沙吉海煤礦01工作面煤巷穩定性分析與支護對策

景海河 呂 謙 趙術江 孫銀磊

(1.黑龍江科技大學，黑龍江哈爾濱 150027; 2.神華能源公司沙吉海煤礦，新疆和布克賽爾 834411)

0 引言

軟巖問題是影響礦井生產的一大難題，目前全國許多礦井由于是軟巖巷道而導致支護的難度和破壞程度不斷增加[1-5]，一般的支護方法不能有效的控制軟巖巷道的大變形破壞，這就給煤礦的安全與生產帶來了不可估計的損失和困難。因此，軟巖巷道的支護問題就變成急需解決的課題，本文就沙吉海煤礦B103W01工作面運輸順槽的支護問題進行了研究，并提出了以恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角注漿鋼管為主體的耦合支護技術。

1 工程地質特征

1.1 地層巖性

沙吉海煤礦B103W01工作面運輸順槽標高為+300 m，布置在B10煤層中，頂板為泥巖，厚度8 m;泥質粉砂巖，厚度12 m，底板為泥巖，厚度8 m。

1.2 巖性分析

為了全面的了解運輸順槽圍巖的膨脹性粘土礦物的種類及含量的多少，所以在運輸順槽內進行巖樣的采集并進行了電鏡分析、能譜分析、X射線衍射分析，分析結果如表1，表2所示。

表1 粘土礦物種類及相對含量

表2 全巖礦物種類及含量

實驗結果表明:運輸順槽巷道圍巖粘土礦物主要為蒙脫石、伊/蒙混層和高嶺石，對圍巖的強度影響較大。其中，膨脹性及吸水性較強的蒙脫石和伊/蒙混礦物的相對含量達45%;其混層比達到51%。由此可見，運輸順槽圍巖屬膨脹性軟巖。

1.3 物理力學性質

首先對運輸順槽巷道的圍巖進行了巖石和煤樣的采集并將其加工成標準的試件，先后對加工好的試件進行了容重，孔隙率，單軸、三軸壓縮實驗以及變形實驗，實驗結果如表3，表4所示。

表3 不同巖樣的主要物理力學參數(一)

表4 不同巖樣的主要物理力學參數(二)

從表3可以明顯看出，軟巖巷道的圍巖強度普遍較低，其中泥巖的吸水性較強，在飽和狀態下泥巖的抗壓強度僅為3.5 MPa，而抗壓強度最小的煤的抗壓強度卻達到18.52 MPa，所以在飽和狀態下的煤體的抗壓強度顯著大于泥巖的抗壓強度，此時吸水后的泥巖的抗壓強度大幅降低(軟化系數僅為0.13)，且巖體會因膨脹而產生較大的應力，這對巷道的穩定性控制將極為不利。

2 巷道變形力學機制分析

通過對運輸順槽圍巖的試驗研究和對現場的調查并依據實際工程的破壞特點，可分析出可能造成運輸順槽破壞的原因如下:

1)根據現場工程地質勘查可知，沙吉海煤礦B103W01工作面運輸順槽圍巖節理裂隙較為發育，節理產狀呈隨機分布，大大削弱了圍巖的整體性和穩定性;巷道開挖之后，巷道頂板受礦山壓力影響產生裂隙，由于錨索端部伸入到煤層上部含水層中，水順錨索桿體通過圍巖裂隙進入到泥巖當中，水被泥巖吸收后膨脹變形，且泥巖遇水后其抗壓強度急劇降低，這使得巖體自身不能充分發揮自身的承載能力，而普通錨網的支護強度低，且錨固的深度有限，錨桿的延性差，根本無法限制圍巖所產生的大變形問題。由于圍巖壓力過大經常使得錨桿發生破斷失效，對于巷道的頂板支護極其不利;

2)由于膨脹性粘土礦物的蒙脫石和伊/蒙混合層在圍巖中含量達到45%以上，這就使的圍巖具有較高的膨脹性和吸水性，這些因素對圍巖的變形和破壞有著非常重要的影響;

3)從運輸順槽現場掘進施工情況來看，頂板淋水大，掘進工作面涌水量可達45 m3/h，在水的作用下，巷道圍巖的穩定性將進一步惡化，因此，水是巷道圍巖的不穩定因素中最為不利的因素之一;

4)受工程擾動嚴重，運輸順槽巷道受到相互之間施工擾動影響，可能會加大巷道的變形破壞。

經以上分析，該工程部位的變形力學機制為ⅠAⅡBCDⅢE型，即不但具有分子膨脹機制型、而且還具有重力及水影響的應力擴容型，同時還具有隨機節理型。

對ⅠAⅡBCDⅢE復合型軟巖巷道，引進“以柔克剛、剛柔并濟”的恒阻大變形錨桿支護體系及中空注漿錨索等新型支護工藝。首先通過恒阻大變形錨桿的支護，可以吸收掉圍巖中一定的變形膨脹能和塑性能，使圍巖的ⅠAⅡBCDⅢE復合型軟巖巷道轉化為比較簡單的ⅡBCDⅢE型。利用恒阻大變形錨桿的恒阻大變形力學機制和能吸收圍巖部分能量的特點，當巷道圍巖發生大變形的時候，恒阻大變形錨桿會隨著圍巖的膨脹變形而自動延伸，并能在一定范圍內保持恒定的阻力值，此時恒阻大變形錨桿可以通過恒阻大變形的工作特性吸收圍巖多余的能量，這就使得恒阻大變形錨桿在圍巖產生大變形的條件下仍具有良好的支護作用并能保證巷道的穩定。

同時采用了錨桿的三維優化技術，可以有效地控制圍巖結構變形，使其轉化為ⅡBCD型。

巖體錨注加固技術是對巖體實施外錨內注加固處理的一種加固方式，其中特種中空錨桿(索)兼作注漿管。它是巖體注漿加固技術與巖體錨桿(索)加固技術的有機結合，充分利用注漿加固與錨桿加固的各自優點，對軟弱、破碎圍巖進行錨注支護，就是通過漿液的充填、膠結與錨桿的組合、懸吊以及噴射混凝土的封閉和支撐等作用來改善圍巖的受力狀況以及它的整體性，就是用注漿來改變圍巖的松散結構，封閉裂隙，可以有效的阻止水對巖體的侵蝕，從而提高圍巖的強度，改善圍巖的受力狀態，繼而達到維護圍巖穩定性的目的，而恒阻大變形錨桿又是起支護作用的。最后通過中空注漿錨索、底角注漿鋼管與恒阻大變形錨桿支護技術可以使圍巖與支護體變形協調、達到相互耦合作用，最終達到巷道圍巖的穩定的目的。具體的轉化及支護力學對策如圖1所示。

圖1 運輸順槽巷道復合型變形力學機制轉化圖

3 工程實例

3.1 巷道斷面形狀及支護形式

斷面設計形狀為梯形，支護形式為恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管耦合支護，如圖2所示。

3.2 支護材料及參數

支護所用材料有錨桿、錨索、金屬網、鋼筋梯、底角鋼管，具體參數如下:

1)錨桿。

采用φ20 mm×2 700 mm恒阻大變形錨桿，間排距700 mm ×800 mm，三花布置，預緊力不小于300 kN。

2)錨索。

采用φ22 mm×7 000 mm中空注漿錨索，間排距1 600 mm×2 400 mm，錨索緊跟迎頭安裝時預緊力為100 kN，滯后迎頭安裝時預緊力為120 kN。

3)金屬網。

采用φ6.5 mm的鋼筋焊接而成，網片的尺寸為1 700 mm×900 mm，網格尺寸100 mm×100 mm。

4)底角鋼管。

采用φ43 mm×2 500 mm無縫鋼管，內插鋼筋并注漿，排距為500 mm。

5)鋼筋梯。

鋼筋梯采用10號圓鋼焊接而成，其頂部的規格(長×寬)為4 900 mm×100 mm，幫部規格(長×寬)為5 000 mm×100 mm。

圖2 支護設計斷面圖

4 支護效果分析

B103W01工作面運輸順槽巷道采用了恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管支護技術，軟巖巷道的大變形問題得到了有效的解決，巷道的整體造型良好。為了檢驗支護效果，在運輸順槽兩側分別設一組測站，分別監測巷道圍巖的兩幫收縮及頂板下沉和底臌，經過120 d的監測結果表明，巷道圍巖最大變形量74 mm，在可接受的范圍內，巷道穩定，支護效果良好。

5 結語

1)通過現場調查、實驗研究和理論分析，確定了B103W01工作面運輸順槽巷道的破壞原因;

2)確定了B103W01工作面運輸順槽巷道的變形力學機制，提出了恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管的支護對策;

3)工程實踐表明，恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管支護方案在軟巖巷道維護圍巖的穩定、有效遏制圍巖大變形和應對工程擾動的影響等方面有著獨特的作用，具有較高的經濟效益和實用價值，可以作為類似巷道的設計參考和依據。

[1] Sellers E J，Klerck P.Modeling of the effect of discontinuities on the extent of the fracture zone surrounding deep tunnels[J].Tunneling and Underground Space Technology，2000，15(4):463-469.

[2] Kidybinski A，Dubinski J.Strata Control in Deep Mines[M].Rotterdam:A.A.Balkema，1990.

[3] 許興亮，張 農.富水條件下軟巖巷道變形特征與過程控制研究[J].中國礦業大學學報，2007，36(3):298-302.

[4] 何滿潮，孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護設計與施工指南[M].北京:科學出版社，2004.

[5] 何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學[M].北京:科學出版社，2002.