復雜地質構造區域軟巖層巷道圍巖控制技術研究與應用

范明建

(1．天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013；2．煤炭科學研究總院開采設計分院，北京 100013)

煤系地層是典型的沉積巖層，在成煤過程和成煤后期地質運動的作用下，煤系地層中極易形成褶曲、斷層、陷落柱、斷裂等地質構造，對地層的穩定性、圍巖的完整性和應力賦存環境造成極大的影響。在煤礦巷道掘進過程中揭露的地質構造影響區域，圍巖多具有節理裂隙發育、完整性差、應力賦存環境復雜、巷道支護難度大等特點。目前，我國煤礦復雜地質構造區域巷道掘進多以“錨網索+鋼棚”聯合支護為主，由于錨桿支護在裂隙發育的破碎圍巖中難以形成穩定的承載結構，錨桿的主動支護作用無法發揮。即使棚式支護提供的支護阻力能夠維持淺部破碎圍巖的穩定，但是在地質構造復雜應力環境下，鋼棚支架所承受的載荷極不均勻，巷道“錨網索+鋼棚”支護系統難以有效控制圍巖的變形破壞，局部區域巷道冒頂和圍巖垮塌現象嚴重[1-3]。

隨著對煤礦巷道圍巖控制技術精細化研究的不斷深入，預應力錨桿(索)作為一種有效的主動支護形式在困難復雜巷道支護工程中得到廣泛應用。對于地質構造影響區域破碎圍巖的巷道錨桿支護技術，其關鍵在于如何在破碎圍巖中實現錨桿(索)的可靠錨固和支護應力的有效擴散[4-7]。論文針對小回溝煤礦地質構造影響區域軟巖層巷道圍巖賦存條件，在巷道圍巖地質力學參數測定、破碎圍巖可錨性試驗、軟巖層巖石黏土礦物成分分析的基礎上，提出“強力錨桿初始支護+破碎圍巖注漿加固+高預應力錨索加強支護”的巷道支護與圍巖加固方案，優化錨桿支護構件形式與關鍵施工工藝，有效解決了地質構造影響區域礦井永久巷道的長期穩定問題，取得了良好的現場應用效果。

1 地質條件與圍巖賦存環境

1.1 頂底板巖層分布狀況

小回溝煤礦位于山西省清徐縣，可采煤層為石炭系山西組03號煤層、2號煤層、5號煤層和太原組6號煤層、8號煤層、9號煤層。首采煤層為山西組03煤和2煤，煤層頂底板多為復合巖層，巖石結構破碎，鉆孔取芯率低于30%。首采區域對應地面為山川，蓋山厚度變化大，落差達300 m以上，巷道埋深400～700 m。礦井地質條件復雜，一水平大巷掘進期間，揭露大量斷層和陷落柱、小型褶曲與向斜背斜構造交替產出，圍巖節理裂隙極為發育，巷道支護難度大。礦井首采區域綜合柱狀情況見表1。礦井大巷沿03煤和2煤掘進，煤層傾角0～13°。從頂底板巖性來看，03煤直接頂以砂質泥巖、泥巖為主，03煤與2煤間距平均6.89 m，主要為砂質泥巖和泥巖，2煤底板為中細砂巖和泥巖。

1.2 地質力學測試與評估

采用單孔多參數巷道圍巖地質力學測試系統[8]，對首采區域圍巖應力環境和巖體強度、圍巖結構進行測試。巷道圍巖最大水平主應力11.94～21.22 MPa，最小水平主應力6.84～10.87 MPa，垂直主應力為9.53～16.96 MPa，屬于中等-高地應力水平，最大水平主應力方向為NNE方向。多數巷道圍巖內部存在大量的原生裂隙和明顯的空洞，如圖1(a)所示鉆孔位于2煤頂板砂質泥巖，5.5 m以深塌孔。選擇沒有塌孔的鉆孔進行圍巖強度測定，如圖1(b)所示鉆孔0～3.3 m為2煤頂板泥巖和細粒砂巖，平均礦壓強度41.95 MPa；3.3～4.2 m為03煤層，平均強度10.53 MPa；4.2～10.6 m為03煤頂板砂質泥巖，平均強度26.35 MPa。圍巖強度受節理裂隙影響顯著，強度曲線波動較大。

表1 礦井首采區域綜合柱狀情況

圖1 頂板圍巖強度與結構測試結果

1.3 可錨性試驗與黏土礦物成分分析

對于復雜地質構造影響區域節理裂隙發育的軟巖層進行圍巖可錨性試驗，是判斷巷道能否采用錨桿支護方式的前提。對于錨固效果差的破碎煤巖體，應通過優化錨固結構與錨固參數實現可靠錨固。通過對井下直徑Φ22 mm、長度2 400 mm，屈服強度335 MPa螺紋鋼錨桿和直徑Φ17.8 mm，長度6.3 m錨索進行拉拔力試驗，判斷錨固效果。端錨錨桿(1支K2350錨固劑)平均拉拔力為71.2 kN，加長錨固錨桿(1支K2350+1支Z2360錨固劑)拉拔力均>125 kN；直徑Φ17.8 mm錨索采用1支K2350錨固劑時，平均拉拔力63.5 kN，采用1支K2350和2支Z2360錨固劑時，拉拔力均>200 kN，基本滿足《中華人民共和國煤炭行業標準(MT146.1—2002)》中對錨桿錨固力規定值的要求。

采用X射線衍射定量分析法對巷道圍巖黏土礦物成分與含量進行分析。03煤與2煤頂底板砂質泥巖與泥巖中的黏土礦物含量平均達54.8%，黏土中以伊蒙混層、伊利石和高嶺石為主，平均絕對含量達到21.51%、8.6%和28.29%。根據高嶺石的遇水軟化特性，判斷巖層具有較強的遇水軟化特性和明顯的易風化特征。

2 支護原則與總體方案

圖2 錨桿支護應力在不同圍巖結構中的擴散狀態

針對礦井地質構造影響區域圍巖條件與裂隙發育狀況，結合現有巷道錨桿支護與圍巖加固研究成果和實踐經驗[9-13]，確定巷道支護方案設計原則。①斷面優化原則。地質構造影響區域圍巖普遍破碎，應選擇自穩性能好、承載能力強的拱形斷面，降低巷道維護難度。②圍巖即時封閉原則。巖層中高嶺石含量高，遇水軟化特征明顯，圍巖揭露后及時噴漿封閉圍巖，減少軟巖層風化崩解程度。③破碎圍巖結構恢復原則。破碎圍巖的節理裂隙阻礙了錨桿(索)支護應力在圍巖中的有效傳遞(圖2)，只有在恢復圍巖完整性的前提下，其主動支護作用才能得到有效發揮。④錨固結構優化原則。對錨桿(索)進行全長預應力錨固，一方面可以提高錨桿在軟巖層破碎圍巖中的錨固可靠性；另一方面，全長錨固可隔絕鉆孔內部空氣(水氣)與圍巖的接觸，減輕軟巖層巷道圍巖的風化崩解和軟化程度。⑤強護表與預應力擴散原則。對于松散破碎圍巖巷道錨桿支護易在巷道表面形成“網兜”“鼓包”，為此錨桿的組合構件應具備護表面積大、剛度大、強度高的特點，擴大錨桿支護應力的擴散范圍，實現對錨桿間圍巖的主動支護。

根據破碎圍巖巷道支護設計原則，確定采用“強力錨桿初始支護+破碎圍巖注漿加固+高預應力錨索加強支護”的圍巖控制方法，對礦井復雜地質構造影響區域的軟巖層破碎圍巖進行有效控制。巷道開挖后，及時噴漿封閉表面圍巖，打設高預應力強力錨桿(索)主動控制圍巖的初期變形，避免掘進期間圍巖“漏、冒”現象的發生；然后對破碎圍巖進行注漿加固，在恢復圍巖完整性的基礎上，進行高預應力強力錨索加強支護，提高支護系統的整體可靠性；最后待圍巖變形穩定后復噴成巷。

3 井下試驗與關鍵參數

礦井西翼輔運大巷沿2煤頂板掘進，與回風大巷、運輸大巷間煤柱寬度分別為34 m和25 m，原設計巷道斷面為矩形，掘進寬度6.24 m，高度4.57 m，“錨網噴”聯合支護。巷道掘進時揭露大量斷層、褶曲、向斜、背斜、陷落柱等地質構造，圍巖控制難度大，掘進期間兩幫移近量1 200 mm，底鼓800 mm，圍巖漏冒嚴重。為提高巷道支護效果，確保大巷圍巖長期穩定，需對巷道關鍵圍巖控制方法與關鍵支護參數進行優化設計。根據前文確定的礦井復雜地質構造影響區域破碎圍巖巷道支護設計原則，在滿足運輸和通風需要的前提下，將斷面優化為利于破碎圍巖穩定的拱形斷面，巷道開挖并及時初噴后，采用“強力錨桿初始支護+破碎圍巖注漿加固+高預應力錨索加強支護”相結合的圍巖綜合控制技術(圖3)。選用直徑Φ22 mm、長度2 400 mm、屈服強度335 MPa的螺紋鋼錨桿，每排15根，間距0.9 m，排距0.9 m，全長預應力錨固，錨桿安裝扭矩300～350 Nm，預緊力50～70 kN。選擇長度450 mm、寬280 mm、厚4 mm的雙向四肋W鋼護板作為錨桿的組合構件，實現對破碎圍巖的初始主動支護。在地質構造影響區域，采取破碎圍巖注漿加固的方法恢復圍巖的完整性和自承能力，注漿材料以較低水灰比的加固類水泥漿液為主，按照“從下到上、先幫后頂”的順序進行圍巖注漿。漿液選用425#硅酸鹽超細水泥+XPM添加劑，漿液水灰比0.6∶1，最大程度減輕漿液中水對巖層中砂質泥巖和泥巖強度的影響。選用直徑Φ21.8 mm，1×19股煤礦專用高預應力強力錨索進行加強支護，排距1.8 m，每排7根，拱頂、兩肩、肩角和兩幫各布置1根，頂錨索長度7.3 m，幫錨索長度5.3 m，錨索鎖定張拉力250～300 kN。

圖3 巷道支護參數示意圖

4 巷道礦壓與支護效果評價

1) 圍巖表面位移。如圖4(a)所示，巷道掘進期

間兩幫移近量186 mm，是巷道寬度的2.98%；頂底移近量118 mm，是巷道掘進高度的2.58%，其中頂板下沉48 mm，底鼓70 mm。巷道掘進后距迎頭50 m范圍內圍巖變形速度較快，距迎頭90 m以后基本趨于穩定，巷道整體收斂率低于3%。

2) 頂板離層。采用頂板位移傳感器進行離層監測，淺部離層15 mm，深部離層8 mm。淺部離層相對較大，與圍巖結構破碎有直接關系。

3) 錨桿受力。如圖4(b)所示，采用應力傳感器對錨桿受力進行監測，穩定后的錨桿受力值集中在50～70 kN之間，是桿體屈服載荷的40%～55%。肩部錨桿較幫部和拱頂錨桿受力值大且受力變化幅度相對較大，錨桿受力在距迎頭50～60 m后基本趨于穩定。

4) 圍巖結構。采用鉆孔窺視的方法對變形穩定后的圍巖內部結構進行觀測，采用“強力錨桿初始支護+破碎圍巖注漿加固+高預應力錨索加強支護”圍巖控制方法能夠有效控制圍巖的變形破壞，并且注漿加固有效恢復了圍巖的完整性，有利于圍巖的長期穩定。

圖4 巷道礦壓監測曲線

5 結 論

1) 礦井地質構造影響區域巷道圍巖賦存環境復雜，巷道圍巖具有節理裂隙發育、自身承載能力差、錨固可靠性低、受臨近采掘影響劇烈的特點。小回溝礦首采區域處于中等-高地應力水平，巖層含有大量斷層、褶曲和陷落柱，圍巖結構完整性差，頂底板巖石中黏土礦物含量高，伊蒙混層和高嶺石絕對含量均達到20%以上，極易風化崩解，圍巖控制難度大。

2) 在優化錨固結構，保證圍巖可靠錨固的基礎上，采用“強力錨桿支護+破碎圍巖注漿加固+高預應力錨索加強支護”的圍巖控制方法，實現對破碎圍巖的主動有效控制。巷道開挖后，及時采用“錨網噴”聯合支護，錨桿全長預應力錨固和強力護表構件的使用，提高了支護系統對圍巖的主動支護能力，在對破碎圍巖注漿加固恢復完整性的前提下，采用高預應力強力錨索進行加強支護，實現支護結構的整體穩定性。

3) 將矩形斷面優化為自穩能力強的拱形斷面，減少了掘進期間破碎圍巖“漏冒”現象，降低了圍巖控制難度。巷道開挖后及時封閉圍巖，隔絕了空氣中水對圍巖的風化崩解程度，避免了高黏土礦物含量軟巖層圍巖的持續軟化。

4) “強力錨桿支護+破碎圍巖注漿加固+高預應力錨索加強支護”的圍巖控制方法，為礦井復雜地質構造影響區域軟巖層巷道圍巖控制難題提供了解決途徑，礦井西翼輔運大巷圍巖在距迎頭90 m后穩定，斷面整體收斂率低于3%，實現了復雜地質構造影響區域軟巖層巷道圍巖的有效控制。