劉海東，劉向忠，劉偉冬

(1.山西焦煤集團有限責任公司 東曲煤礦，山西 古交 030200；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

隨著煤層開采向深部發(fā)展，松散破碎圍巖巷道的圍巖控制是煤礦開采領(lǐng)域所面臨的重大難題之一[1-7]，國內(nèi)外學者對此開展了大量研究。文獻[8]分析了深部軟巖巷道的破壞與控制機理，得到導致巷道承載力失效的主要原因是錨桿普遍處于破碎嚴重的圍巖中，支護潛力無法發(fā)揮，拱支護強度不足，后承載力低，并提出了“高強、完整、減壓”的概念。王連國等通過分析深部極高應力極軟巖層巷道破壞特點，提出了錨注支護體系[9，10]；張文等通過理論分析軟弱破碎巷道破壞機理及圍巖支護，提出了“錨噴+化學注漿”聯(lián)合支護形式[11]；劉洪濤等基于彈性理論中布辛涅斯克方程和莫爾強度理論，提出了新錨固串結(jié)構(gòu)的理念，具有較好應用前景[12]。頂板破碎圍巖巷道成型難，易出現(xiàn)頂板鏤空、離層、下沉及冒頂事故，嚴重影響了巷道的掘進速度及施工安全[13-16]。因此，研究頂板破碎巷道圍巖支護技術(shù)具有重要現(xiàn)實意義。

以山西東曲礦18311工作面為工程背景，對頂板破碎巷道圍巖支護技術(shù)進行研究，確定了“錨護噴注”為一體的巷道圍巖加固技術(shù)，通過工程實踐，巷道圍巖控制效果良好。

1 工作面概況

18311工作面傾斜長度210m，走向長平均1050m，工作面開采8號煤層，煤層平均厚度3.5m，平均傾角5°，為近水平開采。煤層老頂為5.0m厚的石灰?guī)r，深灰色，含少量粘土質(zhì)，有節(jié)理；直接頂為2.5m厚的泥巖，灰黑色，質(zhì)較軟；直接底為3.3m厚的砂質(zhì)泥巖。

工作面直接頂泥巖質(zhì)較軟且易脫落，致使回采巷道掘進期間護頂困難，容易出現(xiàn)頂板鏤空，巷道成型難，頂板離層及下沉量大的情況，尤其工作面運輸巷部分地段老頂巖層裂隙發(fā)育，更增加了支護難度；若支護不合理，極易發(fā)生冒頂事故，亟需科學有效的支護技術(shù)；工作面回采巷道中運輸巷圍巖條件最差，現(xiàn)以運輸巷為例進行研究。

2 巷道圍巖變形破壞特征

為了解18311工作面運輸巷頂板巖層的完整度情況，對其頂板進行了鉆孔窺視，結(jié)果如圖1所示。

圖1 巷道頂板裂隙發(fā)育探測結(jié)果

鉆孔探測結(jié)果表明：運輸巷頂板直接頂2.5m厚的泥巖基本全破碎，泥巖與粉砂巖交界處出現(xiàn)離層，5.0m厚的粉砂巖有近一半巖層裂隙較發(fā)育，頂板松動圈范圍約5.0m。

運輸巷原支護方案參數(shù)：頂板錨索布置2根?22mm×4300mm，間排距2500mm×1000mm；頂板錨桿布置6根?20mm×2400mm，間排距850mm×1000mm；幫部兩側(cè)各布置3根?20mm×1800mm，間排距1000mm×1000mm。在原支護方案下，運輸巷直接頂隨掘隨落，巷道成型難，個別區(qū)域頂板離層量及下沉量較大，這嚴重影響了巷道的掘進速度及施工安全。

通過現(xiàn)場實測及調(diào)研，得到護頂困難，巷道變形破壞的主要因素：

1)巷道圍巖強度低。根據(jù)地質(zhì)資料，巷道圍巖為泥巖和粉砂巖，其抗壓強度分別為30.6MPa、39.5MPa，巷道圍巖強度低，不利于支護。

2)頂板破碎巖體范圍大。通過鉆孔探測可知，運輸巷頂板直接頂2.5m厚的泥巖基本全破碎，頂板松動圈范圍約5.0m，頂板破碎巖體范圍較大。

3)不合理巷道支護參數(shù)。錨索長度過短，4.3m錨索基本沒有錨固到完整巖層中，未能發(fā)揮其應有作用；針對巷道頂板破碎且成型難，未增加護頂及改善圍巖結(jié)構(gòu)的措施。

3 巷道圍巖加固技術(shù)

3.1 巷道加固支護參數(shù)

針對破碎圍巖巷道，為改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)、提高圍巖的強度和承載能力，保障工作面掘進及回采的安全，擬采用“錨護噴注”為一體的巷道圍巖加固技術(shù)，即超前注漿、巷道噴漿、加長錨索和滯后注漿相結(jié)合的圍巖加固技術(shù)。采用注漿加固是進行破碎巖體局部改造維護巷道穩(wěn)定的一種主動方式，超前或滯后注漿是借助高壓把漿液注入到破碎巖體內(nèi)，通過擠壓、充填、膠結(jié)及封堵的作用，形成強度高、抗?jié)B透性好及穩(wěn)定性強的密實巖體，從而達到改善巖體結(jié)構(gòu)的目的。利用注漿加固破碎巖體，配合“錨噴”支護，可充分發(fā)揮煤錨支護構(gòu)件的作用，大大減少失錨及冒頂現(xiàn)象，提高支護結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性以及自承能力。

1)超前注漿。針對直接頂隨掘隨落，頂板容易冒頂，巷道成型難等問題，在掘進迎頭頂板補打傾斜注漿管進行超前注漿，使?jié){液在破碎巖體內(nèi)形成網(wǎng)絡骨架結(jié)構(gòu)，提高巖體的整體性，同時傾斜注漿管也具有挑頂、護頂作用。在巷道迎頭正前方與頂板夾角20°仰角施工打?15mm×6000mm注漿管，每排5根，間排距1000mm×2000mm。注漿材料為A、B雙組份速凝無機材料，注漿壓力4MPa，速凝注漿材料的使用，避免影響巷道的正常掘進。

2)巷道噴漿。注漿需要良好的封閉性，巷道直接頂質(zhì)軟且易脫落，為了避免后續(xù)滯后注漿發(fā)生跑漿，同時增加護表能力及減少風化，進行巷道表面噴漿?；炷梁穸炔恍∮?0mm，不大于100mm，混凝土強度不小于C20。

3)加長錨索。針對原支護方案中錨索長度過短，基本錨固在松動圈范圍內(nèi)，難以發(fā)揮錨索應有作用的情況，采用適當增加錨索的長度，改善錨索的錨固區(qū)域，使錨索盡可能錨固在完整堅硬的巖層中。由現(xiàn)場實測可知，頂板松動圈范圍約5.0m，考慮到錨索錨固在巖性較好巖層的長度及外露長度，將4.3m錨索改為6.3m錨索。

4)滯后注漿。針對超前注漿可能存在漿液擴散不全面且隨著巷道掘進圍巖裂隙進一步擴張的現(xiàn)狀，采用注漿錨索滯后注漿，進一步改善巷道圍巖的結(jié)構(gòu)。即將錨索布置方式變更為一排普通錨索與一排注漿錨索交替布置。注漿材料為525#硅酸鹽水泥及添加劑，水灰比為2∶1，注漿壓力3～4MPa，注漿時機為滯后掘進工作面迎頭10～20m。

改進后支護參數(shù)：頂板錨索布置2根?22mm×6300mm，間排距2500mm×1000mm；布置方式為一排普通錨索與一排注漿錨索交替布置。頂板錨桿布置6根?20mm×2400mm，間排距850mm×1000mm；幫部兩側(cè)各布置3根?20mm×2000mm，間排距1000mm×1000mm。錨桿(索)支護配合W型鋼帶、菱形鋼筋網(wǎng)及配套托盤，設(shè)計頂板錨桿預緊力不小于300N·m，幫部錨桿預緊力不小于300N·m，普通錨索張拉力不小于200kN，注漿錨索張拉力不小于150kN。巷道支護參數(shù)如圖2所示。

圖2 巷道支護參數(shù)(mm)

3.2 數(shù)值模擬驗證

根據(jù)已有的勘探資料并結(jié)合巷道實際地質(zhì)條件，確定各巖層物理力學性質(zhì)參數(shù)，構(gòu)建FLAC3D數(shù)值計算模型，模擬采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，對注漿區(qū)域的煤巖體適當提高物理力學參數(shù)[17-19]，原支護方案與改進后支護方案的位移、應力及塑性區(qū)分布，如圖3、圖4所示。

注：shear—剪切破壞；tension—張拉破壞；-n—當前破壞出現(xiàn)；-p—以前破壞出現(xiàn)

注：shear—剪切破壞；tension—張拉破壞；-n—當前破壞出現(xiàn)；-p—以前破壞出現(xiàn)

由圖3、圖4可知，原支護方案：巷道頂板處垂直位移為234.1mm，底板最大底鼓量為69.5mm，頂?shù)装逑鄬σ平繛?03.6mm，兩幫相對移近量為499.4mm，頂板及兩幫出現(xiàn)應力集中且區(qū)域較大，塑性區(qū)沿縱軸近似對稱分布，頂板、兩幫及肩窩處塑性區(qū)范圍較大，巷道整體圍巖結(jié)構(gòu)較差；而改進后支護方案：巷道頂板處垂直位移為101.7mm，底板最大底鼓量為12.9mm，頂?shù)装逑鄬σ平繛?14.6mm，兩幫相對移近量為112.2mm，應力集中區(qū)域、塑性區(qū)范圍和變形量都顯著減小，注漿加固使頂板破碎巖體膠結(jié)成“再生巖體”，改善了圍巖結(jié)構(gòu)，提高了圍巖強度，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力，“錨護噴注”為一體的巷道圍巖加固技術(shù)，有效保障了巷道掘進期間頂板的穩(wěn)定。

4 工程應用效果

巷道在掘進期間進行了巷道表面位移和頂板離層的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果和圍巖控制效果如圖5、圖6所示。

圖5 巷道監(jiān)測結(jié)果

圖6 圍巖控制效果

由監(jiān)測結(jié)果可知：兩幫移近量148mm，頂?shù)装逡平?9mm，頂板和兩幫的變形量均較小；0～2.4m淺部巖層離層量僅為3mm，表明頂板淺部破碎泥巖巖體得到有效控制，頂板總離層量為13mm，離層量較?。粡捻敯邈@孔窺視可知，漿液較好地充填在圍巖裂隙中，且膠結(jié)性良好，表明注漿加固效果顯著，破碎頂板得到了有效加固；從現(xiàn)場拍照可知，巷道成型較好，頂板較為平整，圍巖控制效果較好。

5 結(jié) 論

1)針對巷道頂板破碎，巷道成型難且變形量大等問題，為了解頂板巖層的完整度情況，對運輸巷進行鉆孔窺視，實測基本頂全破碎，頂板松動圈范圍約5.0m；總結(jié)護頂困難，巷道變形失穩(wěn)主要因素為巷道圍巖強度低、頂板破碎巖體范圍大及不合理巷道支護參數(shù)。

2)為改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)，發(fā)揮圍巖的自承能力，保障工作面掘進及回采的安全，擬采用“錨護噴注”一體化支護技術(shù)，即超前注漿、巷道噴漿、加長錨索和滯后注漿相結(jié)合的圍巖加固技術(shù)。

3)通過數(shù)值模擬進行支護校驗，結(jié)果表明原支護方案，頂?shù)装逑鄬σ平繛?04mm，兩幫相對移近量為500mm，頂板及兩幫出現(xiàn)應力集中，頂板、兩幫及肩窩處塑性區(qū)范圍較大；改進后支護方案，巷道頂?shù)装逑鄬σ平繛?15mm，兩幫相對移近量為112mm，應力集中區(qū)域、塑性區(qū)范圍和變形量都顯著減小，“錨護噴注”為一體的巷道圍巖加固技術(shù)具有可行性。

4)通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗，由監(jiān)測結(jié)果可知：兩幫移近量148mm，頂?shù)装逡平?9mm，0～2.4m淺部巖層離層量僅為3mm，頂板總離層量為13mm，頂板和兩幫的變形量及頂板離層量均較小，從頂板鉆孔窺視及現(xiàn)場拍照可知，注漿加固效果顯著，表明頂板破碎巖體得到了有效加固，圍巖控制效果較好。