礦井破碎巷道圍巖變形機理分析及支護技術研究

＊任國強 張永 畢利軍

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司 山西 048400）

引言

煤炭是我國最主要的能源之一，我國是煤炭產量大國，年產量約41億噸，全球總產量占比較大，為實現煤礦井下開采的安全高效性，首要條件是保障好回采巷道圍巖的穩(wěn)定性，由于回采巷道約長1500公里，控制破碎圍巖回采巷道的穩(wěn)定性十分必要，也是很多專家研究的領域。例如，吳愛祥和胡凱建等人[1]提出并驗證“鋼拱架+長錨索”聯合支護技術，可有效改善巷道圍巖變形?？追矀2]基于圍巖力學參數測試，以及數值模擬研究的基礎上設計的支護方案，可有效減弱圍巖變形。孫占成和周保平[3]在石炭系破碎圍巖中采用“中空注漿錨索+錨桿”的方式，控制破碎圍巖巷道變形，取得了較好的效果。本文在參考以上科研成果的基礎上，以山西某礦10-208回采巷道為研究對象，該工作面地質條件錯綜復雜，當回采巷道過破碎圍巖段期間，巷道頂板下沉明顯，片幫等嚴重破損，對井下作業(yè)安全構成威脅，導致巷道無法正常使用。因此，為了減少施工風險，研究分析破碎圍巖回采巷道的支護技術，具有實際應用意義，可為類似工況下的同類型巷道圍巖支護提供參考。

1.工程概況

山西某礦10-208工作面，實體煤巖層覆于其上，其地理位置西鄰10-206回采工作面，南與二盤區(qū)3條準備大巷接壤，北部和東部均為實體煤，緊挨著風氧化帶，位于礦井井田邊界，生產過程中不易受采動的影響。該工作面開采煤層類型為石炭系上統(tǒng)太原組的9號和10號煤的混合層，9號和10號煤層間距為0.2～0.4m，層普氏系數為2～3，中厚層狀，結構較為穩(wěn)定。

山西某礦10-208工作面地面標高+1045～+1175m，10-208回采巷道標高+810～+835m，巷道全長997m，為矩形斷面，凈寬和凈高分別為5.0m和3.5m。10-208回采巷道在地質作用影響下，巷道圍巖150m左右變形情況嚴重，頂板下沉600mm，兩幫移近500mm，且部分區(qū)域發(fā)生了錨桿索斷裂等狀況，為了保障煤礦井下生產的安全性，加固處理10-208回采巷道嚴重變形的區(qū)域十分必要。

2.巷道圍巖變形機理

(1)地質構造的影響

對山西某礦10-208工作面回采巷道進行實地地質勘察，發(fā)現其在工作面掘進作業(yè)過程中揭露6條正斷層，斷層最大影響區(qū)域為20m，斷層落差為0.5～1.7m，嚴重破壞了巷道圍巖的完整性，同時在地質構造的綜合作用下，巷道圍巖穩(wěn)定性較差，造成工作面回采巷道部分位置圍巖處于嚴重破碎狀況，巷道圍巖較為脆弱。

(2)圍巖強度的影響

10-208回采巷道的直接頂，其巖石種類為泥巖，具有易吸水膨脹、強度較低等特點，故質軟的泥巖位于直接頂區(qū)域內，致使巷道圍巖極易產生較大變形。原來的巷道頂板支護方案如下：

在巷道頂板的材料選擇方面，采用左旋螺紋鋼錨桿，其規(guī)格為直徑22mm、長度2400mm，在施工設置方面，使所有錨桿間距都為900mm×1000mm，且都與頂板垂直，錨桿螺母錨固力大小為190kN，其預緊力矩至少為300N·m。巷道頂板的錨索在材料選擇方面，采用鋼絞線錨索，其規(guī)格大小為直徑20mm×5300mm預應力，在施工設置方面，使各錨索間按間距1800mm×2000mm排列，選用的球型鋼板托盤，其規(guī)格大小為180mm×180mm×12mm，為使錨索錨固端能夠深入穩(wěn)定巖體中至少1m的距離，以保證支護效果，對其施加預緊力至少為300kN。巷道兩幫的錨桿采用的材料規(guī)格與巷道頂板相同，但在施工設置方面，所有錨桿間距設置為950mm×1000mm，且都與幫部垂直，錨桿螺母錨固力大小為160kN，兩幫的金屬網規(guī)格大小為2900mm×1100mm，采用16號雙股聯網絲進行金屬網的聯接，金屬網搭接長50mm，聯網絲扭結為3扣以上，聯網距在200mm以內。

原支護方案中，錨桿長2400mm，其錨固區(qū)位于錨桿僅對剪切應力起作用的泥巖中，支護作用無法全部起作用，支護效果較差。

(3)地應力的影響

為深入分析巷道圍巖的變形破壞機理，以破碎圍巖嚴重的位置為研究對象，對其進行地應力測量，測量結果見圖1。

從圖1可看出，回采巷道的走向為正東西方向，由圖1回采巷道和最大水平主應力的夾角（45°），可求得剪切破壞面與水平面夾角θ：

由圖1可看出，山西某礦10-208工作面回采巷道圍巖變形破壞機理如下：正東西走向的回采巷道，其巷道頂板巖石在最大和最小水平主應力作用下，會產生41°至60°的剪切破壞，破壞角度區(qū)間與回采巷道平行，不能有效實現巷道圍巖支護。

3.加固支護方案

(1)注漿加固方案

將圍巖先進行掃噴，再進行注漿，將裸露處圍巖的表面封閉。頂板注漿孔的直徑為36mm，深度為8000mm，注漿孔布置方式為“4-3-4”，其間排距為1600mm×2000mm；巷道幫部和底板的注漿孔直徑均為36mm，深度分別為7000mm和6000mm，其注漿孔布置方式均為每排兩根，間排距均為2000mm×2000mm。

巷道圍巖進行注漿加固時，采用鑿巖機設備進行注漿打孔操作，具體的注漿孔布置見圖2。打設時要注意使注漿孔均垂直于巷道圍巖表面，并將射漿管埋設到注漿孔內，進行一次性全鉆孔注漿，注漿壓力為6.0MPa左右，注漿材料選用水玻璃和水泥漿液體積比大概0.5:1的水泥-水玻璃雙液漿，其各成分的具備配比參數為水灰比0.8、水玻璃濃度50Be左右，模數3.0。

圖2 注漿孔布置圖（單位：mm）

(2)錨桿索支護方案

①巷道頂板支護。在該支護方案中，巷道頂板支護材料采用規(guī)格型號為CRM500Φ22-M24-2400強力錨桿和SKP22-1/1860/8300強力錨索，錨桿和錨索均與巷道頂板垂直打設。錨桿的施工布置如下：每排五根，排列間距為900mm×900mm，錨桿螺母預緊力矩在400～500N·m之間，同時使用3.8m長的鋼帶進行支護，以提升效果。錨索的施工布置如下：采用“2-3-2”的形式，其間排距根據錨索數量的不同而不同，若布設的為兩根錨索，可設置為1800mm×1000mm的間排距，如果布設的為三根錨索，可設置為1700mm×1000mm的間排距。

②巷道兩幫支護。巷道兩幫支護材料，都選用強力錨桿與錨索，巷道兩幫對稱設置四根間排距為950mm×1000mm的錨桿。錨索打設時與幫部垂直，錨索的設置方式為左右兩幫對稱布設，每排打設兩根，其間排距為2000mm×2000mm。優(yōu)化后錨桿索支護方案見圖3。

圖3 優(yōu)化支護方案圖（單位：mm）

4.工業(yè)性試驗

在山西某礦10-208破碎巷道，應用給巷道進行注漿加固和采用錨桿索進行聯合支護的方案，為保證數據結果更有說服力，安排了兩組測站，其間距為40m，在回采巷道過破碎段過程中，采用“十字布點法”對巷道頂底板和兩幫位置的圍巖變形量進行測量，在頂幫、頂部、幫部和底板區(qū)域均設置測點，其測點位置分別在同一斷面內、巷道中心線上、距巷道地面1m處及鐵釬釘入底板圍巖內250mm處。共觀測90天，頻率為每周一次，不同測站巷道圍巖表面位移結果見圖4。

圖4 不同測站巷道圍巖表面位移情況

圖4表明，在前58天內，頂底板和兩幫相對移近量與時間變化呈正相關的變化趨勢，在58天后，頂底板和兩幫相對移近量變化不大，趨于穩(wěn)定，頂底板最大累計變形量為49.5mm，巷道兩幫最大累計變形量為64.6mm，故頂底板和兩幫相對移近量隨觀測時間的變化趨勢為先增大，到一定時間后趨于穩(wěn)定，其巷道掘進過程中沒有發(fā)生冒頂片幫現象。結果表明，該巷道圍巖變形得到了有效控制。

5.結論

以山西某礦10-208破碎巷道工程概況為例，基于巷道圍巖變形機理，研究巷道圍巖變形支護方案，其結論如下：

（1）本文通過分析巷道圍巖破碎變形機理，設計了巷道進行注漿加固與采用錨桿索進行聯合支護的的優(yōu)化支護技術方案。

（2）在10-208工作面回采巷道，進行該支護方案的現場應用測試，結果表明，該回采巷道過破碎段過程中頂底板最大累計變形量為49.5mm，巷道兩幫最大累計變形量為64.6mm，圍巖變形控制效果顯著。