周 瑞

（霍州煤電金能煤業(yè)有限公司，山西 靜樂 031500）

為緩解采掘接替壓力，提高掘進(jìn)效率，采區(qū)和區(qū)段巷道常布置在煤層中。由于煤層內(nèi)部富存節(jié)理裂隙，頂?shù)装宄槟鄮r、砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層，因此大斷面煤層巷道若支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，后期易發(fā)生顯著變形，影響巷道的正常服務(wù)使用。因此，有必要開展大斷面煤巷掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)研究以解決圍巖變形顯著問題。

在大斷面煤巷支護(hù)技術(shù)方面，專家學(xué)者研究取得了豐富的理論成果和理想的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果[1-4]。為解決金能煤業(yè)東翼集中回風(fēng)上山巷道掘成后變形顯著問題，本文分析了原支護(hù)存在的問題，提出了通過注漿錨索改善圍巖變形控制效果的方案。

1 工程背景

1.1 工作面地質(zhì)條件

東翼集中回風(fēng)上山擔(dān)負(fù)中一采區(qū)的回風(fēng)任務(wù)，巷道的地面標(biāo)高為+1382～ +1450 m，底板標(biāo)高為+919.5 m，長度為1306 m，坡度為12°。巷道沿山西組2#煤層掘進(jìn)，2#煤層厚度為0.6～10.4 m，煤層傾角為7°～28°。煤層直接頂為4 m 厚的泥巖，基本頂為6.37 m 厚的砂質(zhì)泥巖，直接底為2.6 m 的砂質(zhì)泥巖，基本底為9.6 m 厚的細(xì)粒泥巖。

1.2 原支護(hù)情況

東翼集中回風(fēng)上山的斷面形狀設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形，巷道寬度為5.44 m，高度為4.82 m。原支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)。

（1）錨桿支護(hù)。選用Φ22 mm×2400 mm 型錨桿，每排15 根，每根使用2 根Z2835 樹脂錨固劑，頂錨桿預(yù)緊力矩不小于200 N·m/根，間排距800 mm×800 mm，配備尺寸為1000 mm×2000 mm 的Φ6 mm 鋼筋焊接網(wǎng)護(hù)表，網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm。

（2）錨索支護(hù)。選用Φ17.8 mm×6500 mm 型普通錨索，每排布置5 根，間排距1200 mm×1600 mm，每根錨索使用4根Z2360和1根CK2360 錨固劑，錨索錨固力不小于120 kN。

（3）噴漿支護(hù)。巷道表面噴射厚度為120 mm的C20 混凝土支護(hù)。

具體支護(hù)參數(shù)如圖1。

圖1 原支護(hù)參數(shù)斷面圖（mm）

東翼集中回風(fēng)上山頂?shù)装鍘r性均為泥巖，圍巖較為破碎，承載能力不佳。同時(shí)，由于巷道沿煤層掘進(jìn)，煤層厚度變化不均，部分區(qū)域巷道頂板存在托頂煤問題，增大了巷道圍巖支護(hù)難度，掘成巷道發(fā)生顯著變形，影響巷道服務(wù)期間的正常使用。現(xiàn)場(chǎng)圍巖破壞呈現(xiàn)如下特征：

（1）巷道掘成一周內(nèi)，變形速率均值可達(dá)21～27 mm/d，峰值可達(dá)105 mm/d，測(cè)得的頂?shù)装逡平窟_(dá)1.12～1.54 m，兩幫收斂量達(dá)0.92～1.47 m。

（2）巷道穩(wěn)定周期長。根據(jù)對(duì)巷道變形數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)巷道掘成后需經(jīng)歷至少28～57 d 方能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2 巷道變形原因分析及支護(hù)優(yōu)化

2.1 原支護(hù)存在問題分析

通過對(duì)巷道支護(hù)效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)原巷道支護(hù)存在以下問題：

（1）錨索長度不足。由于巷道沿底板掘進(jìn)，煤層厚度變化大，錨索未能錨固在深層穩(wěn)定巖層內(nèi)。

（2）支護(hù)密度不夠，支護(hù)強(qiáng)度不足。巷幫僅使用了錨桿支護(hù)，未布置錨索，幫部變形嚴(yán)重。

（3）支護(hù)失效現(xiàn)象普遍。由于圍巖破碎，普通錨桿、錨索支護(hù)后預(yù)緊力損失嚴(yán)重，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的主動(dòng)支護(hù)，使得巷道圍巖持續(xù)變形失穩(wěn)。

（4）巷道掘進(jìn)方式影響。由于巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂板存在頂煤，采動(dòng)影響下頂板變形破碎嚴(yán)重，出現(xiàn)大范圍支護(hù)構(gòu)件失效現(xiàn)象。

2.2 圍巖變形控制思路

針對(duì)存在問題，提出了注漿錨索強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)。通過增大錨桿索的預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)；通過注漿錨索對(duì)圍巖進(jìn)行注漿改性，將圍巖裂隙封堵粘結(jié)，保證預(yù)緊力擴(kuò)散效果，變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力全長錨固，改善圍巖控制效果。注漿錨索支護(hù)具有以下特點(diǎn)：

（1）改善圍巖力學(xué)性能

煤系地層由于屬于沉積巖，巖性普遍較軟，同時(shí)內(nèi)部富存節(jié)理裂隙。煤層巷道受擾動(dòng)作用，易發(fā)生變形破壞。通過注漿錨索對(duì)圍巖注漿，可顯著提升巖體的剛度和抗剪能力，從而保證在受擾動(dòng)影響時(shí)變形較小。

（2）降低圍巖松動(dòng)圈范圍

巷道開挖后，圍巖應(yīng)力環(huán)境發(fā)生改變，由三向應(yīng)力向二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，受開挖卸荷作用，巷道淺部圍巖變形破壞，形成圍巖松動(dòng)圈。圍巖松動(dòng)圈的產(chǎn)生，表明圍巖的承載性能不足以承受所處環(huán)境的集中應(yīng)力作用，圍巖發(fā)生了變形破壞。通過注漿對(duì)圍巖進(jìn)行加固，其承載能力得到提升，巷道圍巖不再變形破壞從而降低了圍巖松動(dòng)圈范圍，保證巷道的穩(wěn)定性。

（3）避免風(fēng)化作用

通過注漿液對(duì)巖層裂隙進(jìn)行封堵，限制巖體同空氣接觸，可避免巷道圍巖內(nèi)部受風(fēng)化影響力學(xué)性能降低。

（4）實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)

巷道圍巖通過使用注漿錨索注漿加固，圍巖的承載能力顯著提升，同時(shí)松動(dòng)圈范圍明顯降低，可保證支護(hù)附加應(yīng)力場(chǎng)在圍巖內(nèi)的擴(kuò)散，保證巖體與支護(hù)體形成整體承載結(jié)構(gòu)，達(dá)到主動(dòng)支護(hù)效果，使巷道頂板穩(wěn)定而不易產(chǎn)生破壞。

2.3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

基于前文對(duì)原支護(hù)存在問題的分析，根據(jù)圍巖變形控制原則，提出了支護(hù)優(yōu)化方案，如圖2。

圖2 支護(hù)優(yōu)化方案斷面圖（mm）

由于原支護(hù)為普通錨桿、錨索支護(hù)，當(dāng)圍巖破碎時(shí)預(yù)應(yīng)力傳遞效果差，易出現(xiàn)支護(hù)失效，對(duì)此通過使用注漿錨索加強(qiáng)對(duì)圍巖的控制。

錨桿采用型號(hào)為Φ22 mm×2400 mm，間排距800 mm×800 mm。注漿錨索型號(hào)Φ22 mm×8500 mm，每排布置9 根注漿錨索，頂板注漿錨索間排距為1200 mm×1600 mm，幫部注漿錨索的間排距為1000 mm×1600 mm，每根錨索使用4 根Z2360 和1根CK2360 錨固劑，錨索錨固力不小于300 kN。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖裂隙的快速封堵強(qiáng)化，選用P.O 42.5 硅酸鹽水泥作為注漿錨索的注漿材料，選用波密度37 的液體水玻璃（硅酸鈉）為注漿材料的添加劑。水泥漿的水灰比為水:水泥（質(zhì)量比）=1:1；水泥漿:水玻璃（體積比）=1:0.25～0.5。

3 圍巖控制效果

為評(píng)價(jià)提出的支護(hù)優(yōu)化參數(shù)對(duì)圍巖的控制效果，在掘進(jìn)工作面布置了巷道表面位移觀測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)巷道掘成后的頂板下沉量、兩幫移近量和底鼓量變化情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理如圖3。

圖3 巷道圍巖變形情況

（1）隨著測(cè)點(diǎn)距掘進(jìn)工作面距離的增加，測(cè)得的巷道變形量逐漸增加，但趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，在距掘進(jìn)工作面30 m 處巷道變形量趨于穩(wěn)定。待巷道變形穩(wěn)定時(shí)，頂板下沉量為22 mm，兩幫移近量為72 mm，底鼓量為24 mm。

（2）圖3 中巷道圍巖變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，表明采用注漿錨索對(duì)圍巖進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)后，巷道的變形得到有效控制，同原支護(hù)下巷道圍巖變形量相比降低95%以上，表明提出的支護(hù)優(yōu)化方案較為合理。

圖3 試驗(yàn)巷道圍巖移近曲線圖

4 結(jié)論

（1）為解決金能煤業(yè)掘進(jìn)巷道變形顯著問題，針對(duì)巷道地質(zhì)條件，對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，提出使用注漿錨索改善圍巖變形控制方案。

（2）采取優(yōu)化支護(hù)方案后，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示巷道圍巖變形得到有效控制，巷道變形量較小。同原支護(hù)相比圍巖變形量降低了95%以上，表明提出的圍巖變形控制技術(shù)適用性較好。