掘進(jìn)巷道圍巖變形分析及支護(hù)技術(shù)研究

史增利

(山西汾西礦業(yè)正城煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300)

隨著采掘深度的增加，煤層賦存條件更趨復(fù)雜，制約了巷道掘進(jìn)效率[1-2]。特別是巷道圍巖為弱膠結(jié)軟巖時(shí)，由于巖體強(qiáng)度低、黏土含量高、裂隙發(fā)育，遇水容易變形，巷道在掘進(jìn)以及后續(xù)使用過程中容易出現(xiàn)冒頂、離層、片幫事故[3-5]。為此，眾多的學(xué)者對(duì)此類地質(zhì)條件下巷道圍巖支護(hù)技術(shù)展開了研究，并提出采用圍巖注漿、架棚支護(hù)、桁架錨索、圍巖噴漿等各種圍巖控制技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用均取得了較好效果[6-7]。但是不同礦區(qū)煤層賦存條件、掘進(jìn)巷道圍巖特征有明顯差異，應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況制定針對(duì)性圍巖控制方案。本文就以山西某礦11301運(yùn)輸巷掘進(jìn)為背景，對(duì)巷道圍巖變形特征進(jìn)行分析，并提出支護(hù)技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖有效控制。

1 工程概況

山西某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能為350萬t/a，采用斜井、平硐開拓，其中11301綜放工作面設(shè)計(jì)面長200 m、推進(jìn)長度2 655 m，開采的11號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，厚度5.4 m。11號(hào)煤層頂?shù)装逡灾写稚皫r、粉砂巖以及砂質(zhì)泥巖等為主。經(jīng)過巖石力學(xué)試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)粉砂巖抗壓強(qiáng)度為29.9 MPa；砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度為24.1 MPa，砂質(zhì)泥巖中含有較多的黏土，吸水后急劇軟化，抗壓強(qiáng)度降至7.6 MPa。

11301運(yùn)輸巷為矩形斷面(凈高3.6 m、凈寬5.6 m)，采用EBZ160綜掘機(jī)掘進(jìn)，設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度2 705 m。原采用錨網(wǎng)索噴方式支護(hù)，支護(hù)斷面見圖1。巷道頂板一排布置7根錨桿(規(guī)格D22 mm×2 500 mm)，布置間排距為850 mm×900 mm，錨桿間用長5 400 mm的鋼帶連接；鋪設(shè)金屬網(wǎng)強(qiáng)化支護(hù)。采用的錨索(規(guī)格D17.8 mm×6 300 mm)按照3-2-3方式布置；巷幫一排布置5根錨桿(規(guī)格D18 mm×2 000 mm)，間排距均為900 mm；巷道底板噴射厚度200 mm、強(qiáng)度C30混凝土。在11301運(yùn)輸巷掘進(jìn)至1 205～1 302 m范圍內(nèi)時(shí)，頂板在區(qū)域構(gòu)造作用下更為破碎，頂板變形嚴(yán)重，部分位置甚至有冒頂征兆。為確保巷道使用安全，需要對(duì)巷道圍巖變形特征進(jìn)行分析，并針對(duì)性地優(yōu)化圍巖支護(hù)方案。

圖1 巷道原支護(hù)斷面圖(mm)

2 巷道圍巖特征及變形分析

2.1 現(xiàn)場調(diào)研

內(nèi)布置鉆孔對(duì)頂板巖層窺視，窺視儀為TS-C0601。具體部分窺視圖形見圖2，通過鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)頂板上2.6 m位置泥巖層出現(xiàn)一定程度離層；在距離窺視鉆孔5.3～6.4 m范圍內(nèi)主要為砂質(zhì)泥巖(夾雜有粗砂巖)；在窺視鉆孔孔壁處有一定范圍的環(huán)形黑色區(qū)域，離層情況較為明顯；在距離孔口約10 m位置時(shí)出現(xiàn)淋水情況。頂板離層位置、離層量等與裂隙、層理等發(fā)育密切相關(guān)。在巷道掘進(jìn)完成后，在距離頂板2.8 m、6.5 m位置分別布置基點(diǎn)，對(duì)頂板巖層離層情況進(jìn)行監(jiān)測，具體結(jié)果見圖3。從頂板離層監(jiān)測結(jié)果看出，在監(jiān)測初期(40 d以內(nèi))頂板離層量增加明顯，后逐漸趨于穩(wěn)定；在監(jiān)測90 d時(shí)，淺部、深部離層量分別為24 mm、35 mm。

圖2 鉆孔窺視圖

圖3 原支護(hù)方案頂板離層監(jiān)測結(jié)果

2.2 頂板巖性分析

11301運(yùn)輸巷取樣對(duì)頂板巖性成分進(jìn)行分析，具體頂板直接頂砂質(zhì)泥巖中黏土成分占比見圖4。

圖4 直接頂黏土成本占比

從試驗(yàn)結(jié)果看出，頂板巖層中石英、高嶺石占比較高，平均分別為30.75%、41.25%；黏土礦物中占比最高的為高嶺石、伊利石并含有少量的綠泥石，高嶺石、伊利石分別占到整個(gè)黏土礦物含量的69.4%、21.41%.頂板巖層整體結(jié)構(gòu)偏弱、承載強(qiáng)度較低，同時(shí)礦物成分中黏土礦物、高嶺石占比較高，遇水后容易崩解。

2.3 巷道頂板變形量分析

通過現(xiàn)場調(diào)查以及頂板礦物成分分析，總結(jié)出11301運(yùn)輸巷在1 205～1 302 m范圍內(nèi)下沉量及離層量大的原因?yàn)?頂板承載能力不足、水作用、巷道跨度大以及斷面為矩形。

1) 巷道直接頂為砂質(zhì)泥巖，泥巖中含有的黏土礦物遇水容易弱化，導(dǎo)致強(qiáng)度明顯降低；基本頂為砂巖且有一定裂隙水。在巷道掘進(jìn)作用下，頂板水會(huì)沿著裂隙淋出，導(dǎo)致直接頂砂質(zhì)泥巖泥化，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致原有的錨網(wǎng)索支護(hù)體系局部失效，圍巖支護(hù)強(qiáng)度顯著降低。

2) 11301運(yùn)輸巷跨度達(dá)到5.6 m，頂板懸露面積大。巷道頂板受力時(shí)，頂板下部會(huì)作用較大拉應(yīng)力，加之頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)頂板離層；巷道支護(hù)采用的錨索長度為6 300 mm，錨索錨固端位于頂板砂質(zhì)泥巖中，承載能力相對(duì)較小。

3) 巷道斷面為矩形，在巷道肩角位置處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。巷幫位置裂隙發(fā)育，在應(yīng)力作用下出現(xiàn)片幫后會(huì)進(jìn)一步增大巷道跨度，影響頂板穩(wěn)定。

3 圍巖支護(hù)技術(shù)

3.1 圍巖支護(hù)策略

通過現(xiàn)場調(diào)研并結(jié)合以往研究成果，提出的圍巖支護(hù)策略為：

1) 對(duì)巷道掘進(jìn)斷面進(jìn)行優(yōu)化，避免幫肩出現(xiàn)應(yīng)力集中。考慮到巷道行人、運(yùn)輸以及通風(fēng)等需要，將巷道斷面由以往的矩形優(yōu)化為直墻切拱形，從而降低幫肩位置應(yīng)力集中程度，降低巷道圍巖變形量及后續(xù)控制難度。

2) 采用桁架錨索對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，通過桁架錨索可增加錨固區(qū)范圍并充分利用深部圍巖自身承載能力及穩(wěn)定性。

3) 適當(dāng)增大錨桿、錨索上的預(yù)緊力，降低甚至消除頂板中部拉應(yīng)力區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場圍巖支護(hù)需要，必要時(shí)可增加巷幫錨桿長度、支護(hù)密度，通過強(qiáng)化巷幫支護(hù)達(dá)到降低頂板下沉的目的。

4) 巷道開挖完成后及時(shí)噴漿降低淋水或者空氣等對(duì)圍巖的影響。同時(shí)在掘進(jìn)前可布置超前鉆孔對(duì)頂板裂隙水進(jìn)行疏排，降低掘進(jìn)過程中頂板的淋水量。

3.2 圍巖支護(hù)參數(shù)

依據(jù)11301運(yùn)輸巷現(xiàn)場情況，并結(jié)合上述圍巖支護(hù)策略，具體設(shè)計(jì)的圍巖支護(hù)斷面見圖5，支護(hù)參數(shù)為：

1) 頂板支護(hù)。頂板每排布置7根錨桿(規(guī)格22 mm×2 500 mm)，將錨桿錨固長度由0.9 m增至1.3 m；預(yù)先施加125 kN預(yù)緊力。頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)采用錨索(規(guī)格D17.8 mm×8 300 mm)，錨固長度1.5 m，施加150 kN預(yù)緊力，錨索布置方式為4-0-4，布置間距1 400 mm、排距1 800 mm；靠近兩幫的錨索外插70～75°，并配合工字鋼給頂板施加一定作用力。

2) 巷幫支護(hù)。巷幫布置5根錨桿(規(guī)格D18 mm×2 500 mm)，錨固長度1.3 m、施加100 kN預(yù)緊力，布置間排距仍為900 mm，支護(hù)配合長度3.4 m鋼帶護(hù)表；巷道最上部、最下部錨桿分別有20°、15°外插角，中部3根錨桿均垂直巷幫布置。

3) 巷道底板鋪設(shè)厚度200 mm、強(qiáng)度C30混凝土，混凝土中參雜一定量的防水劑。

圖5 優(yōu)化后巷道支護(hù)斷面圖(mm)

3.3 圍巖支護(hù)效果分析

在11301運(yùn)輸巷支護(hù)完成后，布置測站對(duì)頂板離層情況進(jìn)行監(jiān)測，具體結(jié)果見圖6。

圖6 優(yōu)化支護(hù)后頂板離層量

11301運(yùn)輸巷在原支護(hù)參數(shù)下，圍巖變形量整體較大且掘進(jìn)至1 205～1 302 m范圍內(nèi)時(shí)，頂板在區(qū)域構(gòu)造作用下更為破碎，頂板變形嚴(yán)重，頂板最大變形量達(dá)到450 mm、頂板淺部、深部離層量分別為24 mm、35 mm。對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，圍巖變形控制效果較好，具體支護(hù)參數(shù)優(yōu)化完成后，圍巖變形具有下述特性：支護(hù)完成0～20 d后，巷道圍巖變形處于明顯增加階段；支護(hù)完成20～50 d后，支護(hù)體系、圍巖結(jié)構(gòu)等相互耦合，頂板離層量增加速度明顯降低；支護(hù)完成50 d后圍巖變形量基本不再增加。巷道頂板離層量以淺部離層為主，離層點(diǎn)主要位于煤層與直接頂板(砂質(zhì)泥巖)交匯處，離層量控制在15 mm以內(nèi)。整體來說，通過對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，頂板離層量大的問題得以有效解決，可滿足后續(xù)巷道掘進(jìn)及使用需求。

4 結(jié) 語

1) 對(duì)11301運(yùn)輸巷圍巖變形特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形以頂板下沉為主，頂板巖層離層量大。通過現(xiàn)場調(diào)研及試驗(yàn)得出，11301運(yùn)輸巷頂板下沉量較大的主要原因?yàn)椋?1號(hào)煤層直接頂(砂質(zhì)泥巖)中含有的黏土礦物，直接頂遇水容易軟化，強(qiáng)度及穩(wěn)定性等明顯降低；原有的支護(hù)參數(shù)不合理；巷道斷面為矩形，跨度大、頂板受力明顯，在幫肩位置應(yīng)力集中。

2) 提出通過強(qiáng)化圍巖支護(hù)強(qiáng)度并優(yōu)化巷道斷面對(duì)頂板變形進(jìn)行控制，并制定具體圍巖支護(hù)方案?，F(xiàn)場應(yīng)用后，巷道頂板淺部離層量、深部離層量分別控制在4 mm、15 mm以內(nèi)，頂板變形量控制在35 mm以內(nèi)，圍巖控制效果較好。