風氧化淺埋軟巖巷道變形機理及支護研究

孟 敏

(霍州煤電集團 晉北煤業(yè)有限公司, 山西 靜樂 035100)

在礦井開采過程中存在各種各樣復雜的地質條件，對安全開采形成嚴重威脅。其中，淺埋煤層在地表降水及日曬風化等作用下圍巖內部裂隙加速發(fā)育形成較為破碎的軟弱巖體，當巷道布置位于這些較為軟弱的巖體中時，巷道的支護存在著極大的難度[1]. 近年來，諸多學者對軟巖巷道支護做了大量的研究，傳統(tǒng)的支護方案有：通過高強度預應力端頭錨固錨索加固巷道頂部巖體結構，高強度錨索通過懸吊作用將較為不穩(wěn)定的巷道表面巖體懸吊于較為穩(wěn)定的巷道深部，提高圍巖強度使得回采過程中工作面巷道具有相對穩(wěn)定的結構，保證回采工作安全[2]；還可以通過注漿加固提高圍巖強度，注漿液體經(jīng)過高壓動能滲入圍巖已有的結構軟弱面，注漿液體凝結后強度較高能保證圍巖中原有的裂隙不再二次發(fā)育，使得巷道形成相對穩(wěn)定的結構。破碎軟巖支護方式有很多種，對于特殊的工程條件有不同的實用性，在工程實踐操作中需充分考慮地質環(huán)境、經(jīng)濟成本及支護效果[3].

以晉北煤業(yè)公司井下一采區(qū)5-101回采工作面巷道為研究背景，分析回采過程中巷道變形破壞特征及原有支護方案，提出使用礦用中空注漿錨索在頂板內注入添加有機材料的改良注漿液體加固圍巖，保證巷道穩(wěn)定,為礦井安全生產(chǎn)提供最為合理的支護方案。

1 工程背景

霍州煤電集團晉北煤業(yè)公司一采區(qū)5-101工作面，所采煤層為5#煤，賦存厚度3.8～5.1 m，平均厚度4.7 m為中厚煤層。工作面距離最近的村莊430 m，上覆存在30 m厚的黃土層及50 m厚的基巖，上覆蓋厚度較小，受地表降水下浸及風化作用，所掘進巷道上部巖層弱化較為嚴重。該工作面走向長度150 m，傾向長度150 m，在礦井設計時可采儲量142 700 t，設計回采率可達94%. 巷道直接頂為4 m厚的灰黑色泥巖，巖層中結構裂隙較為發(fā)育，巷道基本頂為灰黑色灰?guī)r，巖層中含有植物根莖化石和方解石，總厚度2.5 m，屬于中硬類巖石，巖層中結構裂隙和直接頂一樣較為發(fā)育。巷道直接底為含植物化石的泥巖，質地較軟呈灰黑色，厚度約2 m. 工作面涌水量10～20 m3/h，來自頂板上方裂隙涌水，對工作面影響較大，工作面下方奧灰水位較低，對工作面沒有威脅。所研究巷道斷面尺寸4.5 m×2.6 m，原始支護方案為錨桿錨索+金屬網(wǎng)支護，因煤層賦存較淺頂板巖體風化嚴重，錨索支護采用鋼絞線端頭錨固，錨固部位巖體松動錨固支護效果不佳，巷道破壞嚴重。

2 錨桿錨索支護巷道破壞分析

2.1 巷道破壞特征

在5-101工作面掘進初期，采用錨索錨桿加金屬網(wǎng)的支護方案對所采工作面運輸與回風順槽進行支護，由于巷道上方圍巖風化嚴重加之透水軟化，錨索在錨固后5天內脫落率達40%，金屬網(wǎng)內巖石破碎，破碎塊直徑小于30 cm，金屬網(wǎng)下沉面積達70%，頂板最大下沉量超過20 cm，設置于巷道內的頂板離層儀在距該工作面所開切眼50 m處，均超出了頂板下沉安全數(shù)值。

2.2 巷道圍巖破壞因素

在回采工作面及巷道頂板破壞區(qū)域內選取破壞后煤及巖石樣本對圍巖破壞因素進行研究，觀察工作面頂板巖體及煤體的破壞可知，由于煤層賦存較淺，在地表降水及日曬風化的共同作用下巷道圍巖裂隙較多，上部降水沿著巖體裂隙下滲軟化巖體，使得工作面圍巖難以支護，綜合分析該運輸巷道破壞因素主要有以下幾個方面：

1) 上覆蓋較淺致使巖體風化變軟。由于工作面埋深僅為80 m左右，其中還包含約30 m的黃土層，土層較為疏松致使巖體有充分的氧化條件，經(jīng)過長期地表風化侵蝕，在巷道開挖后頂板出現(xiàn)大量裂隙，頂板巖體破碎塊直徑小于20 cm，裂隙最大寬度超過2 mm，破碎的圍巖通過普通的錨桿錨索無法形成穩(wěn)定的拱梁支護結構，巷道支護難度較大。

2) 結構面導水軟化圍巖。地表降水不僅可以侵蝕上覆表土層，使得水土流失逐年加劇，煤層埋深不斷變小，降水還會沿著巖體結構面下浸，長時間不斷的侵蝕使原有的結構面更加軟弱。工作面涌水量達10～20 m3/h，巖體中原有的裂隙在涌水作用下不斷增大，破碎的巖體之間出現(xiàn)松動現(xiàn)象，完整的巖體不斷吸水，內部還會遇水膨脹產(chǎn)生新的裂隙。

3) 煤體自身遇水軟化。工作面巷道沿頂板布置，巷道一側為所采煤層，當巷道開挖后上方頂板含水進入工作面軟化煤體，巷道兩幫的支撐力減小，巷道破壞更容易發(fā)生。工作面回采所得煤塊直徑均小于15 cm，其中粉末狀煤炭占所采煤總體積的40%，較軟的煤層也會導致頂板礦壓顯現(xiàn)劇烈，給支護增加難度。

3 巷道支護方案研究

5-101工作面回采巷道在掘進過程中時常遇到受風氧化的圍巖和煤層，圍巖極為松動，當巷道掘進機高功率運行時產(chǎn)生的采掘動壓會直接擾動頂板巖層，掘進形成的巷道形狀本身難以規(guī)則且支護時圍巖極易松動，對礦井安全生產(chǎn)產(chǎn)生極大威脅。

巷道原有的支護方案為錨桿錨索加金屬網(wǎng)支護，支護方案見圖1，巷道兩幫及頂板采用d22 mm，長度1.5 m的左旋螺紋鋼錨桿，兩幫間排距700 m×1 000 mm，頂板間排距為840 m×1 000 mm，由于頂板圍巖較為破碎，因此僅在巷道頂部間隔1 600 mm布置兩根錨索，且排距設置為3 000 mm，在錨索強度足夠的情況下盡可能減少錨索鉆孔對圍巖的破壞。因原支護方案錨索錨固點為巷道上部6.35～7.3 m，頂板該段巖性為裂隙較為發(fā)育的細粒砂巖，在較大預緊力及破碎頂板的共同作用下，所開挖的運輸巷道50 m范圍內出現(xiàn)大量漏頂現(xiàn)象。

圖1 預應力鋼絞線錨索支護方案圖

由于頂板破碎巖體塊直徑小于20 cm，裂隙寬度達2 mm，對于極為破碎頂板的支護通常采用注漿加固的方式穩(wěn)定巷道圍巖。在該巷道頂板錨桿兩排中間設置注漿孔，見圖2. 該孔的深度與錨桿孔深度相同，采用42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1進行剛性注漿加固。在巷道50～60 m對該支護方案進行試驗，因為錨桿孔深度有限，仍然無法改變錨索錨固脫落的現(xiàn)象。

圖2 錨桿排間剛性注漿孔布置圖

原錨索支護與頂板剛性材料注漿從根本上無法解決支護中錨索錨固點破碎,錨固失效問題，綜合礦井實際生產(chǎn)狀況并參考同類型工作面巷道支護方案,提出采用中空礦用錨索注漿加固的方式提高頂板更深處的圍巖承載能力。注漿采用SKZ22-1/1860中空礦用注漿錨索，中空錨索可直接作為注漿孔，有利于注漿液體擴散，該錨索d22 mm，由于注漿液體充填錨索全長錨固，抗壓強度可達1 860 MPa. 對于頂板較深處注漿，采用42.5普通硅酸鹽水泥加8%的ACZ-Ⅱ注漿添加劑作為注漿液體，注漿水灰比0.8～1.5，根據(jù)注漿壓力變化適當調整。在有機添加劑的作用下，注漿液體擴散較為充分，中空錨索有機材料注漿的效果圖見圖3，注漿液體可以擴散至錨索錨固段，可有效地解決錨索滑脫問題。

圖3 中空錨索注漿加固擴散范圍圖

4 支護方案作用機理及效果分析

4.1 支護方案作用機理

采用中空錨索有機材料注漿加固的方式，主要是通過注漿改變巖體的力學性能，提高其支護效果。其支護機理主要包括以下幾點：

1) 防止風化及地表水侵蝕。

當注漿液體沿著頂板原有的裂隙進行封堵充填后，可有效地隔絕空氣繼續(xù)進入頂板裂隙氧化結構面，同時防止地下水下滲侵蝕巖體，對圍巖強度繼續(xù)降低有阻礙作用。

2) 多層組合拱結構支護體系。

注漿液體沿著中空錨索擴散，在巷道頂板0～8 m內有效充填，巷道頂板形成多個組合拱體，包括錨索預緊力壓縮拱和注漿端頭擴散拱，不同層次的組合拱體使頂板承載范圍更大。

3) 提高圍巖自身支護體強度。

將注漿液體注入頂板后，原有的破碎松散巖體形成較為穩(wěn)定的膠結整體，巖體整體抗拉抗壓強度都會有所提高，圍巖自身形成穩(wěn)定的支護結構。

4) 提高支護結構的整體強度和平衡性。

中空注漿錨索為全長錨固，在錨固初期依靠施加于錨索的預緊力可有效控制圍巖初期變形，在注漿體凝固之后錨索和注漿體形成聯(lián)合支護整體，共同承載，避免應力集中，提高了支護結構的整體強度和平衡性。

5) 支護體受力平衡，避免應力集中導致局部破壞。

注漿加固后頂板形成一個穩(wěn)定的結構體，來自上方的頂板壓力直接傳遞至巷道兩幫，通過巷道兩幫卸載及載荷傳遞，支護體范圍變大，巷道圍巖塑性變化受到抑制，巷道趨于穩(wěn)定。

4.2 支護效果分析

在5-101運輸巷道現(xiàn)場，應用原始鋼絞線錨索支護、頂板錨桿排間剛性材料注漿、中空錨索改良材料注漿3種支護方案進行試驗，同時監(jiān)測該巷道頂板中心點位移，不同的支護體系下頂板位移對比見圖4.

圖4 不同支護方案頂板下沉量對比圖

通過圖4對比可知，使用鋼絞線錨索支護時巷道頂板破碎位移量可達23 cm，還伴有漏頂現(xiàn)象出現(xiàn)，通過錨桿排間剛性材料注漿可控制頂板表面圍巖破壞，頂板變形量為18 cm，在中空錨索改良材料注漿加固下，巷道頂板最大位移量控制在7 cm的范圍內，巷道變形得到控制。

5 結 論

1) 5-101工作面頂板破碎主要是因為鋼絞線錨索錨固點處于破碎風化巖體內，錨固段脫落導致支護效果不佳。

2) 采用普通錨桿排間剛性材料注漿加固頂板，注漿范圍僅為1.5 m深的錨桿支護范圍，無法從根本上解決錨索錨固脫落的問題。

3) 在中空錨索改良材料注漿支護方案下，不僅解決了錨固段圍巖破碎無法固定錨索的問題，同時加固了整個支護范圍，形成完整的支護體系，將頂板變形量控制在7 cm的范圍內，實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)。