大斷面軟巖硐室圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

任建國

(山西煤炭進出口集團 左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032699)

1 工程概況

鑫順煤業(yè)為兼并重組整合礦井，當(dāng)前礦井周邊上層煤開采均已關(guān)閉，整合后的礦井生產(chǎn)能力為180萬t/a。礦區(qū)15號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，位于石炭系上統(tǒng)太原組，平均厚度為4.5 m，煤層頂板的砂質(zhì)泥巖為灰黑色、水平節(jié)理、內(nèi)含炭質(zhì)，細砂巖為灰白色、以石英長石為主，石灰?guī)r為灰黑色、塊狀、致密堅硬、裂隙發(fā)育，底板主要為灰黑色泥巖、中部含砂質(zhì)。15號煤層是當(dāng)前礦井生產(chǎn)煤層，其煤倉布置在15號煤層和其頂板中，與運輸下山、聯(lián)絡(luò)巷相連，煤倉斷面由多個硐室組成，總長度49.8 m，如圖1所示，不同斷面規(guī)格尺寸見表1。

圖1 煤倉大斷面硐室平面(mm)

表1 不同斷面尺寸規(guī)格

2 大斷面軟巖硐室圍巖破壞規(guī)律分析

15號煤層是當(dāng)前礦井生產(chǎn)煤層，整合開采后其煤倉上部卸載大斷面硐室承載能力和服務(wù)年限進一步增加，斷面進一步擴大，尤其是1-1斷面等大斷面硐室，完全處于軟弱巖層中，產(chǎn)生了一系列嚴重的問題：

1) 硐室斷面增大后，由于圍巖種類以砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r居多，且?guī)r層厚度大，加上生產(chǎn)能力加大后工作面開采強度大，導(dǎo)致硐室受采動影響劇烈，軟弱圍巖不能夠有效承載動壓影響，造成硐室圍巖裂隙發(fā)育直至變形破壞[1]；

2) 整合改造后，硐室服務(wù)生產(chǎn)時間增長，原先充分發(fā)育的裂隙等宏觀變形受時間效應(yīng)影響進一步擴展，在軟弱圍巖得不到有效加固的情況下，變形持續(xù)時間長，累積變形量顯著；

3) 煤倉構(gòu)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多個大斷面單個硐室組成，單個硐室之間高度、跨度、連接方式多有不同，之間還存在有窄巖柱，受壓狀態(tài)下極易造成應(yīng)力集中，給硐室支護帶來困難[2]；

4) 隨著生產(chǎn)時間的增加和開采區(qū)域的擴大，大斷面硐室圍巖受到的擾動越來越大，初期支護強度遠不能滿足圍巖穩(wěn)定性控制需要，單個硐室破壞則會引起連鎖反應(yīng)，相互擾動導(dǎo)致整體失穩(wěn)。

3 煤倉大斷面軟巖硐室圍巖控制技術(shù)

3.1 控制思路

根據(jù)大斷面軟巖硐室的破壞特點可知，圍巖破壞原因主要有兩點[3-4]：一是圍巖強度較弱，不能承載較強的擾動影響；二是支護強度較弱，不能有效控制變形。針對以上兩點原因，可以采取“主動支護+高強支護”的控制思路，針對大斷面硐室斷面和關(guān)鍵薄弱部位進行穩(wěn)定性控制設(shè)計。首先，從圍巖強度方面入手，可以通過注漿加固改善硐室圍巖的整體承載力，還可以通過增設(shè)錨桿錨索將淺部圍巖與深部圍巖結(jié)合起來，形成堅固的承載體進行抵抗擾動影響；再者，通過調(diào)整原有錨桿索的支護預(yù)緊力、直徑或長度對原支護方式進行增強，達到整體控制的目的；最后，對相對薄弱的部位，如拱肩、單個硐室連接處等部位采取專門加固技術(shù)，增設(shè)錨桿索或注漿加固。

因此，結(jié)合煤倉圍巖控制現(xiàn)狀，綜合考慮施工難易、成本變化等方面，采取在大斷面硐室進行補打錨索加強支護、對薄弱部位專門支護和整體注漿加固的方式，使大斷面硐室圍巖結(jié)構(gòu)和支護體形成一個整體錨固結(jié)構(gòu)，保證硐室圍巖的整體穩(wěn)定性。由于篇幅所限，本文僅對1-1大斷面圍巖控制技術(shù)進行介紹。

3.2 控制技術(shù)

3.2.1 1-1大斷面軟巖硐室加強支護

煤倉硐室1-1斷面的原支護方案為：采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；錨索為D22 mm×10 500 mm的鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 600 mm。采用原支護時，斷面面積較大，圍巖受擾動影響后破碎狀態(tài)明顯，未能形成有效的支護承載體，因此需要補打長錨索進行補強支護。補打的錨索為高強預(yù)應(yīng)力鋼絞線，規(guī)格為D22 mm×15 000 mm，預(yù)應(yīng)力為300 kN，托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，承載力不低于400 kN，間排距為3 200 mm×1 600mm，有效錨固長度為2 000 mm，如圖2所示。補打長錨索后，硐室圍巖形成三個有效的承載圈，共同起到控制圍巖變形目的。

圖2 硐室斷面補打錨索示意(mm)

3.2.2 1-1大斷面軟巖硐室薄弱部位專門支護

由于1-1斷面拱肩和拱頂位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要對兩處部位進行專門加強支護。專門支護強度需要提升較高等級，采用4根錨索制成的組合支護裝置，單根錨索規(guī)格為D22 mm×15 000 mm，不同組的間排距為3 200 mm×3 200 mm，錨固劑為1支K2335、2支Z2360，每組采用一個托盤，規(guī)格為400 mm×400 mm×20 mm。如圖3所示，組合錨索支護專門針對硐室薄弱部分，能夠有效加強淺部圍巖與深部圍巖的整體性。

圖3 薄弱部位加強支護示意(mm)

3.2.3 1-1大斷面軟巖硐室圍巖注漿加固

針對1-1硐室圍巖性質(zhì)較為軟弱的問題，采取對硐室圍巖整體進行淺孔低壓注漿加固技術(shù)。注漿材料為525標(biāo)號超細水泥漿，水灰比0.8∶1～1∶1，氣動單液注漿泵的注漿壓力為2～3 MPa，注漿孔成“梅花”布置，間排距3.0 m×3.0 m，底角鉆孔向下傾斜30°，拱角鉆孔向上傾斜15°，其他鉆孔與巷道表面垂直，孔徑42 mm，孔深3.0 m，注漿順序為采用自下而上，先底角、再兩幫、最后頂角，注漿過程中嚴格控制注漿壓力，防止出現(xiàn)噴層變形和破壞。

3.3 應(yīng)用效果

1-1大斷面軟巖硐室在采用圍巖控制措施后，針對圍巖變形情況進行了跟蹤監(jiān)測，測站布置在大斷面硐室斷面的頂板上方、底板中央和兩幫位置，選取其中的測站一和測站三的數(shù)據(jù)進行分析，監(jiān)測結(jié)果如圖4。由圖4可知，在圍巖控制措施實施的兩周之內(nèi)，圍巖變形繼續(xù)成劇烈變化趨勢，兩幫變形量和頂?shù)装逡平烤暂^高速率增長，在20 d左右達到峰值，并趨于穩(wěn)定，隨著監(jiān)測時間的繼續(xù)增長，圍巖變形量均保持在同一水平內(nèi)，波動不大，最終頂?shù)装逡平繛?20 ～140 mm，兩幫移近量為100 ～110 mm，圍巖控制效果較好，說明采取的穩(wěn)定性控制措施是有效的。

圖4 硐室圍巖控制效果

4 結(jié) 語

1) 煤倉大斷面軟巖硐室斷面大、圍巖軟弱是出現(xiàn)變形破壞的主要原因，大斷面硐室破壞情況與斷面面積和圍巖強度成正比，圍巖控制措施主要圍繞改善圍巖強度和加強支護強度進行。

2) 通過對1-1大斷面軟巖硐室采取加強支護、薄弱部位專門支護和圍巖整體注漿技術(shù)后，對控制效果進行了監(jiān)測，結(jié)果表明，圍巖在經(jīng)歷20 d的變形破壞期后，最終頂?shù)装遄冃瘟繛?20～140 mm，兩幫變形量為100～110 mm，圍巖控制效果良好。