性得到顯著提升。

圖2 巷道圍巖變形量隨時間變化監(jiān)測Fig.2 Monitoring of deformation of roadway surrounding rock over time

5 結(jié) 論

（1） 針對西翼行人大巷的圍巖大變形問題，提出了高強錨桿、錨索+噴漿聯(lián)合加固方案，有效提高巷道圍巖的整體性和穩(wěn)定性，保證了大巷在服務(wù)期限內(nèi)的安全使用，取得較好的經(jīng)濟效益。

（2） 現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明，巷道采取高強錨桿、錨索+噴漿聯(lián)合加固方案，讓高強預應力錨桿的支護作用發(fā)揮出來，使巷道頂、底板移近量及兩幫移近量變化幅度和變化量都大大減小，有效的控制了巷道圍巖變形，保證了巷道的安全使用。