軟巖地層回采巷道合理支護技術探討

朱 濤，宋 敏，朱冰冰，馬立強

(1.華潤煤業(yè)控股有限公司工程技術部，北京 100028；2.山東水利職業(yè)學院，山東日照 276826；3.濟寧鹿洼煤礦，山東魚臺 272350；4.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇徐州 221008)

1 礦井概況

華潤煤業(yè)五間房西一煤礦位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗境內(nèi)。井田東西寬2.6～9.0km，南北寬約13.5km，面積約87.2km2。井田整體構造為單斜構造，走向NW，傾向NE，傾角2.5°。井田內(nèi)共解釋斷層102 條，均為高角度的張性正斷層。井田內(nèi)可采煤層6 層，煤類為褐煤和長焰煤，主采煤層賦存深度在98.0～702.92m，煤層厚度平均8.0m，地質(zhì)儲量1663.14Mt，可采儲量832.88Mt，設計生產(chǎn)能力8.00Mt/a，礦井服務年限74.3a。開拓方式為斜井開拓，主、副和回風斜井井筒均為半圓拱斷面。全井田共布置七組大巷，每組大巷布置三條大巷。礦井設計井下布置2個240m長的回采工作面，年推進度為1200m。采用綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。

2 工程地質(zhì)與主要回采巷道支護結(jié)構形式

本礦區(qū)工程地質(zhì)特點，礦區(qū)主要含煤地層位于白堊系巴彥花組，煤層頂?shù)装逯饕獮槟z結(jié)程度極差的泥巖、粉沙巖、砂巖等，且存在嚴重的風化、泥化和崩解現(xiàn)象，屬于典型的軟巖。

各煤層的頂?shù)装蹇箟簭姸鹊?，?-1煤層頂板為軟弱—半堅硬巖類外，其余均為軟弱巖類。圍巖的自承載能力極低，無法實施錨固與注漿加固等有效支護手段[1]，對礦井巷道與硐室的掘進與支護及工作面頂板控制造成極大影響。

3 回采巷道圍巖與支護結(jié)構穩(wěn)定狀況監(jiān)測與分析

3.1圍巖物理力學性能分析

通過現(xiàn)場鉆取或掏撬各煤層頂、底板巖層巖石試樣，所測試樣物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 各煤層頂、底板巖層巖石物理力學參數(shù)

從表1中可以得出各煤層頂、底板巖層巖石試樣強度較低，且松散性較大，遇水后7小時內(nèi)全部泥化、崩解。

3.2 回采巷道圍巖松動狀態(tài)的地質(zhì)雷達探測與分析

巷道圍巖與支護結(jié)構承載性能的監(jiān)測工作是巷道施工的一個重要組成部分，具有不可或缺的重要作用[1-2]。為充分了解巷道壓力和圍巖破裂情況，需對巷道圍巖的松動圈進行測試。測試工作在開巷一段時間后進行，一般中小松動圈的形成需時7～15d，大松動圈的形成需時1～3個月[3]。五間房煤礦實驗巷道松動圈測試工作是采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的RAMAC探地雷達來進行，其可實現(xiàn)連續(xù)全斷面測量和沿巷道走向方向的測量。探測方法是在1302回風順槽的頂板、底板和兩幫進行地質(zhì)雷達探測。雷達測線布置是沿著巷道軸線，采用輪測法，探測深度為5.0m，每個斷面布置4條測線。測試時，每隔30～50m設置一個測試斷面，每條巷道布置5個測試斷面，每個測試斷面沿斷面布置4條測線。另外，巷道走向分別沿頂板、底板和兩幫也布置4條測線。

地質(zhì)雷達探測結(jié)果顯示左幫圍巖破碎深度2.0～3.3m；頂板圍巖破碎深度3.0m左右；右?guī)蛧鷰r破碎深度2.5m左右；底板圍巖較完整，呈層狀特征。

4 回采巷道斷面形狀與支護結(jié)構形式的選擇

4.1 回采巷道斷面形狀方案與選擇

回采巷道斷面形狀的選擇主要取決于以下三個方面的因素：所穿過的圍巖的性質(zhì)、地壓大小和來壓方向；用途與服務年限的長短；支護形式、支架材料與結(jié)構、巷道斷面利用率，施工難度及費用等[4]。

對于服務年限較長的基本巷道，需要保證圍巖的長期穩(wěn)定性和在服務期間盡量不用維修，因此一般采用拱形巷道。 當圍巖松軟、礦井深處或出于斷層破碎帶是可采用圓形或馬蹄形巷道。圍巖堅硬時也可用梯形、矩形巷道。服務年限短或臨時性的巷道常采用梯形或矩形巷道[5]。

本礦地質(zhì)條件較差、支護難度大，為保證正常使用時的安全性要求，需選擇拱形斷面形式。 在承載性能上半圓拱形最好，三心拱形較差；從斷面使用率考慮，三心拱形利用率最高，半圓拱最低；從施工難易程度考慮，依次為半圓拱形、切圓拱形、三心拱形。采用矩形斷面時要求滿足凈斷面5.0m×3.0m。但考慮到3-3煤層及頂?shù)装鍘r層的物理力學特性極其軟弱，采用常規(guī)矩形斷面時，在采用錨網(wǎng)支護的同時無法及時實施錨索支護，從而難以維持巷道頂板的基本穩(wěn)定。通過以上分析選擇切圓拱形，此斷面形狀既保證了較高的承載能力和斷面利用率，也比較方便施工。

4.2 回采巷道斷面形狀與支護結(jié)構形式的建議

根據(jù)五間房西一礦3-3煤層及底板巖層特性，需將回采巷道全部布置在煤層中，且巷道底板留1.0 m厚以上的煤層，這樣根據(jù)煤層厚度的不同，可以采用不同的支護體系：

1)當煤層厚度達到7.0m以上時，可以采用以錨網(wǎng)為主的聯(lián)合支護結(jié)構。

2)當煤層厚度在4.0～7.0 m時，可采用錨網(wǎng)與型鋼支架相結(jié)合的聯(lián)合支護結(jié)構。

3)當煤層厚度小于4.0 m時，則采用以型鋼支架與噴網(wǎng)相結(jié)合的聯(lián)合支護結(jié)構。

5 煤層7.0 m厚以上條件下回采巷道支護參數(shù)設計

初次支護結(jié)構形式采用及時進行錨網(wǎng)支護，并采用型鋼支架加強支護，支架采用16#工字鋼制作，排距1.4m。錨網(wǎng)支護時選用高強螺紋鋼錨桿，錨桿規(guī)格為Ф20mm×2400mm，錨桿的間排距為700mm×700mm，如圖1所示。

圖1 回采巷道初次支護結(jié)構圖

二次錨注時，注漿時采用單液水泥-水玻璃漿液，水灰比控制在0.8～1.0，水玻璃的摻量為水泥用量的3%～5%，漿液固結(jié)體強度不低于20MPa，注漿壓力控制在2.0MPa以內(nèi)。

6 復合支護結(jié)構與參數(shù)設計的數(shù)值模擬優(yōu)化分析

6.1 錨桿長度作用規(guī)律

分別對錨桿長度為2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m等5種情況進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見表2。

表2 不同錨桿長度支護條件下最大水平/豎直位移表

6.2 錨桿間排距作用規(guī)律

分別對錨桿間排距為500mm×500mm、600mm×600mm、700mm×700mm、800mm×800mm、900mm×900mm、1000mm×1000mm等6種情況進行了模擬，模擬結(jié)果見表3。

表3 不同錨桿間排距條件下最大水平/豎直位移表

6.3 噴網(wǎng)層和破碎圍巖注漿加固作用分析

通過對噴網(wǎng)層支護和不支護兩種情形進行了對比模擬分析。使得圍巖的最大變形量從213.5mm降到139.6mm，兩幫的變形情況也有所改善，但是不如頂板處明顯，只從216.6mm降到194.5mm。

采用注漿加固后最大豎直變形量從213.5mm降為161mm，最大水平位移從216.6mm降為154.9mm。

6.4 復合支護結(jié)構和參數(shù)的優(yōu)化

通過對復合支護和單個支護的模擬，復合支護的效果明顯好于單個支護的作用，圍巖控制效果也更明顯，最大豎直位移由213.5mm降為79.2mm，最大水平位移由216.6mm降為77.4mm，并且發(fā)生比較大的變形的范圍也明顯變小。

7 回采巷道合理支護結(jié)構形式的建議

根據(jù)以上分析，給出不同埋深條件下開拓巷道合理支護結(jié)構形式的建議如下：

1)煤層厚度>7.0m：建議采用以錨網(wǎng)為主的聯(lián)合支護。 初次支護采用錨網(wǎng)噴+型鋼支架支護。錨桿采用規(guī)格為Ф20mm ×2400mm高性能螺紋鋼錨桿，間排距700mm×700mm，并配有鋼筋網(wǎng)和鋼筋托梁。二次支護采用全斷面注漿加固。采用單液水泥-水玻璃漿液，水灰比在0.8～1.0左右，水玻璃為水泥用量的3%～5%。漿液結(jié)石率不低于92%，漿液固結(jié)體強度不低于20MPa，注漿壓力控制在2.0MPa以內(nèi)。

(2)煤層厚度4.0～7.0m：建議采用錨網(wǎng)與型鋼支架相結(jié)合的聯(lián)合支護。錨桿采用規(guī)格為Ф20mm×2400mm高性能螺紋鋼錨桿，間排距700mm×700mm，并配有鋼筋網(wǎng)和鋼筋托梁。型鋼支架由20#槽鋼制作，排距1.4 m。

(3)煤層厚度< 4.0m：建議采用型鋼支架+噴網(wǎng)支護。型鋼支架采用U29型鋼支架，排距700mm，噴射混凝土厚度100mm，鋪設鋼筋網(wǎng)。

[1] 高廣遠,黃尊英. 內(nèi)蒙五間房一礦軟巖井巷施工技術探討[J].中國煤炭，2011,20(7):103-104.

[2] 秦昊,茅獻彪,徐金海.軟弱頂板煤巷圍巖變形破壞特征數(shù)值分析[J].采礦與安全工程學報,2006,23(30): 289-292.

[3] 李樹清,王衛(wèi)軍,潘長良,等.加固底板對深部軟巖巷道兩幫穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].煤炭學報,2007,32(2):123-126.

[4] 康紅普.煤巷錨桿支護成套技術研究與實踐[J].巖石力學與工程學報,2005,24(21):3959-3964.

[5] 賀永年,韓立軍,邵鵬,等.深部巷道穩(wěn)定的若干巖石力學問題[J].中國礦業(yè)大學學報,2006,35(3):288-295.