易崩解弱膠結(jié)軟巖巷道支護實踐及其監(jiān)測分析

郭亮亮

（山西汾西礦業(yè)集團南關煤業(yè)， 山西 靈石 031300）

1 工程概況

1.1 煤層圍巖巖性分析

對某礦泥巖進行吸水率試驗時，觀察到以下現(xiàn)象：自然狀態(tài)下的泥巖在浸水后幾分鐘便可看到有氣泡從試件表面冒出，說明泥巖微裂隙、孔隙在吸水排出空氣。在水作用下，泥巖表面的微裂隙開始慢慢擴展，氣泡也越冒越多，伴隨有“滋滋”響聲。到30 min左右，看不見的微裂隙在水的作用下貫通為數(shù)條縱向裂縫，巖石破壞嚴重，完整性無法繼續(xù)保持。6 h后，試件已經(jīng)成碎塊狀，靠容器側(cè)壁支撐，一段時間后泥巖被侵蝕崩解最后泥化。

某礦的頂?shù)装鍘r性主要為泥質(zhì)、泥質(zhì)類砂巖，組成顆粒十分微小。微小顆粒在吸水后可形成很厚的水化膜吸附層，引起巖石內(nèi)部不均勻性膨脹，致使泥質(zhì)巖類內(nèi)部產(chǎn)生的力不均勻，進而產(chǎn)生大量的微裂隙，微裂隙的產(chǎn)生又促進了水繼續(xù)與巖體內(nèi)部的黏粒發(fā)生作用，形成一個惡性循環(huán)，最終導致泥質(zhì)巖類天然內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生膨脹崩解。

巷道開挖后，圍巖暴露在空氣中，與空氣中的水、生產(chǎn)用水及頂板淋水接觸發(fā)生作用，導致巖體膨脹、崩解，巖體強度隨時間增加而降低，巷道薄弱部位首先產(chǎn)生明顯大變形；如不及時支護，進而形成局部松動破碎區(qū)，失去承載力[1-3]。巷道底板，處于開放無約束狀態(tài)時，由于施工原因底板常有積水，水沿底板裂隙、孔隙滲入巖體，導致巖體由淺及深逐漸軟化、膨脹，底板的強度降低，若處理不好，會影響到兩幫及頂板的穩(wěn)定性[4]。

1.2 原巷道支護方案

礦井目前有兩個開采水平（+826 m水平和+660 m水平），巷道埋深最淺110 m，最深達360 m左右。采區(qū)內(nèi)無強烈構(gòu)造活動，只有一些較小的斷層構(gòu)造。巷道開挖斷面為直墻半圓拱斷面，采用正臺階法開挖?，F(xiàn)用支護形式為：臨時支護形式采用吊環(huán)式前探梁支護；永久支護形式為二次錨網(wǎng)噴+錨索支護，錨桿為長度2.4 m，直徑20 mm全螺紋鋼等強錨桿，間排距800 mm×800 mm，二次支護錨桿與一次支護錨桿成五花布置；錨索規(guī)格為Φ15.24 mm×6 300 mm，間排距2 000 mm×1 600 mm。

1.3 支護存在的問題

1）開挖后不及時封閉圍巖。目前巷道開挖時的臨時支護主要采用吊環(huán)式前探梁，緊接著一次錨網(wǎng)索支護，不能及時進行初噴和一次噴漿。前探梁臨時支護方式對于護頂有一定作用，但是不能起到封閉圍巖、對表面圍巖施加壓應力的作用，使得開挖后的表面圍巖在單向力的作用下逐漸破碎剝落。

2）支護參數(shù)與圍巖強度不耦合。支護參數(shù)的確定應綜合考慮地應力、地質(zhì)構(gòu)造和圍巖狀態(tài)，保證圍巖變形和支護結(jié)構(gòu)的耦合。支護參數(shù)的確定從低地應力狀態(tài)到高地應力狀態(tài)一直未變，從而在有的巷道段支護結(jié)構(gòu)和圍巖變形、強度不能耦合，造成了支護結(jié)構(gòu)的破壞。

3）二次支護時間不予控制。在一次支護后，往往隨機進行二次支護，不能嚴格控制二次支護與一次支護的時間間隔，導致的結(jié)果是：支護過早，圍巖變形能未完全釋放，變形導致噴層開裂、錨網(wǎng)鼓出等；支護過晚，巷道變形增大，圍巖破碎加重。

2 巷道支護方案優(yōu)化

針對礦井易崩解弱膠結(jié)軟巖巷道的支護現(xiàn)狀，對原支護方案進行了優(yōu)化。

2.1 21-1煤層回風大巷支護方案優(yōu)化

21-1煤層回風大巷位于21-1煤層中，圍巖性質(zhì)良好，埋深較淺（100～260 m），地應力水平較小，區(qū)域內(nèi)無不良地質(zhì)。在巷道礦壓監(jiān)測中可以發(fā)現(xiàn)其變形量很?。敯逑鲁亮吭?0 mm以內(nèi)，兩幫相對移近量在25 mm以內(nèi)），圍巖在變形過程中表現(xiàn)為彈塑性變形，支護參數(shù)有很大富余，造成了支護材料的浪費，具有很大的優(yōu)化空間。其優(yōu)化后的支護參數(shù)如下：

1）錨桿間排距改為900 mm×900 mm，拱部錨桿型號不變，兩幫錨桿改為長度為1.8 m，直徑為18 mm的全螺紋鋼等強錨桿，錨固長度采用1.0 m。錨索改為三花布置。

2）臨時支護采用初噴和吊環(huán)式前探梁。初噴必須及時，在巷道開挖后立即進行初噴，以減少表面圍巖的單向受力破碎和崩解等。

3）增加底角錨桿，底角錨桿打入角度與水平保持20°～30°之間。

2.2 23-2煤層輔運大巷下半段支護方案優(yōu)化

23-2煤層輔運大巷處于23-2煤層中，圍巖性質(zhì)較差，下半段埋深在280～360 m之間，埋深較深，地應力水平較大，區(qū)域內(nèi)有弱斷層。在巷道礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)中可知其變形量較大（頂板下沉量平均在80 mm，兩幫相對移近量平均在70 mm，底臌量在100 mm左右），表面圍巖破碎，網(wǎng)片多有撕裂，噴層開裂脫落，錨桿、錨索被拉斷、剪斷現(xiàn)象時有發(fā)生。因此要對其進行優(yōu)化：

1）錨桿間排距改為600 mm×600 mm，錨桿規(guī)格改為20 mm×2 400 mm熱軋細牙等強螺紋鋼式樹脂錨桿（這種錨桿螺紋較密，施加預緊力大，可有效緩解錨桿的松弛作用），錨固長度采用1.0 m。錨索間排距改為1 600 mm×1 600 mm，關鍵部位（如交叉點，大斷面處）需再增加錨索。錨網(wǎng)由鐵絲捆扎改為鋼筋網(wǎng)彎折搭接，增加鋼筋網(wǎng)的抗性和剛度。

2）臨時支護采用初噴和吊環(huán)式前探梁。初噴必須及時，在巷道開挖后立即進行初噴，以減少表面圍巖的單向受力破碎和崩解等。

3）增加底角錨桿，底角錨桿打入角度與水平保持20°～30°之間。

4）嚴格控制二次支護時間。合理的二次支護時間段為10～15 d，在支護過程中應嚴格控制二次支護的時間，使其達到最佳狀態(tài)。

3 巷道現(xiàn)場監(jiān)測

合理的支護參數(shù)不是保證巷道穩(wěn)定性的唯一因素，地下工程受地質(zhì)條件、地應力作用、施工方法及支護時間等諸多因素的影響，因此，在合理的支護參數(shù)下仍需要進行巷道的現(xiàn)場監(jiān)測，用以評價支護效果，并收集數(shù)據(jù)，為進一步的優(yōu)化提供第一手資料，從而更好地指導生產(chǎn)[5]。

本次監(jiān)測的內(nèi)容包括：表面圍巖收斂量（頂板下沉量、兩幫相對移近量和底臌量）；頂板及兩幫內(nèi)部位移量。

3.1 表面圍巖收斂量測及分析

測點布置：在巷道兩幫和頂?shù)装宸謩e打30 cm鉆孔，然后放入凝固劑，并將事先準備好的一端帶圓環(huán)的短鋼筋放入攪拌凝固。然后在優(yōu)化后的巷道段，每隔30 m布置一測站，對其進行量測。

21-1煤層回風大巷及23-2煤層輔運大巷典型測站收斂曲線圖及收斂速率曲線圖分別見圖1、圖2、圖3及下頁圖4。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)及曲線圖來看，巷道頂板最大變形量在40 mm，兩幫相對移近量最大為35 mm，底臌量最大為45 mm，變形速率在5 d左右有明顯下降，到12 d左右已經(jīng)穩(wěn)定在一個較低值，巷道趨于穩(wěn)定，優(yōu)化后的支護效果良好。

3.2 圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測

圖1 21-1煤層回風大巷圍巖收斂曲線

圖2 21-1煤層回風大巷圍巖變形速率曲線

圖3 23-2煤層輔運大巷圍巖收斂曲線

圍巖內(nèi)部位移是客觀反映巖體松動范圍、離層量大小及判斷圍巖穩(wěn)定性的重要指標，內(nèi)部位移的量測主要通過位移計來進行的。礦井使用的位移計為兩點式位移計，分別測量2 m和6 m范圍內(nèi)的圍巖內(nèi)部位移量。如表1所示。

圖4 23-2煤層輔運大巷圍巖變形速率曲線

表1 巷道圍巖內(nèi)部位移

從監(jiān)測數(shù)據(jù)上來看，21-1煤層回風大巷和23-2煤層輔運大巷的頂板離層量均較小，主要為淺部錨桿錨固范圍內(nèi)的離層。這是因為一次支護期內(nèi)，淺部圍巖在釋放變形能的過程中，有部分圍巖產(chǎn)生破碎，與較深部圍巖產(chǎn)生離層。從頂板離層量來看，巷道頂板穩(wěn)定性良好，支護效果明顯[6]。

另外，在現(xiàn)場的巡查中發(fā)現(xiàn)巷道表面噴層裂紋、漿皮脫落，錨網(wǎng)撕裂，錨桿（錨索）被拉斷、剪斷的現(xiàn)象明顯減少。

4 結(jié)論

易崩解弱膠結(jié)軟巖是新疆伊犁地區(qū)常見的巖性之一，目前，對于該類軟巖的研究還不夠深入，在現(xiàn)有的煤礦開挖過程中一般采用工程類比和硬巖經(jīng)驗公式進行設計施工，不能因地制宜，適用性較差，在實際施工中常常出現(xiàn)問題而不能及時解決。因此，對該類軟巖巷道變形特點、支護理論和支護技術的研究具有重要的現(xiàn)實意義。