破碎圍巖巷道變形特征及支護優(yōu)化

劉瑞生

（山西省汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

0 引言

將巷道布置在煤層中，不僅可回收部分煤炭資源還可提高巷道掘進效率、減少井下矸石產(chǎn)量，同時煤巷采用綜掘方式掘進，掘進自動化程度較高、掘進速度快。巷道斷面一般為矩形，當巷道圍巖破碎或者圍巖巖性穩(wěn)定性較差時，如何有效控制圍巖變形是巷道掘進期間需重點解決問題[1-4]。一般情況下，對于破碎巷道圍巖支護多采用工字鋼架棚或者U 型鋼方式，存在支護成本高、圍巖變形適應性差以及后續(xù)頻繁修整等問題；部分礦井綜合使用錨網(wǎng)索+圍巖支護方式，需要鉆進多個注漿鉆孔且注漿工程量較大，支護成本高[5-8]。本文以1502 回風巷為工程實例，優(yōu)化巷道支護參數(shù)實現(xiàn)破碎巷道圍巖有效控制。

1 1502 回風巷概況

1502 回風巷沿著開采的5 號煤層底板掘進，矩形斷面（規(guī)格為4.2 m×3.2 m），采用綜掘工藝，錨網(wǎng)索方式支護圍巖，設計掘進總長度為2 550 m。5 號煤層為典型的三軟煤層，煤層厚度3.2 m，依據(jù)其他鄰近采面煤炭開采以及回采巷道掘進顯示，煤層及頂?shù)装辶严栋l(fā)育強度較低。根據(jù)已有地質資料顯示，在1502回風巷掘進至1 205～1 303 m 范圍內，會揭露有F11、F12、F15 等多條斷層影響，巷道圍巖受斷層影響較為明顯，圍巖破碎程度會進一步增加。具體1502 回風巷掘進過程中揭露的斷層參數(shù)見表1。

表1 1502 回風巷掘進期間揭露部分斷層參數(shù)

2 巷道圍巖變形特征分析

2.1 巷道原支護參數(shù)

1502 回風巷采用錨網(wǎng)索支護工藝，支護斷面如圖1 所示。頂板用Φ20 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm、1 500 mm，每排4 根；錨桿支護配合使用規(guī)格120 mm×120 mm×10 mm 鋼托盤；護表用網(wǎng)孔50 mm×50 mm，長寬分別為1 000 mm、3 500 mm。每排2 根規(guī)格Φ18.9 mm×7 300 mm，間排距為1 500 mm、3000 mm，端頭外漏長度250 mm。頂板錨桿采用T140/28-3600 鋼帶連接，提高頂板表面支護強度。巷幫3 根Φ18 mm×1 800 mm 螺紋鋼錨桿，上部、下部錨桿與頂、底板間距均控制在600 mm；用長2 550 mm、寬2 000 mm 塑料篩網(wǎng)護表。在1502 回風巷掘進至1 205～1 303 m 范圍內時，由于巷道圍巖破碎，因此輔助采用11 號工字鋼組成架棚進行護表，支護棚距控制在1 m。

圖1 巷道原支護斷面（單位：mm）

2.2 巷道圍巖變形分析

在1502 回風巷掘進至圍巖破碎帶范圍內，布置測點對圍巖變形進行為期20 d 監(jiān)測，具體結果見圖2。從圖2 監(jiān)測結果看出，在監(jiān)測期間頂板累計變形量可接近18.11 cm，最大下沉速度為0.05 cm/d；兩幫最大變形量為57.58 cm，最大變形速度達到17.3 cm/d。從1502 回風巷圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1502 回風巷在圍巖破碎帶期間掘進時圍巖變形量整體較大且長時間無法收斂，原有的巷道圍巖支護方案難以滿足使用需要。

圖2 巷道破碎圍巖段變形監(jiān)測曲線

1502 回風巷在圍巖破碎、構造應力等多重因素綜合作用下導致圍巖變形量整體較大，部分位置出現(xiàn)支護用鋼帶變形嚴重甚至部分區(qū)段有支護體系失效征兆，具體現(xiàn)場圍巖變形情況見圖3。礦井管理人員及技術人員通過綜合分析，并結合鄰近礦井此類巷道圍巖控制經(jīng)驗，提出增強圍巖支護體系強度+圍巖注漿+工字鋼架棚方式進行圍巖支護，通過強化圍巖支護強度達到控制圍巖變形的目的。

圖3 1502 回風巷現(xiàn)場圍巖變形情況

3 圍巖支護參數(shù)優(yōu)化及優(yōu)化后效果分析

3.1 支護參數(shù)

1502 回風巷圍巖變形較大的主要原因為原有支護參數(shù)無法與破碎圍巖條件相適應，因此，提出增加錨桿及錨索長度、支護密度，注漿方式提升破碎圍巖承載能力及抗變形能力，結合原有的工字鋼架棚提高巷道表面支護強度[9]。具體優(yōu)化后的錨網(wǎng)索布置斷面見圖4。

圖4 優(yōu)化后巷道支護斷面（單位：mm）

頂板每排布置5 根規(guī)格Φ20 mm×2 500 mm 螺紋鋼錨桿，近巷幫的錨桿外插10°，錨固1 500 mm，間排距900 mm、1 000 mm，施加45 kN 預緊力；巷幫按1 200 mm、1 000 mm 間排距布置3 根與頂板一致的錨桿，錨固600 mm，施加30 kN 預緊力。頂板2 根規(guī)格Φ18.9 mm×8 300 mm 錨索，錨索均有10°外插角，按照3 200 mm、2 000 mm 間排距布置，錨固長度控制在1 500 mm，支護后施加100 kN 預緊力。巷道圍巖仍采用工字鋼按照1 m 棚距組成架棚強化圍巖支護。

為提高破碎圍巖穩(wěn)定性并降低圍巖控制工程量，在巷道頂板上布置注漿鉆孔對頂板進行加固，在巷道頂板中線位置位于2 排錨桿間布置1 個注漿鉆孔，鉆孔孔深均為3 500 mm，注漿用水灰質量比1∶1.6 的水泥漿，并添加速凝劑改善注漿漿液性能，注漿壓力控制在3～5 MPa。

3.2 支護優(yōu)化后圍巖控制效果

將支護優(yōu)化后的圍巖支護方案進行工程應用，并對巷道頂板及巷幫變形進行監(jiān)測，具體結果見圖5。從圖5 中看出，支護完成后15 d 變形基本穩(wěn)定，頂板、巷幫最大位移量分別為30 mm、75 mm，圍巖變形較小。在1502 回風巷圍巖破碎帶采用文中所述優(yōu)化支護方案后，巷道在后續(xù)使用過程中基本不需要修整，巷道斷面始終滿足行人以及通風等需要，實現(xiàn)了破碎圍巖巷道有效控制。

圖5 支護參數(shù)優(yōu)化后巷道圍巖變形曲線

4 結語

1502 回風巷沿著5 號煤層底板掘進，煤層及頂?shù)装灞旧硭绍浨页休d能力較差，在正常地質段采用錨網(wǎng)索+工字鋼架棚方式可實現(xiàn)圍巖控制，但是巷道掘進至1 205～1 303 m 范圍時，由于區(qū)間發(fā)育有多個斷層，圍巖破碎，巷道圍巖變形較大。對1502 回風巷在破碎圍巖段圍巖變形特征進行分析，提出以提升支護體系支護強度以及圍巖自身承載能力為核心的圍巖支護優(yōu)化方案，具體提高錨桿及錨索長度以及布置密度、頂板注漿加固。對支護優(yōu)化方案進行設計并進行工程應用，結果表明優(yōu)化后的支護方案可實現(xiàn)破碎圍巖有效控制，頂板及巷幫最大變形量均在30～75 mm以內，可滿足巷道使用需要。