頂板及圍巖破碎巷道一體化支護(hù)技術(shù)研究

安鵬飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全生產(chǎn)指揮中心，山西 大同 037000）

引言

近年來(lái)，煤礦開(kāi)采深度逐漸增大，巷道圍巖松散破碎導(dǎo)致的開(kāi)采困難成為了限制煤礦開(kāi)采質(zhì)量提升的主要問(wèn)題之一，世界范圍內(nèi)相關(guān)人員對(duì)此進(jìn)行了細(xì)致的研究。文獻(xiàn)[1-3]主要研究深部軟巖巷道損壞原因和控制原理，得出結(jié)論錨桿大量布置在破碎程度嚴(yán)重的圍巖中是造成巷道承載力失效的關(guān)鍵因素，破碎的圍巖使得錨桿難以實(shí)現(xiàn)支護(hù)功能，無(wú)法提供足夠的強(qiáng)度，后承載力下降，對(duì)此提出“高強(qiáng)、完整、減壓”的理念。王連國(guó)等人對(duì)深部極高應(yīng)力極軟巖層巷道的破壞原因進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出錨注支護(hù)體系；張文等人在理論層面對(duì)軟弱破碎巷道破壞原因和圍巖支護(hù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出“錨噴+化學(xué)注漿”聯(lián)合支護(hù)的方式；劉洪濤等人根據(jù)彈性理論中布辛涅斯克方程以及莫爾強(qiáng)度理論，設(shè)計(jì)出一種新型的錨固串結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用效果較好。頂板破碎圍巖導(dǎo)致巷道整體難以成型，會(huì)出現(xiàn)頂板鏤空、離層、下沉、冒頂或者垮塌等現(xiàn)象，降低了巷道掘進(jìn)的效率，危害施工人員的施工安全。所以，分析頂板破碎巷道圍巖支護(hù)技術(shù)對(duì)巷道掘進(jìn)工作有著重要影響。本文基于晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦18311工作面進(jìn)行研究，針對(duì)頂板破碎巷道圍巖支護(hù)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種“錨護(hù)噴注”一體的巷道圍巖加固技術(shù)并展開(kāi)分析。

1 18311工作面概況

18311工作面傾斜長(zhǎng)度210 m、走向長(zhǎng)度1 050 m，工作面開(kāi)采8號(hào)煤層，煤層均厚3.5 m，平均傾角5°，屬于近水平開(kāi)采。煤層老頂是由5.0 m厚的石灰?guī)r構(gòu)成，巖層呈深灰色，含有少量黏土質(zhì)，有節(jié)理；直接頂是由2.5 m厚的泥巖構(gòu)成，巖層呈灰黑色，質(zhì)較軟；直接底由3.3 m厚的砂質(zhì)泥巖構(gòu)成。

泥巖自身質(zhì)地較軟導(dǎo)致煤層直接頂容易出現(xiàn)脫落垮塌現(xiàn)象，給回采巷道的掘進(jìn)過(guò)程中的互頂工作帶來(lái)了較大的困難，極易產(chǎn)生頂板鏤空現(xiàn)象，巷道整體難以成型，頂板離層以及下沉量超過(guò)相關(guān)指標(biāo)，特別是工作面運(yùn)輸巷部分區(qū)域回采過(guò)程中老頂巖層裂隙逐漸增大，給支護(hù)工作帶來(lái)了極大的困難；如果選區(qū)的支護(hù)方式不恰當(dāng)，很容易產(chǎn)生冒頂事故，因此需要設(shè)計(jì)一種科學(xué)合理的支護(hù)方式；在工作面回采巷道中，運(yùn)輸巷圍巖情況最差，因此選取其作為研究對(duì)象。

2 巷道圍巖變形破壞特征

在18311工作面運(yùn)輸巷頂板各處進(jìn)行鉆孔，詳細(xì)觀測(cè)運(yùn)輸巷頂板巖層的完整度，觀測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 巷道頂板裂隙發(fā)育探測(cè)結(jié)果

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果可知：運(yùn)輸巷頂板直接頂破碎情況嚴(yán)重，2.5 m厚的泥巖幾乎都處于破碎狀態(tài)，泥巖和粉砂巖交界區(qū)域有離層出現(xiàn)，5.0 m厚的粉砂巖近半出現(xiàn)嚴(yán)重的裂隙情況，頂板松動(dòng)圈大約為5.0 m。

現(xiàn)有的運(yùn)輸巷支護(hù)方案相關(guān)參數(shù)：頂板錨索數(shù)量2根，尺寸Φ22 mm×4 300 mm，相鄰錨索間距2 500 mm、排距1 000 mm；頂板錨桿數(shù)量6根，尺寸Φ20 mm×2 400 mm，相鄰錨索間距850 mm、排距1 000 mm；兩幫錨索布置一致，均為3根，尺寸Φ20 mm×1 800 mm，相鄰錨索間距1 000 mm、排距1 000 mm?，F(xiàn)有支護(hù)方案下，運(yùn)輸巷直接頂在掘進(jìn)過(guò)程中常常出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道整體成型困難，局部區(qū)域頂板離層量和下沉量過(guò)大，對(duì)于巷道的掘進(jìn)效率和施工人員的安全有顯著影響。

根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果可知，運(yùn)輸巷支護(hù)困難、巷道破壞嚴(yán)重的主要原因如下：

1）巷道圍巖強(qiáng)度低。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，巷道圍巖由泥巖以及粉砂巖組成，抗壓強(qiáng)度依次是30.6 MPa和39.5MPa，抗壓強(qiáng)度較低給支護(hù)工作帶來(lái)了較大的難度。

2）頂板破碎巖體范圍大。根據(jù)鉆孔觀測(cè)結(jié)果可知，運(yùn)輸巷頂板直接頂破碎嚴(yán)重，2.5 m厚的泥巖幾乎全部處于破碎狀態(tài)，頂板松動(dòng)圈大約為5.0 m，頂板巖體破碎范圍較大。

3）不合理巷道支護(hù)參數(shù)。4.3 m錨索過(guò)短，導(dǎo)致其難以完全固定在巖層之中，支護(hù)效果大打折扣；對(duì)于巷道頂板破碎情況嚴(yán)重以及成型困難等情況，未進(jìn)行護(hù)頂加強(qiáng)或改善圍巖結(jié)構(gòu)等相關(guān)措施。

3 巷道圍巖加固技術(shù)

為了優(yōu)化巷道圍巖結(jié)構(gòu)、提升巷道圍巖的抗壓強(qiáng)度以及承載能力，確保工作面掘進(jìn)和回采的效率以及施工人員的安全，提出了“錨護(hù)噴注”一體的巷道圍巖加固技術(shù)，采用超前注漿、巷道噴漿、加長(zhǎng)錨索以及滯后注漿聯(lián)合使用的方式進(jìn)行圍巖加固。注漿加固主要針對(duì)局部巖體的破碎進(jìn)行加固，超前以及滯后注漿是通過(guò)高壓將漿液送入破碎巖體縫隙中，采取擠壓、充填、膠結(jié)和封堵的方式，使得加固后的巖體具有強(qiáng)度高、抗?jié)B透性好和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。采用注漿加固破碎巖體和“錨噴”支護(hù)聯(lián)合使用的方式，能夠最大程度發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用，降低冒頂現(xiàn)象的產(chǎn)生，提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗壓能力、整體性以及承載能力。

1）超前注漿。針對(duì)直接頂在掘進(jìn)過(guò)程中的垮塌、頂板冒頂以及巷道整體難以成型等問(wèn)題，采用超前注漿的方式，在掘進(jìn)迎頭頂板補(bǔ)打傾斜注漿管，保證漿液能夠充分滲透進(jìn)入破碎巖體內(nèi)部，提升巖體結(jié)構(gòu)的整體性，補(bǔ)打的傾斜注漿管也能夠在起到挑頂、護(hù)頂?shù)淖饔?。注漿管同頂板間的夾角為20°、尺寸Φ15 mm×6 000 mm，每排5根，相鄰注漿管間的間距為1 000 mm、排距為2 000 mm。注漿材料選用A、B雙組份速凝無(wú)機(jī)材料，注漿壓力為4 MPa，速凝無(wú)機(jī)材料縮短了注漿成型的時(shí)間，提升了巷道的掘進(jìn)效率。

2）巷道噴漿。注漿要求具有較好的封閉性，巷道直接頂泥巖質(zhì)地柔軟并且極易脫落，采取表面噴漿的方式，降低滯后注漿跑漿現(xiàn)象的出現(xiàn)，提升注漿的護(hù)表能力降低頂部巖層風(fēng)化?；炷梁穸仍?0～100 mm之間，強(qiáng)度不得低于C20。

3）加長(zhǎng)錨索。針對(duì)現(xiàn)有方案使用錨索長(zhǎng)度過(guò)短，難以完全固定在巖層中，導(dǎo)致支護(hù)效果無(wú)法充分發(fā)揮的情況，調(diào)整錨索的長(zhǎng)度，使得錨索能夠避開(kāi)松動(dòng)圈，固定在硬度較大的巖層中。根據(jù)實(shí)地測(cè)試結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，頂板松動(dòng)圈大約為5.0 m，綜合分析錨索的固定巖層以及外露長(zhǎng)度，將現(xiàn)有4.3 m錨索更換為6.3 m錨索。

4）滯后注漿。對(duì)于超前注漿過(guò)程中出現(xiàn)的漿液擴(kuò)散不充分，并且在巷道掘進(jìn)過(guò)程中伴隨圍巖裂隙的發(fā)育而擴(kuò)張的現(xiàn)象，使用注漿錨索滯后注漿的方式，優(yōu)化巷道圍巖的結(jié)構(gòu)。將原有的錨索布置方式更換為一排普通錨索和一排注漿錨索交替布置的方式。注漿材料選取525號(hào)硅酸鹽水泥及添加劑，水灰比例2∶1，注漿壓力在3～4 MPa間，注漿工作滯后掘進(jìn)工作面迎頭10～20 m。

新方案下的支護(hù)參數(shù)為：頂板錨索數(shù)量2根，尺寸Φ22 mm×6 300 mm，相鄰錨索間距2 500 mm、排距1 000 mm；采取一排普通錨索和一排注漿錨索交替布置的方式。頂板錨桿數(shù)量6根，尺寸Φ20 mm×2 400 mm，相鄰錨索間距850 mm、排距1 000 mm。

兩幫錨索布置一致，均為3根，尺寸Φ20 mm×2 000 mm，相鄰錨索間距間1 000 mm、排距1 000 mm。將錨桿支護(hù)同W型鋼帶、菱形鋼筋網(wǎng)以及配套托盤聯(lián)合使用，確保頂板錨桿預(yù)緊力超過(guò)300 N·m，兩幫錨桿預(yù)緊力超過(guò)300 N·m，普通錨索張拉力超過(guò)200 kN，注漿錨索張拉力超過(guò)150 kN。新方案下的巷道支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)參數(shù)（單位：mm）

4 應(yīng)用效果分析

對(duì)于巷道掘進(jìn)過(guò)程中的表面位移以及頂板離層進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，相關(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果以及圍巖控制效果如下頁(yè)圖3、圖4所示。

圖3 巷道檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)：巷道兩幫移近量148 mm，頂?shù)装逡平?9 mm，頂板以及兩幫變形量顯著減??；0～2.4 m淺部巖層離層量下降為3 mm左右，根據(jù)結(jié)果可知頂板泥巖巖體的破碎現(xiàn)象得到了較好的改善，頂板總離層量為13 mm，離層量顯著減小；根據(jù)鉆孔觀測(cè)結(jié)果不難看出，注漿充分，圍巖整體性增強(qiáng)，膠結(jié)性較好，由此可知注漿加固效果明顯，破碎頂板穩(wěn)定性提升；根據(jù)實(shí)地觀測(cè)結(jié)果可知，巷道整體性較好，頂板平整，圍巖得到了較好的控制。

5 結(jié)論

1）針對(duì)巷道頂板破碎嚴(yán)重，巷道整體成型困難以及變形量超標(biāo)等情況，選取運(yùn)輸巷作為研究對(duì)象。采取鉆孔觀測(cè)的方式，觀察頂板巖層的完整度，得出結(jié)論基本頂泥巖破碎嚴(yán)重，頂板松動(dòng)圈大約為5.0 m；護(hù)頂困難，巷道變形失穩(wěn)的主要原因是巷道圍巖強(qiáng)度不足、頂板破碎巖體面積大以及巷道支護(hù)參數(shù)選取不合理。

圖4 圍巖控制效果

2）為了優(yōu)化巷道圍巖結(jié)構(gòu)，提升圍巖的抗壓強(qiáng)度和承載能力，提升工作面掘進(jìn)和回采的效率，提出“錨護(hù)噴注”一體化的支護(hù)技術(shù)，采取超前注漿、巷道噴漿、加長(zhǎng)錨索以及滯后注漿聯(lián)合使用的形式對(duì)圍巖進(jìn)行加固。

3）采取數(shù)值模擬的方式進(jìn)行支護(hù)校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)前的方案下，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量304 mm，兩幫相對(duì)移近量500 mm，頂板和兩幫應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，塑性區(qū)范圍較大；采取優(yōu)化后的支護(hù)方案，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量115 mm，兩幫相對(duì)移近量112 mm，應(yīng)力集中區(qū)域、塑性區(qū)范圍以及變形量明顯下降，得出結(jié)論“錨護(hù)噴注”一體化的巷道圍巖加固技術(shù)能夠滿足既定目標(biāo)。

4）根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果不難看出：兩幫移近量148 mm，頂?shù)装逡平?9 mm，0～2.4 m淺部巖層離層量下降至3 mm，頂板總離層量為13 mm，頂板、兩幫的變形量以及頂板離層量都有明顯的下降，根據(jù)鉆孔觀測(cè)和實(shí)地檢測(cè)的結(jié)果可知，注漿加固成效明顯，巷道圍巖得到了較好的控制。