礦井破碎巷道圍巖變形機理分析及支護技術研究

＊任國強 張永 畢利軍

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司 山西 048400）

引言

煤炭是我國最主要的能源之一，我國是煤炭產量大國，年產量約41億噸，全球總產量占比較大，為實現煤礦井下開采的安全高效性，首要條件是保障好回采巷道圍巖的穩定性，由于回采巷道約長1500公里，控制破碎圍巖回采巷道的穩定性十分必要，也是很多專家研究的領域。例如，吳愛祥和胡凱建等人[1]提出并驗證“鋼拱架+長錨索”聯合支護技術，可有效改善巷道圍巖變形?？追矀2]基于圍巖力學參數測試，以及數值模擬研究的基礎上設計的支護方案，可有效減弱圍巖變形。孫占成和周保平[3]在石炭系破碎圍巖中采用“中空注漿錨索+錨桿”的方式，控制破碎圍巖巷道變形，取得了較好的效果。本文在參考以上科研成果的基礎上，以山西某礦10-208回采巷道為研究對象，該工作面地質條件錯綜復雜，當回采巷道過破碎圍巖段期間，巷道頂板下沉明顯，片幫等嚴重破損，對井下作業安全構成威脅，導致巷道無法正常使用。因此，為了減少施工風險，研究分析破碎圍巖回采巷道的支護技術，具有實際應用意義，可為類似工況下的同類型巷道圍巖支護提供參考。

1.工程概況

山西某礦10-208工作面，實體煤巖層覆于其上，其地理位置西鄰10-206回采工作面，南與二盤區3條準備大巷接壤，北部和東部均為實體煤，緊挨著風氧化帶，位于礦井井田邊界，生產過程中不易受采動的影響。該工作面開采煤層類型為石炭系上統太原組的9號和10號煤的混合層，9號和10號煤層間距為0.2～0.4m，層普氏系數為2～3，中厚層狀，結構較為穩定。

山西某礦10-208工作面地面標高+1045～+1175m，10-208回采巷道標高+810～+835m，巷道全長997m，為矩形斷面，凈寬和凈高分別為5.0m和3.5m。10-208回采巷道在地質作用影響下，巷道圍巖150m左右變形情況嚴重，頂板下沉600mm，兩幫移近500mm，且部分區域發生了錨桿索斷裂等狀況，為了保障煤礦井下生產的安全性，加固處理10-208回采巷道嚴重變形的區域十分必要。

2.巷道圍巖變形機理

(1)地質構造的影響

對山西某礦10-208工作面回采巷道進行實地地質勘察，發現其在工作面掘進作業過程中揭露6條正斷層，斷層最大影響區域為20m，斷層落差為0.5～1.7m，嚴重破壞了巷道圍巖的完整性，同時在地質構造的綜合作用下，巷道圍巖穩定性較差，造成工作面回采巷道部分位置圍巖處于嚴重破碎狀況，巷道圍巖較為脆弱。

(2)圍巖強度的影響

10-208回采巷道的直接頂，其巖石種類為泥巖，具有易吸水膨脹、強度較低等特點，故質軟的泥巖位于直接頂區域內，致使巷道圍巖極易產生較大變形。原來的巷道頂板支護方案如下：

在巷道頂板的材料選擇方面，采用左旋螺紋鋼錨桿，其規格為直徑22mm、長度2400mm，在施工設置方面，使所有錨桿間距都為900mm×1000mm，且都與頂板垂直，錨桿螺母錨固力大小為190kN，其預緊力矩至少為300N·m。巷道頂板的錨索在材料選擇方面，采用鋼絞線錨索，其規格大小為直徑20mm×5300mm預應力，在施工設置方面，使各錨索間按間距1800mm×2000mm排列，選用的球型鋼板托盤，其規格大小為180mm×180mm×12mm，為使錨索錨固端能夠深入穩定巖體中至少1m的距離，以保證支護效果，對其施加預緊力至少為300kN。巷道兩幫的錨桿采用的材料規格與巷道頂板相同，但在施工設置方面，所有錨桿間距設置為950mm×1000mm，且都與幫部垂直，錨桿螺母錨固力大小為160kN，兩幫的金屬網規格大小為2900mm×1100mm，采用16號雙股聯網絲進行金屬網的聯接，金屬網搭接長50mm，聯網絲扭結為3扣以上，聯網距在200mm以內。

原支護方案中，錨桿長2400mm，其錨固區位于錨桿僅對剪切應力起作用的泥巖中，支護作用無法全部起作用，支護效果較差。

(3)地應力的影響

為深入分析巷道圍巖的變形破壞機理，以破碎圍巖嚴重的位置為研究對象，對其進行地應力測量，測量結果見圖1。

從圖1可看出，回采巷道的走向為正東西方向，由圖1回采巷道和最大水平主應力的夾角（45°），可求得剪切破壞面與水平面夾角θ：

由圖1可看出，山西某礦10-208工作面回采巷道圍巖變形破壞機理如下：正東西走向的回采巷道，其巷道頂板巖石在最大和最小水平主應力作用下，會產生41°至60°的剪切破壞，破壞角度區間與回采巷道平行，不能有效實現巷道圍巖支護。

3.加固支護方案

(1)注漿加固方案

將圍巖先進行掃噴，再進行注漿，將裸露處圍巖的表面封閉。頂板注漿孔的直徑為36mm，深度為8000mm，注漿孔布置方式為“4-3-4”，其間排距為1600mm×2000mm；巷道幫部和底板的注漿孔直徑均為36mm，深度分別為7000mm和6000mm，其注漿孔布置方式均為每排兩根，間排距均為2000mm×2000mm。

巷道圍巖進行注漿加固時，采用鑿巖機設備進行注漿打孔操作，具體的注漿孔布置見圖2。打設時要注意使注漿孔均垂直于巷道圍巖表面，并將射漿管埋設到注漿孔內，進行一次性全鉆孔注漿，注漿壓力為6.0MPa左右，注漿材料選用水玻璃和水泥漿液體積比大概0.5:1的水泥-水玻璃雙液漿，其各成分的具備配比參數為水灰比0.8、水玻璃濃度50Be左右，模數3.0。

圖2 注漿孔布置圖（單位：mm）

(2)錨桿索支護方案

①巷道頂板支護。在該支護方案中，巷道頂板支護材料采用規格型號為CRM500Φ22-M24-2400強力錨桿和SKP22-1/1860/8300強力錨索，錨桿和錨索均與巷道頂板垂直打設。錨桿的施工布置如下：每排五根，排列間距為900mm×900mm，錨桿螺母預緊力矩在400～500N·m之間，同時使用3.8m長的鋼帶進行支護，以提升效果。錨索的施工布置如下：采用“2-3-2”的形式，其間排距根據錨索數量的不同而不同，若布設的為兩根錨索，可設置為1800mm×1000mm的間排距，如果布設的為三根錨索，可設置為1700mm×1000mm的間排距。

②巷道兩幫支護。巷道兩幫支護材料，都選用強力錨桿與錨索，巷道兩幫對稱設置四根間排距為950mm×1000mm的錨桿。錨索打設時與幫部垂直，錨索的設置方式為左右兩幫對稱布設，每排打設兩根，其間排距為2000mm×2000mm。優化后錨桿索支護方案見圖3。

圖3 優化支護方案圖（單位：mm）

4.工業性試驗

在山西某礦10-208破碎巷道，應用給巷道進行注漿加固和采用錨桿索進行聯合支護的方案，為保證數據結果更有說服力，安排了兩組測站，其間距為40m，在回采巷道過破碎段過程中，采用“十字布點法”對巷道頂底板和兩幫位置的圍巖變形量進行測量，在頂幫、頂部、幫部和底板區域均設置測點，其測點位置分別在同一斷面內、巷道中心線上、距巷道地面1m處及鐵釬釘入底板圍巖內250mm處。共觀測90天，頻率為每周一次，不同測站巷道圍巖表面位移結果見圖4。

圖4 不同測站巷道圍巖表面位移情況

圖4表明，在前58天內，頂底板和兩幫相對移近量與時間變化呈正相關的變化趨勢，在58天后，頂底板和兩幫相對移近量變化不大，趨于穩定，頂底板最大累計變形量為49.5mm，巷道兩幫最大累計變形量為64.6mm，故頂底板和兩幫相對移近量隨觀測時間的變化趨勢為先增大，到一定時間后趨于穩定，其巷道掘進過程中沒有發生冒頂片幫現象。結果表明，該巷道圍巖變形得到了有效控制。

5.結論

以山西某礦10-208破碎巷道工程概況為例，基于巷道圍巖變形機理，研究巷道圍巖變形支護方案，其結論如下：

（1）本文通過分析巷道圍巖破碎變形機理，設計了巷道進行注漿加固與采用錨桿索進行聯合支護的的優化支護技術方案。

（2）在10-208工作面回采巷道，進行該支護方案的現場應用測試，結果表明，該回采巷道過破碎段過程中頂底板最大累計變形量為49.5mm，巷道兩幫最大累計變形量為64.6mm，圍巖變形控制效果顯著。