73上07 運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)車場(chǎng)大斷面掘進(jìn)巷道圍巖支護(hù)技術(shù)研究

褚福橋 曹東京

（山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

隨著礦井開采技術(shù)水平和裝備的日益發(fā)展，目前限制礦井產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一是采掘接替問題?；夭上锏酪话悴贾糜诿合档貙樱锏绹鷰r的巖性普遍為煤、泥巖、砂質(zhì)泥巖等，力學(xué)性能及抗擾動(dòng)能力差，導(dǎo)致大斷面回采巷道的圍巖控制技術(shù)難度較大。若大斷面煤巷的掘進(jìn)支護(hù)參數(shù)不合理，巷道掘成后將發(fā)生顯著變形，后期返修成本高且維護(hù)困難，還將影響工作面生產(chǎn)。

科研學(xué)者針對(duì)大斷面煤巷掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究并取得了豐富的理論和技術(shù)成果[1-4]，煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，需結(jié)合研究地點(diǎn)條件提出針對(duì)性支護(hù)方案。為解決高莊煤礦73上07 運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)車場(chǎng)巷道掘成后變形顯著問題，分析了原支護(hù)存在的問題，研究了圍巖的變形破壞特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了注漿錨索強(qiáng)力掘進(jìn)支護(hù)方案，并現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證技術(shù)的可靠性。

1 工程背景

1.1 工作面地質(zhì)條件

73上07 運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)車場(chǎng)擔(dān)負(fù)73上07 工作面的運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等任務(wù)，位于西七采區(qū)北部，南部為西七采區(qū)三條上山。巷道由軌道上山開門向北部延伸掘進(jìn)，開門點(diǎn)層位為3下煤層底板砂質(zhì)泥巖，巷道周邊均為未開拓區(qū)域。巷道長(zhǎng)度為198.833 m（平距），坡度為5‰上山、6.5°上山、19°下山、16°下山。巷道位置關(guān)系示意圖如圖1。

圖1 巷道位置關(guān)系示意圖

巷道所處地層為二疊系山西組，其中3上煤層平均厚度為4.0 m，傾角為8°～16°。直接頂巖性為砂質(zhì)泥巖，厚度1.6 m，基本頂巖性為細(xì)砂巖，厚度為4.3 m。3下煤層平均厚度為3.5 m，同3上煤層之間為31 m 的粉、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖互層，3下煤層底板為厚度為12.8 m 粉砂巖。

1.2 原掘進(jìn)支護(hù)情況

73上07 運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)車場(chǎng)的斷面形狀設(shè)計(jì)為斜梯形，巷道凈寬4.2 m，中線處高度為3.5 m。頂板支護(hù)選用Φ20 mm×2200 mm 鋼錨桿，每排6 根錨桿，間排距800 mm×900 mm；巷幫選用Φ18 mm×1800 mm型號(hào)金屬螺紋鋼錨桿，每排9根錨桿，間排距850 mm×900 mm；配套使用150 mm×150 mm×8 mm 的錨桿托盤；選用尺寸1000 mm×2000 mm 的金屬方格網(wǎng)護(hù)表，網(wǎng)格尺寸100 mm×100 mm；巷道表面采用強(qiáng)度為C20 混凝土進(jìn)行護(hù)表，厚度為100 mm。原掘進(jìn)支護(hù)方案如圖2。

圖2 原支護(hù)方案斷面圖（mm）

73上07 運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)車場(chǎng)的巷道頂板巖性為砂質(zhì)泥巖，層理較為發(fā)育，圍巖承載能力差、易離層，整體結(jié)構(gòu)較破碎，巷道掘成后發(fā)生顯著變形，影響巷道的正常服務(wù)使用?，F(xiàn)場(chǎng)圍巖的破壞具有如下特點(diǎn)：

（1）巷道變形速度及變形量較大，變形速率平均達(dá)22～28 mm/d，最大95 mm/d。待變形穩(wěn)定后，巷道的頂?shù)装迨諗苛繛?.76～1.02 m，兩幫收斂量為0.67～0.98 m。

（2）巷道長(zhǎng)時(shí)持續(xù)變形。巷道掘成后變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，需30～50 d 后變形量趨于平穩(wěn)。

2 原支護(hù)失效原因分析及優(yōu)化方案

2.1 原支護(hù)失效原因

（1）錨固長(zhǎng)度不足。由于73上07 運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)車場(chǎng)頂板為砂質(zhì)泥巖，巖性較差、易離層，如圖2所示。原錨桿支護(hù)長(zhǎng)度僅2.2 m，未能錨固在深層穩(wěn)定巖層內(nèi)，導(dǎo)致頂板離層嚴(yán)重；巷幫為破碎煤體，原支護(hù)方案僅選用Φ18 mm×1800 mm 的錨桿對(duì)巷幫進(jìn)行支護(hù)，難以控制巷幫變形。

（2）預(yù)應(yīng)力場(chǎng)失效。因圍巖結(jié)構(gòu)破碎難以穩(wěn)定承載，原支護(hù)的普通錨桿、錨索支護(hù)無法有效維持預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的支護(hù)效果，支護(hù)體會(huì)隨巷道圍巖變形產(chǎn)生整體移動(dòng)，無法控制巷道圍巖持續(xù)變形失穩(wěn)。

2.2 圍巖變形控制思路

巷道開挖后，受掘進(jìn)擾動(dòng)作用巷道圍巖由內(nèi)而外形成破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，圍巖及支護(hù)系統(tǒng)形成淺部圍巖的內(nèi)承載結(jié)構(gòu)和深部圍巖的外承載結(jié)構(gòu)，如圖3。其中內(nèi)承載結(jié)構(gòu)包括巷道淺部破碎區(qū)及大部分塑性區(qū)圍巖及錨固體、注漿體等支護(hù)結(jié)構(gòu)，外承載結(jié)構(gòu)包括小部分塑性區(qū)和彈性區(qū)的圍巖。

圖3 巷道承載結(jié)構(gòu)示意圖

巷道的破碎區(qū)及塑性區(qū)的半徑為：

式中：Rs為破碎區(qū)半徑；R0為巷道半徑；Rp為塑性區(qū)半徑；σRp為彈塑性區(qū)交界面處的應(yīng)力；C為巖體內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角；Q為巖體強(qiáng)度軟化模量；η為塑性軟化區(qū)圍巖擴(kuò)容梯度。

根據(jù)式（1）和式（2）可以發(fā)現(xiàn)，影響內(nèi)外承載結(jié)構(gòu)半徑的關(guān)鍵因素是巖體的力學(xué)參數(shù)和支護(hù)強(qiáng)度。因此，改善掘進(jìn)巷道圍巖支護(hù)效果主要從提升圍巖力學(xué)性能和增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度兩方面入手，充分發(fā)揮出內(nèi)外承載結(jié)構(gòu)和支護(hù)體的共同作用。

針對(duì)原支護(hù)方案存在的問題及圍巖承載結(jié)構(gòu)分布特點(diǎn)，提出了注漿錨索強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)。一方面增大支護(hù)長(zhǎng)度，將淺層破碎圍巖同深層穩(wěn)定圍巖錨固成整體承載結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)效果；另一方面通過注漿改性，提升圍巖結(jié)構(gòu)完整和承載性能，改善支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)擴(kuò)散效果，保證圍巖控制效果。

2.3 支護(hù)優(yōu)化參數(shù)

基于原支護(hù)下巷道圍巖變形破壞特征，結(jié)合73上07 運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)車場(chǎng)地質(zhì)條件，提出了注漿錨索支護(hù)方案，支護(hù)參數(shù)如圖4。

圖4 注漿錨索強(qiáng)力掘進(jìn)支護(hù)方案斷面圖（mm）

頂板選用Φ22 mm×4300 mm 的注漿錨索，間排距1600 mm×1600 mm，每排布置2 根注漿錨索，在第一排錨桿以巷中為基準(zhǔn)在左邊第二棵和右邊第一棵錨桿處分別布置一棵錨索，隔一排錨桿在第三排錨桿以巷中為基準(zhǔn)左邊第一棵和右邊第二棵錨桿處分別布置一棵錨索，以此類推。錨索錨固力不小于300 kN。錨索托盤為鋼板托盤，規(guī)格為250 mm×250 mm×14 mm。巷幫錨桿改為選用Φ20 mm×2200 mm 錨桿，同頂板錨桿一致。

注漿材料選用P.O 42.5 硅酸鹽水泥，添加波密度37 的液體水玻璃調(diào)節(jié)凝固時(shí)間。水泥漿的水灰比為1:1.1，水泥漿與水玻璃的比例為1:0.25。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

通過現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)站監(jiān)測(cè)掘進(jìn)工作面巷道表面位移，同時(shí)對(duì)巷道頂板進(jìn)行鉆孔窺視，以檢驗(yàn)頂板圍巖控制情況和漿液擴(kuò)散效果。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5。

圖5 巷道圍巖變形情況

（1）從圖5（a）看出，隨滯后掘進(jìn)工作面迎頭距離的加大，巷道斷面持續(xù)發(fā)生收斂。滯后掘進(jìn)工作面迎頭30 m 后巷道斷面保持穩(wěn)定，頂板下沉量21 mm，巷幫收斂量74 mm，底鼓量為25 mm。

（2）根據(jù)圖5（b）頂板鉆孔窺視結(jié)果可以看出，采用注漿錨索支護(hù)后，頂板圍巖離層得到有效控制，孔壁光滑無明顯離層裂隙發(fā)育，且原掘進(jìn)擾動(dòng)產(chǎn)生的裂隙已被注漿漿液完全充填，漿液擴(kuò)散效果良好。

（3）同原掘進(jìn)支護(hù)方案相比，采用注漿錨索支護(hù)后巷道斷面收斂量降低了90%以上，表明提出的支護(hù)方案適用性較好。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)高莊煤礦73上07 運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)車場(chǎng)掘進(jìn)遇到的斷面變形顯著問題，分析了巷道圍巖變形破壞特點(diǎn)及原支護(hù)方案存在的問題，提出注漿錨索支護(hù)方案。

（2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，采取注漿錨索支護(hù)后巷道變形得到有效控制，頂板未出現(xiàn)離層破壞情況，同原掘進(jìn)支護(hù)方案相比變形量降低了90%以上，表明提出的注漿錨索支護(hù)方案適用性較好。