山西水峪煤礦連續斷裂構造區域巷道支護方案

楊　春

(山西汾西礦業集團水峪煤業有限責任公司)

斷裂構造區域巖石破裂程度高、遇水膨脹、力學性能復雜，位于斷層附近的巷道變形較嚴重，易造成冒頂事故、巷道支護成本高、礦壓顯現強烈、掘進進度很慢、支架復用率降低[1-5]。因此，巷道穿越斷層支護是目前煤礦巷道支護的難題之一。山西水峪煤礦礦井受NE向展布的F4、F2、F3斷層及NW向展布的方莊斷層和馮營斷層的切割和制約，使得區內煤系地層形成了地塹、地壘和階梯狀的構造形態，多為單斜構造。該礦五級軌道二橫貫硐室位于五級軌道巷下山和五級機軌合一巷下山之間，中部有煤層穿過，圍巖破碎，裂隙發育，巷道全長33.4 m，沿煤層頂板掘進，砂質泥巖平均厚度為6.6 m，直接頂為粉砂巖，平均厚度為4.4 m，直接底以泥巖為主。-400 m 水平運輸大巷布置于巖層中，巷道位于二1煤層頂板巖巷內，與二1煤層間距達98～101 m。該巷道局部頂板破碎，擴修時需加強頂板管理，巷道周圍無臨近巷道。巷道掘進期間穿過F2小莊斷層、F2-2斷層和F2-1斷層，三者為平行展布的分支斷層，為延伸長約2 km、走向約37°、傾向127°、傾角70°的高角正斷層，落差為30 m。由于受到斷層影響，且斷層附近巷道圍巖破碎，巷道變形嚴重，現有的U型鋼柱腿變形較大，錨桿、錨索被剪斷，影響到了機車正常通行。本研究以該礦五級軌道二橫貫硐室和-400 m水平運輸大巷為例，對巷道圍巖支護方案進行設計，并對相應的支護參數進行計算取值。

1　支護計算分析

根據文獻[6]中巷道圍巖破壞計算公式，以礦井-400 m水平巷道原支護為例，計算巷道在無支護和有支護條件下的塑性區半徑和破碎區半徑，為巷道支護方案設計提供可靠依據。該巷道圍巖參數如表1所示。

表1　巷道圍巖物理參數

計算表明：巷道在無支護和有支護的條件下，巷道圍巖的塑性區半徑分別為5.932，2.298 m；圍巖破碎區厚度分別為1.747，0 m；礦壓顯現主要表現在下盤巖層巷道，大傾角巷道支護體破壞或變形區域均位于破碎帶內或下盤盤面處，并且平行應力顯現較為突出；巷道錨固體強度提高后，圍巖應力也隨之改變，巷道圍巖的破裂區半徑和塑性區半徑大幅度減小，巷道有必要采用錨網索與封閉支架相結合的剛性支護方案，錨桿長度不宜小于1.747 m。

2　支護方案及參數設計

根據本研究巷道圍巖特征以及相關計算分析，設計采用錨網索噴+U型鋼可縮性支架+注漿的聯合支護方案。錨桿、錨索與圍巖注漿工藝聯合使用，可以使得巷道圍巖組合成一個封閉拱，進而達到強化巷道加固質量的目的[7-9]。圍巖注漿加固改變了巷道圍巖的力學性質，注漿管與孔壁產生的摩擦剪應力可以防止圍巖發生變形，長錨索能夠對圍巖進行加固，3種工藝聯合應用可有效確保閉合拱形成一個強大的承載結構，抵御圍巖變形[10]。

2.1　錨桿參數

錨桿采用左旋高強錨桿，使巷道巖層形成一個錨固層，來阻止圍巖出現張開裂隙和裂紋[11-12]。錨桿選用φ22 mm×2 400 mm左旋高強錨桿。螺紋錨桿桿體設計方向與攪拌樹脂藥卷方向相反，在該過程中，攪拌樹脂藥卷可以產生軸向擠壓力，同時在藥卷推向鉆孔深部的過程中對藥卷施以較大壓力，使得錨固劑擠入鉆孔裂隙中，可以有效提高錨桿的拉拔力。錨固劑選用φ28 mm樹脂藥卷，每種藥卷各1支，裝藥卷速度不宜過快，將藥卷推送至錨孔底部后，再攪拌20～35 s，停留等待時間不小于8 min，方可預緊錨桿，巖巷錨桿預緊力為120 N·m，錨固力為64 kN。

為有效控制巷道圍巖，需要將托梁、托盤和金屬網進行聯合使用。托梁是由φ12 mm圓鋼焊接而成的鋼筋梯子梁，規格為2 900 mm×100 mm(長×寬)和1 500 mm×100 mm(長×寬)。鋼筋梯子梁必須緊貼巖體面，確保良好的錨固效果。托盤的承載能力應適應錨桿的力學性能。在支架背后鋪設經緯金屬網，經緯網采用φ6 mm鋼筋焊制，規格為1 500 mm×600 mm(長×寬)，網格規格為50 mm×50 mm(長×寬)；鋪設時，網格規格為100 mm×100 mm(長×寬)，網應壓茬連接，搭接長度為100 mm，相鄰兩塊網之間采用10#鐵絲連接，連接點應均勻布置，間距為200 mm，掛網時，橫筋向外，豎筋向內。

2.2　錨索參數

錨索采用φ18.9 mm×9 000 mm鋼絞線配合鎖具、托盤制作，錨索長度視圍巖裂隙發育情況以及施工質量而定。結合巷道圍巖條件及變形情況，需沿巷道均勻布置若干個錨固斷面，每排布置3根錨索，拱部3根錨索呈扇行分布，外端用槽鋼連接，形成連錨結構(巷道拱部采用聯錨式小錨索，兩側用單錨式大錨索)。根據圍巖破碎情況，錨索有效長度不小于6 000 mm，外露部分長度不大于100 mm，錨索間距為1 500 mm，排距為2 500 mm，每孔使用4根樹脂錨固劑固定(眼底2根錨固劑型號為K2360，外側2根錨固劑型號為Z2360)。錨索預緊力為50 MPa，錨固力不宜小于200 kN/根。托盤為正方形，規格為150 mm×150 mm(長×寬)，用厚為10 mm 的鋼板壓制成弧形，承載力不小于157 kN。

2.3　注漿參數

在巷道開挖過程中或巷道通過圍巖破裂帶過程中向巷道圍巖裂隙或空洞中注入配置的水泥漿液，水泥漿液固化后充填了圍巖空洞和裂隙，有助于提高圍巖完整性，增加圍巖強度，可進一步提高圍巖的承載能力[13]。

(1)噴漿。由于巷道穿過圍巖破裂帶，巷道圍巖表面存在較多裂隙，為有效防止注漿過程中發生“跑漿”現象，在進行中深孔注漿前需要對巷道圍巖表面進行噴漿，堵住跑漿裂隙通道，提高注漿效果。巷道圍巖表面噴漿應滿足表面平整、均勻等要求，不能出現“厚此薄彼”的現象。

(2)中深孔圍巖注漿。進行中深孔噴漿前，有必要確定巷道圍巖裂隙帶范圍，從而設計出適宜的噴漿孔參數(包括噴漿孔深度、間排距等)，并根據現場注漿效果及時調整噴漿鉆孔參數。根據本研究計算可知，在無支護情況下，巷道破碎區半徑為4.247 m，塑性區半徑為5.932 m，據此初步確定注漿范圍在圍巖周邊3～4 m深度以內，故可沿巷道加固段全長按3～4 m劃分為1個注漿段，根據圍巖變形情況及時調整注漿參數。巷道圍巖破碎嚴重時，每段布置8個注漿孔，頂部2個，兩拱肩各1個，U36型鋼底角15°處各布置1個，底板2個。巷道頂部和兩幫圍巖完整而底板破碎時，考慮到巷道圍巖體內裂隙欠發育，注漿效果不明顯，故僅對底板進行注漿施工，巷道兩幫及頂板進行錨桿+錨索聯合支護。注漿管可采用注漿復合錨桿，用無縱筋螺紋鋼制造，注漿后作為錨桿使用，直徑25.5 mm，長度3.1 m，注漿孔直徑32 mm，注漿壓力1.5～2.0 MPa，注漿孔排距3.2 m，間距根據圍巖破碎情況確定為2 m[14]。

3　支護效果

試驗巷道長33.4 m，1#測點布置于距五級機軌合一巷5 m處，2#測點布置于二橫貫避難硐室中間處，3#測點布置于距五級軌道巷5 m處。采用巷道斷面中腰線十字交叉法布置測點，分別對同一斷面上巷道頂底板移近量及兩幫移近量進行監測，結果見圖1、圖2。

圖1　巷道圍巖移近量

圖2　巷道圍巖移近速率

分析圖1、圖2可知：經過100 d巷道圍巖變形觀測，1#測點巷道頂底板移近量、兩幫移近量分別為130，29 mm，2#測點巷道頂底板移近量、兩幫移近量分別為117，27 mm，3#測點3巷道頂底板移近量、兩幫移近量分別為132，31 mm；巷道開挖支護后70 d左右圍巖變形區域逐漸穩定，圍巖總體變形速率較小，后期的變形速率頂底板平均為0.16 mm/d，兩幫平均為0.04 mm/d，表明巷道變形已經趨于穩定，本研究巷道支護方案對于圍巖穩定性的控制作用得到了有效體現。

4　結　語

結合山西水峪煤礦五級軌道二橫貫硐室和-400m水平運輸大巷的地質條件，設計了錨網索噴+U型鋼可縮性支架+注漿的聯合支護方案。該方案采用巷道錨網索支護和封閉支架剛性聯合支護工藝將巷道圍巖的破裂區域和塑性區域變形進行有效控制，即采用錨桿、掛金屬網和噴射混凝土工藝對地層破裂區域的圍巖變形進行控制，增強地層破裂區域圍巖的整體效應；應用錨索支護工藝可將地層破裂區和塑性區內的圍巖巖層進行緊密聯結。巷道穩定性監測表明，巷道頂底板、兩幫移近量以及兩者的移近速率隨著監測時間推移，均呈現出顯著降低趨勢，說明采用本研究支護方案后，巷道圍巖變形得到了有效控制。

[1]孫曉明，何滿潮，楊曉杰.深部軟巖巷道錨網索耦合支護非線性設計方法研究[J].巖石力學，2006，27(7)：1061-1065.

[2]樊克恭，翟德元.巷道圍巖弱結構破壞失穩分析與非勻稱控制機理[M].北京：煤炭工業出版社，2004.

[3]樊克恭，翟德元，劉鋒珍.巖性弱結構巷道頂底板弱結構體破壞失穩分析[J].山東科技大學學報(自然科學版)，2004，23(2)：11-14.

[4]陳艾.復雜條件下大斷面煤巷過斷層技術[J].煤炭工程，2011(4)：28-30.

[5]任超.高應力軟巖巷道過斷層破碎帶支護技術研究[J].煤炭技術，2011，30(6)：83-85.

[6]董方庭.巷道圍巖松動圈支護理論及其應用技術[M].北京: 煤炭工業出版社，2001.

[7]劉高，聶德新，韓文峰.高應力軟巖巷道圍巖變形破壞研究[J].巖石力學與工程學報，2000，19(6)：726-730.

[8]蔣金泉，韓繼勝，石永奎.巷道圍巖結構穩定性及控制設計[M].北京：煤炭工業出版社，1999.

[9]葛家良.軟巖巷道注漿加固機理及注漿技術若干問題的研究[D].徐州：中國礦業大學，1995.

[10]葛家良.注漿技術的現狀及發展趨勢綜述[J].礦業世界，1995(1)：1-7.

[11]葛家良，陸士良.注漿模擬試驗及其應用的研究[J].巖土工程學報，1997，19(3)：28-33.

[12]楊新安，陸士良，葛家良.軟巖巷道錨注支護技術及其工程實踐[J].巖石力學與工程學報，1997，16(2)：171-177.

[13]王彩根.軟巖巷道壁后充填支護機理與技術研究[D].徐州：中國礦業大學，2015.

[14]劉坡.多次返修強流變大斷面硐室圍巖控制技術[J].能源技術與管理，2014，39(4)：67-68.