汾源煤業“三軟”巷道掘進穩定性控制技術

（霍州煤電集團汾源煤業有限公司，山西 靜樂 034000）

1 工程背景

汾源煤業為重組整合礦井，主要可采煤層為2#和5#煤層。5-102工作面位于井田一采區南翼，南部、西部為未開采實體煤，工作面煤層走向S9°E～S8°W，傾向W8°N～W9°S，地面標高為+1582～+1644m，井下標高為+1180～+1260m，見圖1。煤層偽頂為1.0 m厚的較軟泥巖，直接頂為5.1～8.8m的含粉砂泥質結構的泥質灰巖與砂質泥巖，巖層強度不大、易風化脫落，基本頂為14.2m的中粒砂巖，包含大量方解石條塊。煤層直接底為2.1m的泥巖，塊狀且裂隙發育，植物化石豐富、易吸水膨脹出現底鼓，基本底為5.2m的均質層理細砂巖。5#煤層中部有3層0.5 m厚的夾矸，煤質疏松易破碎，厚度平均為15.5m，平均傾角為25°。

5-1021巷道埋深為378～410m，掘進設計長度632m，斷面設計為矩形斷面，斷面寬度為4.4m、高度為3.1m，斷面面積為13.64 m2，沿5#煤層頂板掘進，垂直于巷道方向煤層傾角為25°，左幫為煤，右幫基本為泥巖，頂板為泥巖。由于5-1021巷道所處5#煤層結構復雜、穩定性差，同時頂底板多為裂隙發育的泥巖，易風化破碎或膨脹變形，巷道所處的圍巖環境為典型的“三軟”不穩定結構，巷道掘進過程中合理的支護控制措施是保證礦井正常生產接續的關鍵[1-2]。

2 5-1021巷道破壞機理分析

5-1021巷道掘進斷面所處圍巖環境大部分為煤巷，頂板巖層裂隙發育、破碎程度高，掘進易產生頂板脫落現象，底板巖層抗壓強度較低，易出現膨脹軟化導致扎底事故，同時煤層不穩定系數較高、完整性較差。因此，研究“三軟”巷道的圍巖破壞機理對圍巖穩定性控制分析十分重要[3-4]。

1）圍巖性質軟弱

圖1 5-102工作面布置

采用巖石膨脹測試儀針對巷道圍巖進行膨脹性測定，測定結果見表1。由測定結果可知，砂質泥巖的軸向自由膨脹率比泥巖要高42%，側向膨脹壓力與軸向自由膨脹率成正比，與側向約束率成反比。根據膨脹性軟巖分級標準[5]，5-1021巷道屬于中等—強膨脹性巖層。圍巖自身性質軟弱導致巷道掘進后出現強烈的收斂變形，采取一般支護方式后，不能將圍巖控制成為整個承載體，掘進斷面無法保證，影響后續生產工作的進行。

表1 圍巖巖性膨脹性測定

2）圍巖結構破碎

在5-1021掘進迎頭進行頂板鉆孔窺視，選取頂板1.0 m和6.3m處的窺視結果見圖2。由圖中可知，在頂板1.0 m和6.3 m位置處均存在明顯的裂隙發育，根據探測結果，巷道頂板及右幫巖石部分破壞范圍在1.6～4.7m，頂板平均破壞深度2.4m、右幫平均破壞深度為2.2m，探測范圍內的巷道圍巖完整性較差，容易在掘進過程中出現支護失效的問題。

圖2 鉆孔窺視結果

3）圍巖應力環境惡劣

5-1021巷道平均埋深400m，地應力約10.0MPa，加之相鄰工作面采用綜放開采，開采擾動較大，強烈的動壓影響可達到20.0～25.0MPa，“三軟”巷道受強烈采動應力及構造應力的影響，圍巖性質進一步產生流變化特點，表現為一定程度的蠕變特性，長期承載的強度很低，給巷道圍巖掘進帶來了更大的控制問題。

3 5-1021巷道控制方案設計

根據上述“三軟”巷道圍巖破壞機理分析，需要從改善圍巖軟弱特性和提高主動支護效果的基礎上采取控制措施，為此選擇錨網索+注漿加固的聯合控制方案，使得控制效果能夠發揮最大化。其中確定的支護斷面見圖3。

1）注漿加固技術

注漿材料以水泥單液為主，采取的水灰比為0.4∶1，在遇到斷層或其他特別破壞的巷道段時，可以在漿液中添加水玻璃進行性能調配。采取的注漿壓力為3.0MPa，鉆孔間距2500 mm、排距2500 mm、直徑為42 mm、為3000 m。加固部位主要位于頂板、右幫、底板，在遇到斷層或其它破碎情況嚴重的巷道時，可以適當增加注漿量，提高注漿效果。

2）錨網索主動支護技術

圖3 支護斷面設計

頂板支護：頂板同一斷面布置5根錨桿，型號Φ20 mm的BHRB335 鋼筋桿體，按照1000 mm×1000 mm的間排距進行施工，錨桿長度2000 mm，預緊扭矩、屈服力以及拉斷力的范圍分別不小于280 N·m、105 kN和154 kN，桿體整體延伸率為18%；樹脂錨固劑為1支CK2340和1支Z2360，錨固長度為1370 mm；托板尺寸為150 mm×150 mm×8 mm，形狀為拱形以加強整體承載能力；錨桿桿體之間以Φ12 mm鋼筋托梁連接，10#鐵絲編織的金屬網掛接在托梁上，網孔規格設計為50 mm的菱形孔。同一斷面錨索布置1根，按照2000 mm排距進行施工，施工位置處在巷道頂板中部。索體型號為Φ17.8 mm的鋼絞線，長度8000 mm，張拉預緊力、張拉預緊力、承受最大力分別高于160 kN和353 kN，最大力總延伸率為4%，由于錨索錨固長度較長，采用樹脂錨固劑為2支CK2340和2支Z2360，錨固長度2192 mm；錨索托盤的型號采用300 mm×300 mm×12 mm。巷道頂部錨桿（錨索）的施工均垂直巷道頂板打設，巷肩施工困難部位可以允許有5°左右的誤差。

巷幫支護：由于巷道左幫、右幫巖層性質不相同，采取的支護方式稍有差異。左幫同一斷面布置4根錨桿，型號為Φ20 mm鋼筋桿體，按照900 mm×1000 mm的間排距打設，長度2000 mm，樹脂錨固劑為1支CK2340和1支Z2360，設計錨固長度1370 mm；托板采用的型號為150 mm×150 mm×8 mm，W鋼護板為450 mm×280 mm×3 mm；左幫多為煤體，故采用1層10#鐵絲網和1層Φ6 mm鋼筋焊制的鋼筋網進行安設，網孔分別為50 mm×50 mm和100 mm×100 mm。右幫同一斷面的錨桿材料選擇和間排距設置與左幫相同，但金屬網只采用1層10#鐵絲網；由于右幫下部可能會在煤層中掘進，當揭露煤層高度大于600 mm時，錨桿需配套使用450 mm×280 mm×3 mm的W鋼護板。幫部的錨桿打設同樣以垂直巷幫打設為準，在巷道底角等施工困難部位允許有5°的誤差。

4 5-1021巷道控制效果分析

5-1021巷道掘進過程中按照上述措施進行圍巖控制，在進尺100 m后布置圍巖表面位移監測站，監測周期6 周，監測結果曲線見圖4。監測周期內，巷道圍巖變形呈現階梯狀變化，說明巷道注漿和支護方式隨巷道所處應力環境的惡化而不斷產生效果，巷道變形速率區域穩定，兩幫移近最大值穩定在47 mm、頂底板移近量穩定在28 mm，頂板下沉控制效果好，說明注漿加固對頂板整體完整性的控制較強，能夠使得錨桿索與完整巖體形成承載能力強的錨固體，降低了圍巖軟弱結構的危險性，使錨網索起到了良好支護的作用，進而控制了巷道圍巖的變形。

圖4 5-1021巷道表面位移監測分析

5 結語

汾源煤業5-1021巷道處在“三軟”煤層環境中，頂底板及煤層強度較低，結構破碎、完整性不強，加之所處地應力及采動應力影響較大，掘進過程中易出現巷道收斂變形嚴重的問題。基于“三軟”巷道變形破壞特點，設計采用了錨網索+注漿加固的方式進行“三軟”巷道掘進過程的圍巖控制，應用效果表明5-1021巷道收斂速率逐漸降低，變形破壞較為穩定，能夠滿足礦井生產服務需求。