王 琛 徐自軍 申于甲

（中檢集團(tuán)公信安全科技有限公司，山東 棗莊 277100）

巷道在掘進(jìn)過(guò)程中破壞了原巖整體穩(wěn)定性，導(dǎo)致原巖內(nèi)產(chǎn)生裂隙帶[1]。隨著應(yīng)力持續(xù)作用，裂隙帶貫通，對(duì)圍巖產(chǎn)生剪切破壞，降低了原巖承載強(qiáng)度，形成圍巖“松動(dòng)圈”[2-4]。地層中發(fā)育斷層的情況下，斷層對(duì)原巖已造成了嚴(yán)重破壞。巷道掘進(jìn)過(guò)程中遇到斷層，斷層的形成和巷道的掘進(jìn)對(duì)原巖破壞的雙層疊加，圍巖形成破碎帶，“松動(dòng)圈”會(huì)加大，需要加強(qiáng)支護(hù)，才能安全穿過(guò)斷層。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力研究圍巖破碎機(jī)理及控制技術(shù)，如崔慧鑫在“巷道冒漏區(qū)圍巖安全支護(hù)技術(shù)應(yīng)用”中提出了縮小支護(hù)間排距、增加柔性支護(hù)；蘇楠在“特厚煤層巷道冒漏區(qū)頂板控制技術(shù)”中提到錨索吊棚支護(hù)等。但是多數(shù)學(xué)者研究的破碎、冒漏圍巖控制技術(shù)僅局限于傳統(tǒng)錨桿（索）等支護(hù)中，未從根本上對(duì)圍巖應(yīng)力消除、應(yīng)力控制進(jìn)行分析研究。由于傳統(tǒng)的錨桿（索）支護(hù)主要利用錨固劑錨固作用懸吊在支護(hù)區(qū)圍巖中，通過(guò)對(duì)桿體安裝承載件并對(duì)桿體施加預(yù)應(yīng)力[5]，形成連續(xù)穩(wěn)定的應(yīng)力梁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖支護(hù)作用，但是在圍巖“松動(dòng)圈”中錨桿（索）錨固強(qiáng)度低、支護(hù)質(zhì)量差、支護(hù)失效率高，達(dá)不到預(yù)期支護(hù)效果[6]。本文以烏化一礦9106 回風(fēng)順槽為研究背景，對(duì)巷道掘進(jìn)期間頂板冒漏區(qū)采取“人工假頂、架棚、注漿錨索”等聯(lián)合支護(hù)措施。

1 概述

烏化一礦9206 回風(fēng)順槽位于8206 采空區(qū)下部，東為輔助水平皮帶上山，北為井田邊界，距邊界保護(hù)煤柱58.8 m，南為9206 工作面，西為實(shí)體煤。

9206 回風(fēng)順槽掘進(jìn)長(zhǎng)度為800 m，施工斷面寬×高=4.2 m×3.5 m。9206 回風(fēng)順槽沿9#煤層底板掘進(jìn)。9#煤厚1.7～2.2 m，平均1.9 m，含夾矸2～3 層，夾矸巖性多為黏土巖、泥巖和碳質(zhì)泥巖，頂板巖性為灰黑色砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖或砂質(zhì)黏土巖。頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

表1 9#煤層頂?shù)装鍘r性表

9206 回風(fēng)順槽掘進(jìn)至377 m 處揭露DF12 斷層，斷層落差為1.9 m，傾角為57°。巷道掘進(jìn)369 m（距斷層8 m）出現(xiàn)冒漏，冒漏帶長(zhǎng)度為4.2 m，寬度為3.5 m。冒漏區(qū)呈不規(guī)則半圓球狀，最大冒漏高度為1.7 m，冒漏巖體以雜亂無(wú)章的泥巖、塊狀砂巖為主。冒落區(qū)位于斷層上盤。

2 巷道冒漏機(jī)理

1）斷層充填物不穩(wěn)定。DF12 斷層上下盤圍巖穩(wěn)定性差，受準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)影響，斷層區(qū)圍巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致斷層帶附近圍巖受牽引力影響出現(xiàn)失穩(wěn)。同時(shí)，該斷層主要為拉伸斷層，在斷層上下盤之間存在填充物，主要以不規(guī)則小塊泥巖及砂巖為主，膠結(jié)穩(wěn)定差，無(wú)法形成連續(xù)穩(wěn)定的承載頂板，在外力作用下很容易發(fā)生矸石滑移。

2）集中應(yīng)力影響。9206 回風(fēng)順槽在掘進(jìn)至斷層區(qū)時(shí)在斷層區(qū)內(nèi)形成集中應(yīng)力區(qū)，集中應(yīng)力主要以垂直應(yīng)力為主，應(yīng)力對(duì)斷層兩盤附近煤巖體產(chǎn)生剝離破壞作用。隨著巷道掘進(jìn)延伸，應(yīng)力持續(xù)作用造成斷層處巖體破碎垮落，并使巷道迎頭巖體產(chǎn)生裂隙區(qū)[7]。

3）圍巖“松動(dòng)圈”影響。通過(guò)圍巖窺視孔觀察發(fā)現(xiàn)，巷道掘進(jìn)距斷層20 m 處時(shí)圍巖產(chǎn)生裂隙帶，并形成圍巖“松動(dòng)圈”。當(dāng)巷道掘進(jìn)距斷層10 m 處時(shí)圍巖“松動(dòng)圈”范圍達(dá)6.7 m，原頂板錨桿錨固段位于“松動(dòng)圈”內(nèi)，錨桿支護(hù)效果差，無(wú)連續(xù)穩(wěn)定的承載梁結(jié)構(gòu)及承載單元[8]。

4）圍巖承載強(qiáng)度低。巷道掘進(jìn)的9#煤層埋深為650 m，巷道沿煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)。煤層頂?shù)装逯饕阅鄮r為主，煤層單軸抗壓強(qiáng)度不足15 MPa，煤層以及頂?shù)装鍘r體在高應(yīng)力作用下承載強(qiáng)度低，巷道開挖后產(chǎn)生卸壓破壞作用，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生塑性變形[9]。

3 冒漏區(qū)圍巖控制技術(shù)

3.1 冒漏區(qū)圍巖控制

9206 回風(fēng)順槽掘進(jìn)至369 m 處頂板出現(xiàn)冒漏，巷道掘進(jìn)前需對(duì)冒漏區(qū)圍巖進(jìn)行控制。冒漏區(qū)處理方案為：補(bǔ)打密集組合錨索→冒漏區(qū)內(nèi)補(bǔ)打單錨索→施工人工假頂→注漿填充→架設(shè)U29型鋼棚。

1）在距冒漏區(qū)10 m 處開始補(bǔ)打密集組合錨索，主要防止受冒漏影響附近圍巖出現(xiàn)牽引垮落。每排3組組合錨索，布置間距為2.0 m，排距為3.0 m，共計(jì)補(bǔ)打4 排。每組組合錨索由3 根直徑為21.8 mm 錨索組成，其中2 根長(zhǎng)度為8.3 m，1 根長(zhǎng)度為10.3 m。托盤采用異型拱形鋼托盤，長(zhǎng)度及寬度為0.5 m。

2）冒漏區(qū)外圍組合錨索施工完后，將冒漏區(qū)下方矸石清理干凈并搭設(shè)工作盤，采用錨索鉆機(jī)向冒漏區(qū)內(nèi)補(bǔ)打單錨索。錨索長(zhǎng)度為5.0 m，直徑為17.8 mm，補(bǔ)打錨索數(shù)量以冒漏區(qū)范圍大小而定。錨索補(bǔ)打后安裝鋼筋網(wǎng)、托板并預(yù)緊。

3）單錨索施工后對(duì)冒漏區(qū)進(jìn)行人工假頂施工。首先在冒漏區(qū)下方施工4 架錨索吊棚，每架錨索吊棚長(zhǎng)度為3.8 m，由工字鋼梁和3 根錨索組成。錨索吊棚垂直巷道走向布置，布置間距為1.5 m，第一架錨索吊棚布置在距冒漏區(qū)邊緣0.5 m 處。錨索吊棚施工完后在其上方依次鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、風(fēng)筒布、道木，并對(duì)吊棚進(jìn)行預(yù)緊，最后對(duì)冒漏區(qū)內(nèi)注射羅克休膨脹劑。如圖1。

圖1 冒漏區(qū)人工假頂支護(hù)剖面示意圖（mm）

3.2 過(guò)冒漏區(qū)后圍巖控制

冒漏區(qū)控制后巷道繼續(xù)掘進(jìn)，為了防止斷層區(qū)頂板再次出現(xiàn)連續(xù)冒漏現(xiàn)象，在365～400 m 段頂板采取“超前管棚+注漿錨索棚+U29型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)，如圖2。

圖2 9206 回風(fēng)順槽斷層區(qū)聯(lián)合支護(hù)示意圖（mm）

3.2.1 超前管棚支護(hù)工藝

斷層區(qū)頂板巖體抗載荷能力差，承載強(qiáng)度低，通過(guò)對(duì)工作面頂板施工超前管棚體，形成連續(xù)穩(wěn)定的梁效應(yīng)結(jié)構(gòu)，從而防止超前應(yīng)力作用導(dǎo)致頂板破碎、垮落事故發(fā)生。

1）超前管棚支護(hù)體采用無(wú)縫鋼管焊制而成，管棚中部為中空，端頭為削尖實(shí)芯結(jié)構(gòu)。管棚支護(hù)體長(zhǎng)度為3.0 m，外徑為30 mm，內(nèi)徑為20 mm，削尖實(shí)芯長(zhǎng)度為0.5 m。鋼管壁均勻布置3 排卸壓小孔，每排布置5 個(gè)，卸壓小孔直徑為8 mm。

2）采用手持式鉆機(jī)進(jìn)行管棚支護(hù)孔施工。巷道迎頭每排布置15 個(gè)孔，孔間距為0.3 m，鉆孔開口位置距巷道設(shè)計(jì)頂板0.2 m。所有鉆孔以3°仰角布置。

3）鉆孔施工完后安裝管棚支護(hù)體，安裝后巷道方可繼續(xù)掘進(jìn)。掘進(jìn)時(shí)托頂施工，每掘進(jìn)0.8 m在管棚支護(hù)體下方施工一排錨桿（索）支護(hù)。

3.2.2 注漿錨索棚施工

1）與傳統(tǒng)單錨索支護(hù)相比，注漿錨索支護(hù)實(shí)現(xiàn)了注漿與錨注協(xié)同支護(hù)，通過(guò)注漿對(duì)鉆孔壁破裂巖體進(jìn)行填充、黏接，提高圍巖韌性及抗載荷能力[10]。同時(shí)，注漿液能夠使錨索支護(hù)體與孔壁巖體膠結(jié)為一體，實(shí)現(xiàn)錨索全錨支護(hù)作用，即縮短了傳統(tǒng)注漿、錨桿（索）施工時(shí)間，又提高了錨索應(yīng)力梁支護(hù)作用。

2）注漿錨索長(zhǎng)度為8.0 m，直徑為28 mm，采用9 股直徑為7 mm 反麻花鋼絲組成，如圖2（c）。錨索中部安裝一根直徑為14 mm 無(wú)縫中空鋼管，鋼管延伸至注漿錨索底端1.5 m 處，注漿錨索底端布置主注漿孔和輔助注漿孔。錨索延展率為16%，屈服強(qiáng)度為650 MPa。

3）梯形棚由2 根圓鋼、9 根螺紋鋼和3 塊托板組成，如圖2（b）所示。圓鋼長(zhǎng)度為4.0 m，直徑為20 mm，螺紋鋼長(zhǎng)度為0.5 m，直徑為15 mm。圓鋼與螺紋鋼焊接成梯形結(jié)構(gòu)，在梯形架上均勻焊制3 塊托板，托板長(zhǎng)度及寬度為0.3 m，托盤中部布置一個(gè)直徑為30 mm 錨索支護(hù)孔。

4）注漿錨索棚施工工序如下：施工錨索支護(hù)鉆孔（孔深為8.0 m，直徑為30 mm）→錨注注漿錨索→安裝梯形棚→注漿施工。注漿材料采用聚氨酯有機(jī)化學(xué)注漿材料，該材料主要由聚氨酯預(yù)聚劑和催化劑等部分組成。注漿錨索棚布置排距為3.0 m。

3.2.3 架棚、噴漿支護(hù)

1）DF12 斷層區(qū)長(zhǎng)度為40 m，斷層區(qū)頂板支護(hù)后在365～400 m 段安裝U29型鋼棚。鋼棚由棚腿、弧形頂梁、拉桿組成。棚腿及頂梁采用U29型鋼焊制而成，棚腿長(zhǎng)度為3.5 m，每節(jié)弧形梁長(zhǎng)度為2.3 m，每節(jié)弧形梁端頭為“L”型弧形結(jié)構(gòu)。2 節(jié)頂梁搭接長(zhǎng)度為0.2 m，頂梁與棚腿之間搭接長(zhǎng)度為0.4 m，搭接處采用雙組卡纜進(jìn)行預(yù)緊。

2）U29型鋼棚布置間距為0.7 m，斷層區(qū)共計(jì)安裝50 架。鋼棚安裝后保證頂梁與頂板接觸嚴(yán)實(shí)，如頂板破碎區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)頂梁完全接頂時(shí)采用水泥背板填充。

3）待所有鋼棚架設(shè)完成后從365 m 處開始對(duì)巷道表層全覆蓋噴漿施工。噴漿主要作用是利用混凝土凝固后具有剛強(qiáng)度黏結(jié)固化作用，可將巷道永久支護(hù)與圍巖黏結(jié)為一體形成一定厚度的圓拱梁結(jié)構(gòu)，從而共同承載圍巖應(yīng)力。噴漿混凝土采用水泥、細(xì)沙、石墨以1:2:2 混合而成，噴漿厚度為150 mm。

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

9206 回風(fēng)順槽過(guò)斷層區(qū)采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，從經(jīng)濟(jì)效益、圍巖控制等方面分析了實(shí)際取得的應(yīng)用效果。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)對(duì)DF12 斷層區(qū)采取聯(lián)合支護(hù)后巷道頂板沿錨桿（索）支護(hù)失效現(xiàn)象、圍巖變形、破碎現(xiàn)象得到了明顯控制，避免了巷道二次復(fù)修工程量及工程費(fèi)用，預(yù)計(jì)可減少失效錨桿（索）補(bǔ)打支護(hù)費(fèi)用、修巷費(fèi)用、人工費(fèi)用達(dá)24.2 萬(wàn)元。

4.2 控制了圍巖變形現(xiàn)象

為了對(duì)比分析聯(lián)合支護(hù)圍巖變形情況，在巷道380 m 處布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)頂板上安裝一臺(tái)YH-300 型頂板離層儀，兩幫布置紅外位移監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)30 d 現(xiàn)場(chǎng)觀察，觀察結(jié)果如圖3。

圖3 聯(lián)合支護(hù)后斷層區(qū)圍巖變形曲線圖

聯(lián)合支護(hù)后在0～10 d 范圍內(nèi)兩幫移進(jìn)量、頂板下沉量呈直線上升趨勢(shì)，頂板下沉量為140 mm，兩幫移進(jìn)量為175 mm。在10～20 d 范圍內(nèi)圍巖變形速率降低，20 d 后圍巖變形趨于穩(wěn)定，頂板最大下沉量為180 mm，兩幫最大移進(jìn)量為250 mm。

4.3 降低了支護(hù)失效率

采取聯(lián)合支護(hù)前由于圍巖破碎嚴(yán)重并形成圍巖“松動(dòng)圈”，導(dǎo)致頂板錨桿（索）支護(hù)失效率達(dá)19%。采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，控制了圍巖變形、下沉、冒漏現(xiàn)象，控制了圍巖“松動(dòng)圈”范圍擴(kuò)大，提高了圍巖承載強(qiáng)度，圍巖內(nèi)支護(hù)失效率降低至3%以下，強(qiáng)化了冒漏區(qū)支護(hù)質(zhì)量。

4.4 提高了巷道掘進(jìn)效率

聯(lián)合支護(hù)前傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)對(duì)斷層區(qū)圍巖變形現(xiàn)象控制效果差，巷道每掘進(jìn)5.0 m 需對(duì)后方10 m 范圍內(nèi)頂板及兩幫圍巖進(jìn)行修復(fù)并二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)效率低。現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)過(guò)冒漏區(qū)前期巷道掘進(jìn)量不足1.8 m/d。采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，強(qiáng)化了施工工序，降低了巷道二次修復(fù)施工工程量，后期過(guò)斷層應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)效率提高至5.4 m/d。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)9206 回風(fēng)順槽過(guò)DF12 斷層區(qū)圍巖采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，成功解決了構(gòu)造應(yīng)力牽引造成頂板破碎冒漏、圍巖收斂嚴(yán)重、圍巖控制難度大、支護(hù)效果差等技術(shù)難題，有效降低了斷層區(qū)圍巖變形量以及支護(hù)失效率，為類似地質(zhì)條件下巷道掘進(jìn)支護(hù)提供了實(shí)踐支護(hù)依據(jù)。