富水弱膠結軟巖巷道掘進頂板支護技術

白立軍 BAI Li-jun

（國家能源寧夏煤業(yè)公司梅花井煤礦，銀川 751410）

0 引言

富水弱膠結軟巖是一種特殊的地質巖層，主要分布在西部地區(qū)[1]。與普通地質巖層不同，富水弱膠結軟巖結構較為松散，礦物成分主要以親水性礦物為主，很容易軟化碎裂。因此，弱膠結軟巖的抗壓強度較低，泥化現象嚴重，巷道內力學性質極不穩(wěn)定。在巷道掘進開挖的過程中，經常出現形變、塌方等災害，對于巷道的掘進具有嚴重影響，也為礦井資源高效開采帶來了制約條件[2]。為了更加有效地在富水弱膠結軟巖中進行巷道掘進，巷道掘進過程中頂板支護技術開始實施。傳統(tǒng)頂板支護技術主要以錨桿、錨索為主，在富水弱膠結軟巖區(qū)域施工經常出現拔錨脫出的現象，造成弱膠結軟巖結構松散破碎的現象，無法有效提高巷道掘進效率[3]?；诖?，本文研究了富水弱膠結軟巖巷道掘進頂板支護技術這一課題。將巷道支護結構固定范圍縮小，減少支護結構位移偏差值，進而實現頂板支護的穩(wěn)定施工。

1 工程概況

本文以M煤礦井為例，研究該礦井的富水弱膠結軟巖巷道掘進頂板支護施工技術。M煤礦井位于某市，是國家批準的億噸級大型煤田。其中包括多個礦區(qū)，設計產量為8.56Mt/a，是該地區(qū)主要產煤地。M煤礦井經過長時間的礦產資源開采，資源逐漸減少。目前來講，僅剩富水弱膠結軟巖巷道沒有進行開采。富水弱膠結軟巖巷道與普通巷道同時施工，由于水層條件與土層條件不同，富水弱膠結軟巖巷道始終沒有進行高效的資源開采，而這主要與該巷道的土層條件有關。巷道內部存在含水層，含水層的含水量分別為I級、II級、III級，II級與III級含水層的主要巖性基調為綠、灰、藍[4]。如圖1所示。

其中，巖性為灰色的巖層以中粒砂巖為主；巖性為綠色的巖層以粉砂巖為主；巖性為藍色的巖層以石英小礫石為主。根據巖層中水質豐富程度來看，巖層中膠結性也分為I級、II級、III級，膠結程度較差，巖層土質較為松散。在此條件下進行巷道掘進極不容易，原本的巷道頂板在III級含水層附近，在巷道掘進過程中，出現過6次及以上大小規(guī)模不一的涌水現象，造成了較大的礦井開采事故。因此，本文對頂板支護技術進行優(yōu)化，減少巷道掘進出現的涌水現象，提高支護穩(wěn)定性。

2 施工過程

2.1 確定無偏差頂板巷道支護結構

為了減少頂板支護結構位移現象，本文分別在錨索、鋼帶、噴射混凝土、鋼纖維混凝土、金屬網、注漿錨桿、抗阻錨索束等支護結構參數方面進行設定。其中，錨索采用D17.5mm×L7000mm規(guī)格的鋼絞線，并以500mm×500mm的間距與鋼帶連接。鋼帶長度為1500mm，一個鋼帶連接兩個錨索[5]。噴射混凝土中水泥、砂石、石料的比例為1∶1∶2。鋼纖維混凝土中水泥、砂石、石料的比例為1:1.6:1.2。金屬網網格規(guī)格為150mm×150mm，網片規(guī)格為1500mm×3000mm。注漿錨桿長度為2200mm，以2200mm×2200mm的形式排布鋼索?？棺桢^索束最大預應力為300kN，在砂漿灌注的基礎上，保證頂板支護結構高精度施工[6]。在確定支護結構相關參數的基礎上，本文對巷道圍巖狀態(tài)分布情況進行分析，如圖2所示。

如圖2所示，B為巷道軟巖彈性區(qū)域；B1為巷道軟巖塑性硬化區(qū)域；B2為巷道軟巖軟化區(qū)域；B3為巷道軟巖殘余應力區(qū)域。由于富水弱膠結軟巖巖層土質較為細軟，硬化區(qū)域在其他巖層中同屬于軟化區(qū)域。本文根據巷道圍巖狀態(tài)，將巷道掘進頂板支護結構分為四個部分：第一部分，在巷道軟巖彈性區(qū)域B，安裝高強度錨索支護結構，保證頂板支護結構穩(wěn)定在巷道周圍，提高支護穩(wěn)定性；第二部分，在巷道軟巖塑性硬化區(qū)域B1，安裝金屬錨架噴上100mm厚度的鋼纖維混凝土支護結構，并在支護樁位置上設置支護抗阻鎖束，對支護位移進行約束，減少支護受力位移的現象；第三部分，在巷道軟巖軟化區(qū)域B2，安裝注漿錨桿支護結構，在第一次進行巷道支護的過程中，實時觀測礦井的受力情況，此時，巷道出現輕微收斂變形情況，立即開始注漿錨桿二次錨注，使支護結構更加堅硬，控制B2軟化區(qū)域的巷道頂板支護形變量；第四部分，在巷道軟巖殘余應力區(qū)域B3，安裝加固支護樁結構，此結構幫助了B3區(qū)域卸掉頂板殘余應力，使用C30素混凝土的澆灌方式，對錨索束進行多次加固，使支護樁斷面更加適合富水弱膠結軟巖巷道施工。

2.2 預留富水弱膠結軟巖巷道掘進最大錯距

富水弱膠結軟巖自穩(wěn)時間較短，進行頂板支護施工，對于減少巷道開采出現的滑塌現象具有重要作用。本文在確定了巷道頂板支護結構之后，在支護固定時，預留出巷道掘進的最大錯距，進一步減輕頂板支護受力位移情況[7]。本文在巷道掘進最深處，采集到巖層土質，對其進行物理性質分析，如表1所示。

如表1所示，巖土中體積模量、剪切模量、抗拉強度、粘聚力、摩擦角、殘余粘聚力、殘余摩擦角等巖性均低于基礎值。為了加強支護強度，減輕支護水平位移情況，本文在原本支護斷裂處向外延伸1.0cm。同時在原支護斷裂位置正上方放置頂板，由于矸石、煤柱、實體煤共同承擔軟巖對巷道施加的壓力[8]。在此基礎上，本文對原本支護斷裂位置的最大錯距進行計算，公式如下：

表1 巖土物理性質參數表

式（1）中，Cmax為最大錯距；Ca為工作面位置；tan α為摩擦角正弦值；t為常數；α與β為摩擦角與殘余摩擦角；m為基本彈性模量；f為頂板抗拉強度；cos α為摩擦角的余弦值。根據M煤礦井的實際情況，本文將相關參數代入到支護施工中，為支護結構提供最大受力形變位置。根據支護最大錯距的計算，本文將R作為斷裂支護的荷載，由此得出的最大位移值如下：

式（2）中，R為斷裂支護荷載；K為支護節(jié)點斷裂長度；λ為頂板受力系數；M為頂板支護的最大位移值；△F為頂板受力荷載差值。根據原始支護的最大錯距與最大位移值，本文預留出約1.0cm的錯距與位移區(qū)域，最大限度減少支護斷裂情況，支護位移距離更小。

2.3 安裝垂直支護固定樁

在安裝垂直支護固定樁之前，本次工程鋪設了彈性位移趨向支護型鋼結構，增強支護結構的穩(wěn)定性。支護型鋼結構鋪設在巷道支護工作面的順槽中，上下凈寬為2200mm，凈高度為1600mm。在錨網、鋼帶、錨索全錨支護形式的基礎上，支護型鋼結構采用Ф11×1200mmKMG250高強度的螺旋鋼結構，其預緊力≥120N/m。鋼身采用Ф10×1000mmKMG200螺旋鋼結構，預緊力≥60N/m；鋼結構的頂部位置采用Ф8.9×3100mm高強度的鋼絞線結構，錨索預緊力≥100N/m。由于巷道原始順槽穩(wěn)定性較差，頂板支護破碎情況明顯。本文在鋪設支護型鋼結構時采用挑頂的方式，固定住巷道頂部，防止媒體脫落，在一定程度上延長了富水弱膠結軟巖的自穩(wěn)時間。為了更進一步加強頂板支護的穩(wěn)定性，減少支護位移情況，本文在支護型鋼結構的基礎上，安裝垂直支護固定樁，如圖3所示。

如圖3所示，P為軟巖土在支護固定樁的高度，H為頂板長度。本文將支護固定樁固定在軟巖土工作面上，從順槽處直接進行巷道掘進，軟巖土的直接底與老底相對堅硬，巷道掘進效率較高。當巷道掘進距離增加時，軟巖土自穩(wěn)性能逐漸下降，此時將錨樁與拉桿箱靠近頂板處傾斜，傾斜到一定程度之后，頂板支護處于穩(wěn)定固定在軟巖中的狀態(tài)，在頂板處施加一個應力，即可進一步延長富水弱膠結軟巖的自穩(wěn)時間，為巷道繼續(xù)掘進提供保障。巷道掘進完成并不是最終目的，提升開采效率才是本文的終極目標。因此，本文將頂板與支護固定樁呈90°固定，軟巖土距離錨樁與拉桿較長，此種形式有效地控制了圍巖的壓力，減少巷道出現剪切變形的情況。同時，垂直支護固定樁的安裝，將頂板支護進一步固定，最大限度地減輕了支護位移現象，使支護穩(wěn)定性更強。

3 施工結果與討論

在上述施工條件下，本文隨機選取巷道掘進深度節(jié)點，給定相對應的集中應力，利用如圖4所示的位移測量儀測量頂板支護位移值。

如圖4所示，根據該測量儀量程大，三維測量，可以精確到mm，誤差較小等能力，測量出適用本文設計的支護技術后，頂板支護的位移值，如表2所示。

表2 施工結果

如表2所示，支護穩(wěn)定性與巷道掘進深度、集中應力、頂板支護最大位移值等方面有關。如圖5所示。

由圖5所知，隨著巷道掘進深度的增加，頂板受到的集中應力也會相應增加，支護位移情況隨之加重，影響支護穩(wěn)定性。在巷道掘進深度與集中應力增加的環(huán)境下，對應的支護位移存在一個最大指標，超出最大支護位移值，就會喪失支護穩(wěn)定性，影響最終的施工結果。使用本文設計的支護技術后，頂板支護位移值得到了明顯的改善，在低于最大支護位移值的基礎上，支護位移值始終低于1.91cm。因此，使用本文設計的支護技術，在集中應力與巷道條件一致的情況下，位移偏差較小，支護穩(wěn)定性更高，符合本文研究目的。

4 結束語

礦產資源開采成為我國經濟增長的主要原因，隨著開采水平的提高，礦區(qū)每年礦產資源的開采深度不斷增加。礦井區(qū)域的開采深度增加，地質巖層也會發(fā)生變化。富水弱膠結軟巖是礦井中常見的土質，遇到水會發(fā)生泥化，巷道挖掘過程中的力學性質極不穩(wěn)定。基于此，本文研究了富水弱膠結軟巖巷道掘進頂板支護技術。在確定支護結構的基礎上，預留出支護結構的最大掘進錯距，減少了支護結構的水平位移偏差值。同時，鋪設支護型鋼結構之后，安裝支護結構的固定樁。最終結果得出本文設計的支護技術頂板支護位移值更小的結論，為巷道安全穩(wěn)定掘進提供保障。