杜斌斌

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 大陽煤礦，山西 晉城 048003）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展以及對能源需求的不斷增長，我國煤炭的開采程度不斷加深，導(dǎo)致深部巷道圍巖變形問題引起的災(zāi)害事故愈加嚴(yán)重。為了保證礦井的安全生產(chǎn)，提高社會效益、經(jīng)濟(jì)效益，減小巷道的圍巖應(yīng)力，增加巷道圍巖的穩(wěn)定性，選擇合理的支護(hù)方式，應(yīng)加強(qiáng)煤巖體的結(jié)構(gòu)觀察。通過分析頂板的各種層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育情況，判斷其頂板的完整性和穩(wěn)定性，并在地下開采活動中使用錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)，以加強(qiáng)巷道圍巖穩(wěn)定控制。目前我國巷道圍巖控制技術(shù)主要有5類。分別為表面支護(hù)、錨固、改性、卸壓及聯(lián)合控制技術(shù)。

謝俊在針對五陽煤礦7607 回風(fēng)巷破碎圍巖巷道支護(hù)技術(shù)研究中，運用FLAC3D 模擬軟件進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的模擬，提出錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的方案；李樹剛等針對余吾煤業(yè)南二采區(qū)S2206 工作面進(jìn)風(fēng)巷處于大規(guī)模松軟破碎圍巖中，運用UDEC 數(shù)值計算軟件，揭示了破碎圍巖動壓巷道的變形破壞機(jī)制，提出了相應(yīng)的控制對策，并結(jié)合現(xiàn)場實際，提出了基于錨索與注漿的支護(hù)加固方案；孟慶彬等針對大斷面軟弱破碎圍巖煤巷變形破壞特征與支護(hù)難點，提出了全斷面錨網(wǎng)索噴初次支護(hù)、高預(yù)應(yīng)力錨索與錨注二次加固組成的“三錨”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案；尚晨針對晉煤集團(tuán)長平公司1603 綜放工作面回風(fēng)巷過斷層破碎帶期間圍巖變形較大的問題，采用理論分析和現(xiàn)場實測的研究方法，對斷層破碎帶影響范圍內(nèi)巷道支護(hù)方案進(jìn)行研究，提出了超前注漿加固斷層破碎帶后，采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+U 型鋼架+噴混凝土”的主被動聯(lián)合支護(hù)方案。本文針對西翼行人大巷受鄰近巷道掘進(jìn)、工作面回采采動壓力的影響所造成的巷道圍巖變形，提出了合理的圍巖控制措施并進(jìn)行了工業(yè)性試驗。

1 概 況

大陽煤礦3 號煤層位于山西組下部，上距K8砂巖平均43.83 m 左右，下距9 號煤層平均62.50 m 左右。煤層厚度4.63～7.15 m，平均厚6.26 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單~較簡單，一般含0~2 層夾矸，位于山西組下部，下有K7 砂巖，此煤層在井田范圍內(nèi)厚度較大，層位穩(wěn)定，為本井田穩(wěn)定可采煤層。直接頂巖性主要為泥巖、細(xì)粒砂巖，老頂巖性為淺灰色中厚層粉砂巖、中粒砂巖；底板巖性為黑灰色泥巖、粉砂巖，局部為細(xì)砂巖。

全井田3 號煤層劃分為1 個水平，+750 m 水平；3 個采區(qū)，北一、北二、南采區(qū)。礦井提升方式為膠帶式輸送機(jī)和串車，通風(fēng)方式為中央分列式。主要運輸大巷采用膠帶運輸機(jī)運輸，輔助運輸采用8 t、10 t 架線式和蓄電池電機(jī)車牽引1 t 和1.5 t 礦車串車運輸，采煤方法為走向長壁與傾斜長壁相結(jié)合開采，采煤工藝全部采用綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤，全部垮落法管理頂板，回采工作面初次來壓步距15 m，老頂周期來壓步距25 m。

3 號煤層直接頂主要為泥巖、細(xì)粒砂巖，裂隙不太發(fā)育，厚度1.90 ～6.88 m，其抗壓強(qiáng)度為24.37～62.07 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.58～11.10 MPa，抗剪強(qiáng)度為4.36～9.78 MPa，屬軟質(zhì)- 堅硬巖石。老頂為淺灰色中厚層粉砂巖、中粒砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，分選性良好，含有包裹體，斜層理明顯，裂隙不太發(fā)育，厚度平均4.46 m 左右，屬堅硬巖石。底板為黑灰色泥巖、粉砂巖，局部為細(xì)砂巖，厚度平均3.50 m 左右，其抗壓強(qiáng)度為27.00 ～80.50 MPa，抗拉強(qiáng)度為5.10～13.10 MPa，屬軟質(zhì)- 堅硬巖石。

西翼行人大巷位于礦井一、二采區(qū)之間，北邊為西翼膠帶大巷，南部為3105 工作面，西部為四采區(qū)回風(fēng)大巷，東部為保安煤柱，保安煤柱東邊大部分為以前的礦井采空區(qū)。西翼行人大巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道設(shè)計斷面為梯形，中寬4.2 m，中高3 m，采用11 號工字鋼棚支護(hù)。

通過分析礦井地質(zhì)資料及采掘平面圖，并結(jié)合大陽煤礦技術(shù)人員反映及現(xiàn)場考察可知，礦井西翼行人大巷處于向斜軸附近，地應(yīng)力復(fù)雜，且陷落柱較多，屬于復(fù)雜構(gòu)造地質(zhì)條件。在大巷附近有回采工作面經(jīng)過，大巷反復(fù)受動壓影響，原有工字鋼棚支護(hù)已不能控制巷道圍巖的變形，出現(xiàn)兩幫位移量大、工字鋼棚架破壞、底鼓變形持續(xù)增大等問題。由于西翼行人大巷受鄰近巷道掘進(jìn)、工作面回采采動壓力的影響，其圍巖承受相當(dāng)大的集中壓力影響，巖石吸水膨脹，導(dǎo)致局部底鼓變形量明顯，而工字鋼剛性支護(hù)為被動支護(hù)，如不改變支護(hù)方式，即使將巷道返修，也不能保證短期內(nèi)巷道的正常安全使用，施工后很快就會再次發(fā)生破壞，因此，必須采用合適的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)對大巷進(jìn)行修復(fù)和加固，有效控制巷道圍巖變形，確保大巷在服務(wù)期內(nèi)的安全使用。

2 巷道破壞情況分析

通過對大陽煤礦在掘巷道的調(diào)研可知，已掘巷道全部采用錨網(wǎng)、錨索聯(lián)合支護(hù)，特別是回采巷道，一般均沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂板和兩幫均為煤層，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和與工程技術(shù)人員溝通，現(xiàn)對巷道所處不利條件作如下分析。

（1） 圍巖巖性不一致、變形不均勻，將加劇巷道圍巖的變形。巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道實際揭露的巖層性質(zhì)與該巷道附近鉆孔地質(zhì)柱狀圖均表明，煤層直接底為泥巖、細(xì)粉砂巖等，巖性松軟，遇水易泥化；巷道兩幫和頂板均為煤層，巷道頂板煤層厚約為3 m，巷道圍巖有明顯的流變特性，具有典型的軟巖特征。由于巷道圍巖巖性不一致，且強(qiáng)度相差較大，在地應(yīng)力作用下，其變形破壞必定不均勻。

（2） 巷道掘進(jìn)擾動加劇了巷道圍巖巖性的弱化。西翼行人大巷屬于3 面是煤、底板是巖性較差的泥巖層組成的巷道，巷道掘進(jìn)擾動會進(jìn)一步加劇巷道圍巖巖性的弱化，使巷道兩幫煤體和頂板巖層破碎，從而增加支護(hù)難度。

（3） 地質(zhì)構(gòu)造較多，陷落柱發(fā)育，破壞了巷道圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)三維地震勘探結(jié)果，該礦處于陷落柱發(fā)育地區(qū)，西翼行人大巷通過很多小的陷落柱和小斷層，但構(gòu)造本身導(dǎo)水性很弱，一般無滲水。因此，斷層和陷落柱構(gòu)造附近的巖層較為松軟破碎，巖層強(qiáng)度較低，錨桿支護(hù)在此類破碎頂板圍巖內(nèi)進(jìn)行，支護(hù)效果較差，巷道圍巖發(fā)生變形。

（4） 錨桿擰緊力矩較小，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)作用未發(fā)揮出來。對新掘巷道圍巖及時進(jìn)行錨桿錨索支護(hù)，并施加足夠的預(yù)緊力，可有效控制圍巖裂隙的張開，使圍巖形成次生承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖承載能力，防止發(fā)生圍巖擴(kuò)容破壞，是從根本上解決高應(yīng)力、大斷面巷道圍巖變形破壞的可靠方法。

3 大巷加固方案

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)、地質(zhì)條件調(diào)查，由于煤礦西翼行人大巷受陷落柱、斷層等構(gòu)造及鄰近工作面回采動壓影響，圍巖已遭到嚴(yán)重破壞，壓力大、圍巖結(jié)構(gòu)破碎松軟。大量工程實踐表明，單一的加固方法不能有效控制此類破碎圍巖的長期蠕變及進(jìn)一步破壞，為保證加固效果，針對西翼行人大巷的圍巖變形提出高強(qiáng)錨桿、錨索+噴漿聯(lián)合加固方案。

加固施工順序為：擴(kuò)巷—臨時支護(hù)—打樹脂錨桿孔—安裝樹脂錨桿—打錨索孔—安裝錨索—噴漿封閉圍巖。

西翼行人大巷加固錨桿、錨索布置示意如圖1所示。

圖1 西翼行人大巷加固錨桿、錨索布置示意Fig.1 Reinforced anchor rod and anchor cable arrangement in West Wing Pedestrian roadway

3.1 擴(kuò) 巷

西翼行人大巷破壞段兩幫圍巖大都為煤體，頂板圍巖大都為煤體、細(xì)粉砂巖和泥巖，由于圍巖巖性不一致，當(dāng)受到復(fù)雜高地應(yīng)力和周圍工作面回采的擾動影響后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭桶l(fā)生了嚴(yán)重的變形，如果不進(jìn)行處理，將影響巷道的安全使用。巷道加固既要控制巷道的大變形，又要允許巷道釋放部分變形，因此，為了防止巷道釋放部分變形時造成巷道斷面變小，影響正常使用，加固前必須對巷道進(jìn)行擴(kuò)寬，將巷道擴(kuò)展至比原來的輪廓4 200 mm×3 000 mm 寬100 mm 后再進(jìn)行加固，即擴(kuò)寬后的巷道為矩形斷面，巷道尺寸為4400mm×3100mm。巷道掘進(jìn)采用風(fēng)鎬落煤，盡量不放炮。

3.2 臨時支護(hù)

巷道臨時支護(hù)采用前探梁托網(wǎng)、錨桿梯子梁臨時支護(hù)空頂，巷道頂板前探梁不少于3 根。

3.3 打樹脂錨桿孔

使用MQT120 錨桿鉆機(jī)打孔，鉆頭直徑為28 mm。樹脂錨桿長度定為2 200 mm，鉆孔深2 150 mm，頂板為5 根錨桿，間距為1 000 mm，兩幫各4 根錨桿，間距均為900 mm，頂幫錨桿排距均為900 mm。

巷道遇陷落柱時，首先對錨桿做拉拔力試驗，如果錨桿錨固力達(dá)到5 t 以上，則頂板錨桿增加1根，即2 錨桿間距減小200 mm，為800 mm，錨桿排距不變。如果錨桿錨固力達(dá)不到5 t，則考慮采用架工字鋼棚通過陷落柱，棚距800 mm。

3.4 安裝樹脂錨桿

連接鐵絲網(wǎng)：采用8 號鐵絲編織，相鄰鐵絲網(wǎng)之間搭接100 mm，使用10 號鐵絲鉸緊。

錨固方式：高強(qiáng)樹脂錨桿采用樹脂加長錨固，頂板選用2 支低粘度錨固劑，1 支規(guī)格S2360，1支規(guī)格為Z2360，錨固長度約1 269 mm；兩幫亦選用2 支低粘度錨固劑，1 支規(guī)格S2340，1 支規(guī)格為Z2340，錨固長度約846 mm。樹脂錨桿的安裝是采用旋轉(zhuǎn)安裝法，即先將2 只樹脂放入到錨桿鉆孔后，將帶有錨桿托板的錨桿插入到錨桿鉆孔內(nèi)，用錨桿鉆機(jī)一邊推進(jìn)，一邊旋轉(zhuǎn)，直到將錨桿推進(jìn)所要求的深度，此時錨桿鉆機(jī)不需要推進(jìn)，只進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，大約旋轉(zhuǎn)20 s 后，停止鉆機(jī)，2 min 后再用鉆機(jī)或風(fēng)動搬手將錨桿的壓緊螺母擰緊為止，并使用扭力扳手檢驗錨桿預(yù)緊力矩，應(yīng)不小于150 N·m。

3.5 打錨索孔

高強(qiáng)錨索鉆孔使用MQT120 錨桿鉆機(jī)打孔，鉆頭φ28 mm，孔深700 030 mm。由于西翼行人大巷與3303 工作面回風(fēng)順槽斷面相差不大，故錨索布置方案參考3303 工作面回風(fēng)順槽的計算結(jié)果，錨索間距2 000 mm，排距1 800 mm，1 排2 根。

3.6 安裝錨索

原則上錨索必須緊跟迎頭施工，錨索必須垂直頂板布置。

高強(qiáng)錨索采用樹脂端部錨固，3 支低粘度錨固劑，1 支規(guī)格為S2360，另2 支規(guī)格為Z2360，樹脂錨固長度約1 632 mm。

鉆孔打好后，輕輕將錨固劑推入鉆孔，確保不使錨固劑外殼破裂。用錨索將錨固劑緩緩?fù)迫脬@孔，直至推不動。將預(yù)先安裝在鉆機(jī)上的錨索攪拌器與錨索尾部連接，快速攪拌錨固劑，攪拌錨固劑的同時鉆機(jī)推力要最大。錨固劑攪拌的時間為20～25 s，攪拌錨固劑停止時，要確保錨索托盤靠近巖面。錨固劑攪拌完畢10 min 后，安裝托盤和索具，并用錨索張拉器拉緊錨索。錨索預(yù)緊力≥150 kN。

當(dāng)巷道通過陷落柱時，錨索采用20 號槽鋼連接成一個桁架，錨索長度可以適當(dāng)加長，并向兩側(cè)傾斜，盡量將錨索錨固到穩(wěn)定巖層中，錨索托盤采用100 mm×100 mm×14 mm 的平托盤，托盤中心孔徑比鋼絞線公稱直徑大2～4 mm，錨索預(yù)緊力應(yīng)≥150 kN，外露長度為200～300 mm。

3.7 噴漿封閉圍巖

巷道錨桿、錨索加固結(jié)束后對圍巖表面進(jìn)行噴漿。噴漿材料強(qiáng)度等級C20，525 號普通硅酸鹽水泥，配比為水泥∶砂子∶石粉=1∶2∶2，水灰比0.45～0.55，速凝劑添加量為水泥用量的3%～5%，噴層厚度為100 mm，最低不能低于80 mm，噴層封閉圍巖表面裸露區(qū)、圍巖縫隙等。

4 工業(yè)性試驗

為全面檢查巷道錨桿、錨索支護(hù)的工作狀態(tài)，監(jiān)控巷道受到掘進(jìn)影響前后的狀況，掌握圍巖的變形規(guī)律，以確定巷道的穩(wěn)定程度，以便及時采取相應(yīng)的處理措施，并且通過監(jiān)測來驗證設(shè)計的合理性，檢驗支護(hù)質(zhì)量，同時為修改設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

巷道表面位移觀察采用“十”字布點法進(jìn)行。測試斷面布置的當(dāng)天進(jìn)行第一次測量，以后每天觀測1 次，20 d 后每3 d 觀測1 次，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

從圖2 可知，2 個測站的巷道圍巖變形規(guī)律基本一致。在30 d 的觀察期內(nèi)，大巷加固方案實行初期由于受到采動影響較大，未能形成整體支護(hù)，巷道圍巖變形較大，巷道頂、底板移近量和兩幫移近量變化幅度大，但在穩(wěn)定開采中后期時，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，高強(qiáng)錨桿和錨索起到關(guān)鍵作用。測站1 頂?shù)装逑鄬ψ畲笠平繛?98 mm，兩幫移近量為100 mm，頂、底板移近量穩(wěn)定在195 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在100 mm；測站2 頂?shù)装逑鄬ψ畲罄塾嬕平繛?90 mm，兩幫移近量為90 mm，頂、底板移近量穩(wěn)定在185 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在90 mm。由此可知，隨著時間的變化，圍巖變形速度逐漸減小，圍巖變化趨于穩(wěn)定，可見高強(qiáng)錨桿、錨索+噴漿聯(lián)合加固方案滿足西翼行人大巷的要求，圍巖的整體性和穩(wěn)定性得到顯著提升。

圖2 巷道圍巖變形量隨時間變化監(jiān)測Fig.2 Monitoring of deformation of roadway surrounding rock over time

5 結(jié) 論

（1） 針對西翼行人大巷的圍巖大變形問題，提出了高強(qiáng)錨桿、錨索+噴漿聯(lián)合加固方案，有效提高巷道圍巖的整體性和穩(wěn)定性，保證了大巷在服務(wù)期限內(nèi)的安全使用，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

（2） 現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明，巷道采取高強(qiáng)錨桿、錨索+噴漿聯(lián)合加固方案，讓高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)作用發(fā)揮出來，使巷道頂、底板移近量及兩幫移近量變化幅度和變化量都大大減小，有效的控制了巷道圍巖變形，保證了巷道的安全使用。