復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖控制技術(shù)探討

崔中明

（山西焦煤西山煤電<集團>有限責(zé)任公司，山西太原030082）

復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖控制技術(shù)探討

崔中明*

（山西焦煤西山煤電<集團>有限責(zé)任公司，山西太原030082）

保證復(fù)雜地質(zhì)條件下的巷道穩(wěn)定性是礦山圍巖控制的難點，總結(jié)發(fā)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖變形有初期來壓快、變形大，易發(fā)生冒頂、片幫、底鼓等現(xiàn)象，給出了復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道支護的一般對策。以西山煤電下屬某煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道為例，分析了其變性破壞的原因，并給出了針對性的支護優(yōu)化措施，取得了良好的支護效果，對類似礦井巷道支護設(shè)計具有借鑒意義。

巷道支護；復(fù)雜地質(zhì)條件；支護優(yōu)化

我國煤炭資源分布廣泛，北起黑龍江、內(nèi)蒙,南到廣東、廣西,東起山東、浙江,西到新疆、青海的廣大遼闊的幅員內(nèi)均有分布。其中有復(fù)雜地質(zhì)條件的礦井遍布全國各主要產(chǎn)煤省區(qū)，且隨著老礦井采深的增加，復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦的數(shù)量和分布范圍將會繼續(xù)增加和擴大。由此引發(fā)的復(fù)雜圍巖條件下巷道的支護問題日益突出，也是近年來巷道支護中問題的難點。

康紅普[1]將復(fù)雜地質(zhì)條件圍巖分為低強度軟巖、膨脹性軟巖、高地應(yīng)力軟巖、節(jié)理化軟巖、復(fù)合型軟巖5大類型。認(rèn)為復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖變形量大，有明顯的時間效應(yīng)，表現(xiàn)為四周來壓，且對環(huán)境變化比較敏感。柏建彪等[2]研究認(rèn)為深部巷道圍巖控制的基本方法是提高圍巖強度、轉(zhuǎn)移圍巖高應(yīng)力以及采用合理的支護技術(shù)。劉全林[3]等建立了錨注支護計算的力學(xué)模型，分析了錨注支護對具有流變特性圍巖在維護其穩(wěn)定性方面的作用，表明錨注支護對維護破碎圍巖的穩(wěn)定具有顯著效果。尹光志[4]等通過現(xiàn)場多種支護方式試驗對比與測試表明“錨梁網(wǎng)+拱形支架”聯(lián)合支護是一種有效的、適合高應(yīng)力軟巖下的巷道支護方式。

由以上分析可見，復(fù)雜地質(zhì)條件下的巷道圍巖變形機理千差萬別，一般是一種或多種類型的組合，但都表現(xiàn)為巷道圍巖初期來壓快、變形大，極易發(fā)生冒頂、片幫等破壞現(xiàn)象，并伴隨有強烈底鼓。其支護方法往往具有某些共性，掌握并在現(xiàn)場施工中遵循這些基本原理和方法，才能保證復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道的支護效果。

1 復(fù)雜地質(zhì)條件圍巖支護對策

對由于地應(yīng)力、動壓、地質(zhì)構(gòu)造、成巖作用及巖體成分等因素影響復(fù)雜困難巷道，應(yīng)從以下幾個方面改進巷道支護設(shè)計。

（1）以深入認(rèn)識巷道地壓顯現(xiàn)規(guī)律為前提。巷道支護荷載的復(fù)雜變化表現(xiàn)為巷道地壓顯現(xiàn)，尤其對于復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道，其圍巖變形破壞對地壓顯現(xiàn)十分敏感。巷道支護設(shè)計中應(yīng)首先正確掌握巷道地壓顯現(xiàn)規(guī)律，所以說深入認(rèn)識巷道的地壓顯現(xiàn)規(guī)律是解決此類巷道支護的前提。

（2）以認(rèn)清巷道圍巖變形破壞機理為基礎(chǔ)。復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖變形破壞可能受圍巖強度低、遇水膨脹、高地應(yīng)力等多種因素影響。找到引起巷道圍巖變形破壞的主要控制性因素，能有效避免巷道支護設(shè)計的盲目性，從而正確認(rèn)識巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征及其變形破壞機理，這是有效進行巷道圍巖控制的基礎(chǔ)。

（3）以開發(fā)針對性的支護設(shè)計方法為手段。煤礦井下掘進巷道所面臨的地質(zhì)環(huán)境千差萬別，常規(guī)的支護設(shè)計方法及其施工工藝沒有考慮巷道的特殊條件，往往造成支護效果不佳。因此在掌握巷道地壓顯現(xiàn)規(guī)律和圍巖變形破壞機理的基礎(chǔ)上，考慮該煤礦的特有的地質(zhì)和生產(chǎn)技術(shù)條件，開發(fā)具有針對性的支護設(shè)計方法，是解決此類巷道支護的唯一手段。

（4）以形成動態(tài)設(shè)計方法為目的。巷道的支護方案往往是在巷道還未施工時，根據(jù)有限的地質(zhì)資料即設(shè)計完成，其適用性不得而知。煤礦井下巷道掘進過程中，其地質(zhì)條件在不斷變化，并且受到各類采動應(yīng)力的影響，但其支護方案往往不能根據(jù)地質(zhì)條件的變化及時更改，這些因素都會影響巷道的支護效果。

動態(tài)設(shè)計方法是指先根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)條件進行巷道支護初步設(shè)計，在施工過程中布置監(jiān)控測試系統(tǒng)，從礦井巷道的開挖及支護過程中獲得圍巖穩(wěn)定性及支護設(shè)施的工作狀態(tài)信息，通過分析研究這些信息可以間接地描述圍巖的穩(wěn)定性和支護作用，反饋于施工決策和支持系統(tǒng)，修正和確定新的開挖方案的支護參數(shù)。這個過程隨每次掘進開挖和支護的循環(huán)進行一次，以及時改正巷道支護參數(shù)中的不妥之處，保證支護方案的適用性。

2 礦井概況

西山煤電主要開采西山、河?xùn)|、霍西3大煤田的煤炭資源，煤田面積789km2，資源總量92.1×108t。試驗礦井盤區(qū)內(nèi)煤系地層太原組—山西組地層總厚163.6m，盤區(qū)內(nèi)含煤系數(shù)6.55%,太原組沉積環(huán)境為海陸交互相，由灰黑色泥巖、深灰色砂質(zhì)泥巖、灰色粉砂巖、灰色細(xì)砂巖、灰色中砂巖、灰白色粗砂巖、深灰色石灰?guī)r、煤層組成。8#、9#煤層穩(wěn)定，盤區(qū)內(nèi)主要的全區(qū)可采煤層。8#煤厚平均為3.28m。9#煤厚平均3.59m。

試驗巷道位于北翼下組總回風(fēng)巷附近9#煤層，該區(qū)域基本為一北東高南西低的單斜構(gòu)造及次一級褶皺構(gòu)造，陷落柱發(fā)育。9#煤層厚度4.08m左右，煤層堅固性系數(shù)f≈0.7～1.0，老頂為灰色石灰?guī)r，厚度約7.19m，較硬，灰色石灰?guī)r,團塊狀,中部夾薄層黑色泥巖；直接底為深灰色頁巖，厚度約2.45m，老底為深灰色細(xì)砂巖。

該礦采區(qū)巷道沿煤層底板掘進，巷道所處地質(zhì)條件復(fù)雜，支護難度大，支護后巷道圍巖破壞嚴(yán)重，一般需多次返修。

3 巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

該礦綜采工作面在巷道初期施工中，使用?20mm×2500mm左旋螺紋鋼樹脂錨桿，?15.24mm× 7300mm鋼絞線錨索，“T100”型鋼帶支護。巷道掘進過程中，伴隨著綜掘機的前進，巷道頂部與邊幫頻繁出現(xiàn)煤爆聲，頂板附近的煤壁肉眼觀察可見片狀煤塊掉落，煤壁片幫明顯，成大塊條狀掉落，巷道斷面難成型，個別發(fā)生錨索斷裂的現(xiàn)象。此外巷道底鼓嚴(yán)重，隨掘隨鼓，一般底鼓量為800～1000mm，巷道掘進施工完成后，必須專門進行二次起底，才能保證巷道高度，滿足使用要求，回采期間工作面順槽變形嚴(yán)重，巷道兩幫收斂達1.5～2.0m，頂?shù)装迨諗孔冃芜_2.0～2.5m。

其中工作面回風(fēng)順槽施工至500m處發(fā)生頂板冒落，長度23m，高度7.5m?，F(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)：冒落段有裂隙，煤層直接頂板泥巖厚度達4.5m，滑面發(fā)育，鋼絞線錨索有個別斷裂，其他錨索錨固段正常。工作面運輸順槽420～450m段，巷道頂板下沉達200mm左右，多處錨索、鋼帶斷裂，鋼托梁變形。

4 巷道支護動態(tài)設(shè)計方案

由以上分析可知，巷道所處地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道圍巖破壞主要原因為埋深大、地應(yīng)力高、節(jié)理裂隙和滑面等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，底板巖層含有一定的粘土礦物和有機質(zhì)，遇水膨脹，強度迅速降低。根據(jù)其巷道圍巖變形破壞特點，巷道支護應(yīng)做到以下幾點：

（1）加強臨時支護。應(yīng)用交錯式掘進超前支護裝置，加強掘進臨時支護，提高臨時支護強度，防止頂板離層。

（2）嚴(yán)格控制控頂距離，及時支護。永久支護緊跟工作面迎頭，減少空頂時間，防止頂板離層下沉，減少巷道片幫。

（3）加強支護質(zhì)量管理。錨桿、錨索安裝質(zhì)量要符合要求，特別是錨桿預(yù)緊力、錨桿抗拉拔力、錨索預(yù)緊力等必須一次到位，并隨時檢查，發(fā)現(xiàn)松動應(yīng)及時二次上緊，杜絕錨桿、錨索失效，確保支護強度。

根據(jù)現(xiàn)場施工反饋，在巷道支護參數(shù)方面做了如下調(diào)整：

（1）提高錨索等級，錨索直徑由?15.24mm、?17.8mm提高到?21.8mm；錨索長度由7.3m提高到8.3m。

（2）提高錨索布置密度，由1600mm×1600mm，優(yōu)化調(diào)整為800mm×1600mm。

（3）提高“T”型鋼帶等級，由“T100”型提高到“T140”型。

(4)巷幫由原來的單個錨桿支護，優(yōu)化調(diào)整為錨桿鋼帶支護，采用“T”鋼帶將巷幫錨桿鉸接成整體，提高巷幫支護的強度。

(5)應(yīng)用瑞米加固Ⅰ號固化頂板，瑞米加固I號屬雙組分有機復(fù)合樹脂材料，雙組分注漿樹脂混合注入破碎煤、巖體后能迅速反應(yīng)并凝固，生成高強度、高韌性的樹脂材料，實現(xiàn)對破碎煤、巖體的加固及對其裂隙的封堵和阻燃。

在此基礎(chǔ)上，在工作面設(shè)計時，研究選擇適當(dāng)?shù)南镩g區(qū)段煤柱，盡量將巷道布置在降壓區(qū)內(nèi)，使工作面巷道所承受的載荷較小，減小采動壓力的影響。

在巷道采用底角錨桿爆破注漿技術(shù)，輔以底板卸壓槽，加強巷道底鼓治理，減少底鼓對巷道圍巖整體性的破壞，并采用C30混凝土配合鋼筋澆注反底拱。

此外，加強對巷道頂?shù)装逡平?、兩幫收斂量、離層發(fā)育情況、錨桿（索）荷載等礦壓顯現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測，掌握巷道圍巖變形破壞特征，預(yù)測可能發(fā)生的巷道事故，隨時采取一定的加強支護措施，并將支護效果反饋給支護設(shè)計，及時更改原設(shè)計中的不足之處。

采取以上支護措施之后，工作面順槽巷道頂?shù)装逡平坑辛嗣黠@的減少，最大頂?shù)装逡平繛椴坏?00mm，未發(fā)生冒頂、片幫事故，巷道頂板未發(fā)生明顯離層、下垂及網(wǎng)兜現(xiàn)象，基本不再需要返修。及時施加臨時支撐后，巷道在工作面采動壓力影響下未見明顯破壞，保證了工作面安全、順利生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）總結(jié)發(fā)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道圍巖變形破壞規(guī)律有初期來壓快、變形大，極易發(fā)生冒頂、片幫等破壞現(xiàn)象，并伴隨有強烈底鼓等共同特點。

（2）分析認(rèn)為復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道支護對策應(yīng)做到：從深入認(rèn)識巷道地壓顯現(xiàn)規(guī)律，加強巷道圍巖變形破壞機理的認(rèn)識，開發(fā)具有針對性的支護設(shè)計方法，形成動態(tài)信息化設(shè)計方法。

（3）通過工程實例分析認(rèn)為巷道圍巖破壞主要原因為埋深大、地應(yīng)力高、節(jié)理裂隙和滑面等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，底板巖層含有一定的粘土礦物和有機質(zhì)，遇水膨脹，強度迅速降低。并給出了相關(guān)的支護優(yōu)化措施，取得了較好的支護效果。

[1]康紅普.復(fù)雜地質(zhì)條件巷道支護技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[C]//中國科協(xié)2004年學(xué)術(shù)年會第16分會場論文集，中國煤炭學(xué)會,2004:319-326.

[2]柏建彪,侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006(2):145-148.

[3]劉全林,楊敏.軟弱圍巖巷道錨注支護機理及其變形分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2002(8):1158-1161.

[4]尹光志,王登科,張東明.高應(yīng)力軟巖下礦井巷道支護[J].重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2007(10):87-91.

TD32

A

1004-5716(2015)01-0179-03

2014-06-24

崔中明（1968-），男（漢族），山西昔陽人，工程師，現(xiàn)從事煤礦機電設(shè)備技術(shù)管理工作。