馬蘭礦10608 低抽巷松散軟弱圍巖控制技術(shù)研究

張 超

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭礦， 山西 古交 030200）

我國(guó)是以煤炭為主要消費(fèi)能源的產(chǎn)煤大國(guó)，煤炭支撐著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，隨著煤炭開采強(qiáng)度的持續(xù)增加，國(guó)內(nèi)中東部淺埋、易采煤層已逐漸開采殆盡，煤炭開采面臨的條件日益復(fù)雜化[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，礦井瓦斯事故一直是礦井災(zāi)害中發(fā)生頻率、傷害程度最大的[2]。目前，瓦斯抽采成為我國(guó)高瓦斯礦井、煤與瓦斯礦井工作面開采前的首要工作，其中工作面布置低抽巷進(jìn)行瓦斯作為一項(xiàng)治理瓦斯的手段應(yīng)用較為廣泛[3]。

隨著煤炭開采條件的惡化，深井巷道、軟巖巷道圍巖大變形情況日益突出[4,5]，其中，軟巖巷道具有自穩(wěn)時(shí)間短、持續(xù)、快速大變形等特點(diǎn)，巷道維護(hù)相對(duì)困難。而低抽巷圍巖穩(wěn)定能夠有效保障其持續(xù)安全抽采瓦斯，保障工作面安全正常生產(chǎn)，因此，礦井對(duì)底抽巷斷面尺寸要求、圍巖表面收斂情況都有著明確規(guī)定和要求[6]。馬蘭礦10608 低抽巷圍巖松散軟弱，易大變形，為保障試驗(yàn)巷道服務(wù)期間，其斷面尺寸、變形發(fā)育情況滿足瓦斯抽采要求，本文以10608 低抽巷松散軟弱圍巖為研究對(duì)象，通過分析軟巖巷道變形規(guī)律，揭示軟巖巷道失穩(wěn)及穩(wěn)定控制路徑，開發(fā)馬蘭礦10608 低抽巷松散軟弱圍巖控制技術(shù)，研究成果可為類似條件巷道圍巖控制提供借鑒。

1 工程背景

馬蘭礦位于山西古交（見圖1），位于低山區(qū)，整體呈西南高、東北低，年產(chǎn)400 萬(wàn)t。10608 工作面回采山西組02 煤層，平均厚度2.00 m；上部存在0.2 m偽頂；直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，遇水易變軟，厚度在2.2～4.7 m 之間，平均3.4 m；基本頂為強(qiáng)度較大的粉砂巖，平均厚度3.1 m；基本底為2.6 m 的細(xì)砂巖，瓦斯含量較高，為此，馬蘭礦計(jì)劃布置低抽巷進(jìn)行10608 工作面瓦斯抽采，10608 低抽巷布置在松散軟弱圍巖，屬軟巖巷道，斷面寬4.8 m，高2.8 m。

圖1 馬蘭礦地理位置圖

2 軟巖巷道變形規(guī)律特征

軟巖巷道包括工程軟巖巷道和地質(zhì)軟巖巷道，該類巷道圍巖具有明顯的流變現(xiàn)象，易失穩(wěn)，支護(hù)不當(dāng)極可能導(dǎo)致巷道大變形，在提出軟巖巷道圍巖控制技術(shù)之前，首先進(jìn)行分析軟巖巷道的變形特征，下頁(yè)圖2 給出了幾條軟巖巷道現(xiàn)場(chǎng)變形照片，從圖2中可以看出軟巖巷道圍巖變形情況十分嚴(yán)重。

下面總結(jié)了幾條軟巖巷道變形特征：

1）自穩(wěn)時(shí)間短。巷道掘出后，若不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，幾個(gè)小時(shí)、甚至幾十分鐘巷道就開始失穩(wěn)。

2）持續(xù)、快速大變形。軟巖巷道具有變形時(shí)間長(zhǎng)、速度快、變形大等特點(diǎn)，普遍存在持續(xù)變形時(shí)間高達(dá)半年以上、變形量高達(dá)1 m 以上、變形速度高達(dá)50 mm/d 以上。

3）底鼓劇烈。劇烈底鼓誘發(fā)巷道兩幫出現(xiàn)臺(tái)階式變形，頂板冒落，最終導(dǎo)致巷道失穩(wěn)災(zāi)變，因此軟巖巷道底板支護(hù)尤其關(guān)鍵。

4）不適用剛性支護(hù)。由于變形量大，圍巖自身承載能力低，剛性支護(hù)易損壞。

由于剛性結(jié)構(gòu)支護(hù)的不適用，預(yù)應(yīng)力錨桿（索）支護(hù)成為目前軟巖巷道柔性支護(hù)的首選。

圖2 軟巖巷道現(xiàn)場(chǎng)變形照片

3 軟巖巷道控制技術(shù)

3.1 軟巖巷道穩(wěn)定控制原則

1）協(xié)調(diào)變形原則。協(xié)調(diào)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載變形與圍巖變形完整性，降低碎脹變形量，適應(yīng)巷道來(lái)壓時(shí)的應(yīng)力變化。

2）一體化原則。支護(hù)結(jié)構(gòu)-圍巖一體化，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，促使支護(hù)-圍巖形成整體承載結(jié)構(gòu)，一體化承載。

3）局部強(qiáng)化原則?，F(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用時(shí)，局部薄弱區(qū)域，如斷層、褶曲等構(gòu)造附近，采用加強(qiáng)支護(hù)，避免局部誘發(fā)巷道整體災(zāi)變。

3.2 軟巖巷道穩(wěn)定控制思路

1）強(qiáng)化軟巖巖體承載性能。圍巖注漿強(qiáng)化。采用水泥漿液（水灰比為1.0∶1.5）注漿提高軟巖巖體承載性能，形成高強(qiáng)度錨固體，降低巖體碎脹變形能力，選擇急增阻高承載中空注漿錨索實(shí)現(xiàn)錨注一體化，水泥漿液通過注漿芯管，滲透軟巖巷道圍巖裂隙，黏結(jié)松動(dòng)圍巖，改善巷道圍巖條件，顯著提高其自承能力，能夠減少圍巖錨固力的衰減，實(shí)現(xiàn)一次強(qiáng)化圍巖。

2）高強(qiáng)度護(hù)表+“三高錨桿”+預(yù)應(yīng)力錨索。“三高錨桿”（高強(qiáng)度、高剛度、高預(yù)緊力）進(jìn)一步強(qiáng)化思路1）中形成的高強(qiáng)度錨固體，高強(qiáng)度護(hù)表材料約束巷道淺部圍巖碎脹變形（片幫、頂板局部脫落的現(xiàn)象），限制破裂巖體的剪切滑移變形，實(shí)現(xiàn)二次強(qiáng)化圍巖；預(yù)應(yīng)力錨索將巷道淺部圍巖高強(qiáng)度錨固體與深部巖體錨固成一體，實(shí)現(xiàn)多次強(qiáng)化支護(hù)。

3）混凝土厚噴層防風(fēng)化+支護(hù)結(jié)構(gòu)合理補(bǔ)償?；炷梁駠妼?0 mm 封閉圍巖，進(jìn)行巷道礦壓顯現(xiàn)觀測(cè)，進(jìn)行局部加強(qiáng)支護(hù)，采用大直徑錨索+三高錨桿及時(shí)修復(fù)所損壞的支護(hù)結(jié)構(gòu)，避免巷道出現(xiàn)大變形現(xiàn)象。

3.3 控制技術(shù)

馬蘭礦10608 低抽巷松散軟弱圍巖控制技術(shù)主要包括圍巖注漿強(qiáng)化、高強(qiáng)度護(hù)表+“三高錨桿”+預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)、混凝土厚噴層封閉巖層3 部分組成，具體如下：

3.3.1 圍巖注漿強(qiáng)化

采用水泥漿液（水灰比為1.0∶1.5）注漿，注漿孔直徑30 mm，長(zhǎng)度2 m，間排距1.4 m×1.8 m，急增阻高承載中空注漿錨索規(guī)格L4.3 m×Φ22 mm，配規(guī)格150 mm×150 mm、厚15 mm 蝶形托盤，頂板間排距1.4 m×1.6 m。

3.3.2 高強(qiáng)度護(hù)表+“三高錨桿”+預(yù)應(yīng)力錨索

1）頂板支護(hù)。錨桿規(guī)格為L(zhǎng)2.2 m×Φ22 mm 左旋高強(qiáng)錨桿，間排距0.8 m×0.8 m，配規(guī)格150 mm×150 mm、厚15 mm 蝶形托盤，采用6 mm 雙筋梯子梁鏈接；錨索規(guī)格為L(zhǎng)6.3 m×Φ21.6 mm，采用2-1-2 布置，間距2.2 m，排距0.8 m，配規(guī)格300 mm×300 mm、厚20 mm 蝶形托盤，采用M 型鋼帶連接（厚3 mm），鋼筋網(wǎng)10 號(hào)鋼筋編制而成，規(guī)格4.8 m×1.0 m 搭接而成。

2）兩幫支護(hù)。錨桿規(guī)格為L(zhǎng)2 m×Φ22 mm 左旋高強(qiáng)錨桿，間排距0.8 m×0.8 m，配規(guī)格150 mm×150 mm、厚15 mm 蝶形托盤，采用6 mm 雙筋梯子梁鏈接；錨索規(guī)格為L(zhǎng)4.3 m×Φ21.6 mm，間距1.2 m×1.6 m，配規(guī)格300 mm×300 mm、厚20 mm 蝶形托盤，采用M 型鋼帶連接（厚3 mm），鋼筋網(wǎng)10 號(hào)鋼筋編制而成，規(guī)格3.0 m×1 m 搭接而成。

3）底板支護(hù)。錨桿規(guī)格為L(zhǎng)2.2 m×Φ22 mm 左旋高強(qiáng)錨桿，幫部一排，距底板0.2 m，角度15°，底板一排，距底角0.2 m，間排距0.8 m，角度45°。

3.3.3 混凝土厚噴層50 mm 封閉圍巖

4 控制效果分析

馬蘭礦10608 低抽巷松散軟弱圍巖控制技術(shù)應(yīng)用后，進(jìn)行了巷道表面位移收斂情況觀測(cè)，圖4 給出了巷道表面位移收斂與時(shí)間的變化曲線，從圖中可以看到試驗(yàn)巷道變形可分為迅速變形（平均變形速率2～3 mm/d）、緩慢變形（平均變形速率低于0.5 mm/d）兩個(gè)階段，其中巷道掘出后迅速變形約20 d 后，巷道變形進(jìn)入緩慢變形階段，巷道左幫最大移近量約41 mm，右?guī)妥畲笠平考s44 mm，頂板最大移近量約33 mm，底板最大移近量約5 757 mm，總體來(lái)看，巷道底鼓相對(duì)嚴(yán)重，但試驗(yàn)巷道在服務(wù)期內(nèi)并未出現(xiàn)大變形，滿足底抽巷服務(wù)要求，巷道圍巖穩(wěn)定控制效果較好。

圖3 巷道支護(hù)斷面（mm）

圖4 巷道表面移近量

5 結(jié)論

1）分析得到了軟巖巷道變形規(guī)律特征：自穩(wěn)時(shí)間短，持續(xù)、快速大變形，底鼓劇烈，剛性支護(hù)易損壞等特點(diǎn)。提出了軟巖穩(wěn)定控制三個(gè)原則：協(xié)調(diào)變形原則、一體化原則、局部強(qiáng)化原則。基于此，形成了軟巖巷道穩(wěn)定控制思路：強(qiáng)化軟巖巖體承載性能；高強(qiáng)度護(hù)表+“三高錨桿”+預(yù)應(yīng)力；錨索混凝土厚噴層防風(fēng)化+支護(hù)結(jié)構(gòu)合理補(bǔ)償。

2）開發(fā)了馬蘭礦10608 低抽巷松散軟弱圍巖控制技術(shù)：圍巖注漿+中空注漿錨索強(qiáng)化圍巖形成高強(qiáng)度錨固體；高強(qiáng)度護(hù)表+“三高錨桿”+預(yù)應(yīng)力錨索二次強(qiáng)化圍巖，促使淺部-深部巖體一體化；混凝土厚噴層封閉圍巖防風(fēng)化+支護(hù)結(jié)構(gòu)合理補(bǔ)償。目前，該控制技術(shù)已成功應(yīng)用于馬蘭礦10608 低抽巷，礦壓監(jiān)測(cè)顯示，試驗(yàn)巷道松散軟弱圍巖控制效果良好，可為類似軟巖巷道、低抽巷圍巖控制提供參考。