古書院礦軟煤易泥化圍巖超高巷道支護技術研究

鄭劍飛

（山西晉煤集團晟泰能源投資有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

古書院礦15#煤西三盤區水倉將服務于西三盤區，根據現場條件及水倉的使用需要，水倉原設計在煤層底板中，留頂煤掘進，但15#煤松軟破碎，難以留設頂煤，只能采用沿頂、起底方式掘進水倉，從而造成水倉超高。水倉原設計高度6.6 m，施工分兩次進行，首先掘進平巷（寬×高=4.0 m×2.6 m），隨后再起底掘進，最終巷道斷面可達到26.4 m2。

已有地質資料顯示，15#煤平均厚度2.6 m，底板為平均5.12 m 的泥巖、鋁土質泥巖，含有大量以高嶺石為主的粘土，遇水容易膨脹變形。掘進的超高巷道作為水倉常年積水，巷道所處圍巖巖性條件對圍巖穩定性造成顯著不利影響。為確保西三盤區水倉的正常使用，必須采取有效措施對西三盤區水倉超高巷道支護進行研究。

2 巷道圍巖控制難點分析

2.1 模擬分析

為研究軟煤巖超高巷道圍巖的變形破壞特征，根據西三盤區水倉實際地質條件建立數值模擬模型，采用數值模擬研究超高巷道的圍巖破壞特征。巖性力學參數見表1。

2.1.1 圍巖應力分布

水倉掘進后圍巖應力分布如圖1。掘進后巷道圍巖應力沿巷道軸線呈對稱分布，其中垂直應力、水平應力分別在巷幫側、頂底板附近集中，應力集中系數最大可達1.7。

2.1.2 塑性區分布

水倉掘進后圍巖塑性區分布如圖2，水倉掘進后受圍巖應力重新分布影響，在巷幫及底板位置塑性區分別為5.0 m、1.0 m。圍巖變形破壞主要為拉伸、剪切破壞，集中在巷道中部及偏上部分。

表1 圍巖力學參數

圖1 水倉開挖后應力分布圖

圖2 圍巖塑性區分布圖

2.1.3 圍巖變形

水倉掘進后圍巖變形情況如圖4。超高巷道圍巖變形以底鼓、巷幫收斂為主，變形量分別為230.5 mm、680 mm，在巷幫收斂變形中從上到下巷幫變形量逐漸降低，機尾上部變形量最大，下部變形量最小。

從模擬結果看出，水倉掘進后圍巖控制重點是巷幫以及底板變形控制，其中巷幫控制重點在中上位置的圍巖變形控制。

2.2 圍巖控制存在問題分析

根據已有地質資料可知，該處巷道底板為富含高嶺石的泥巖，遇水易泥化，并含有少量膨脹性軟巖；兩幫上部煤層巖性較弱，強度低。另外，該巷道為超高巷道，兩幫高度大，兩幫變形以剪切破壞為主，破壞位置處于中部及偏上位置[1]。在頂板壓力作用下，底板容易發生應力型底鼓[2-3]。

綜上所述，該處巷道控制的關鍵是封水、固幫、強底，而水倉巷道內常年積水，必須對兩幫、底板遇水易泥化巖層采取封閉進水通道的措施[4]；針對應力型底鼓，兩幫破壞容易導致底鼓的現象，提出頂幫底協調支護的控制方式[5]；對軟弱的超高兩幫采取加強中部及其偏上位置的支護，增加兩幫承載范圍和自承能力。

圖3 圍巖變形云圖

3 三盤區水倉錨桿支護設計

三盤區水倉掘進實際高度為7～8 m，部分區域高度達到10 m，巷道掘進分兩次成巷，先平掘煤巷（寬4.0 m，高2.6 m），之后起底（寬4.0 m，高4～6 m）。

3.1 水倉一次掘巷支護設計

采用規格為Ф20 mm×2.0 m 螺紋鋼錨桿按1000 mm×1000 mm 間、排距布置，頂板、巷幫每排分別為4 根、2 根，預緊力矩≥300 N·m。采用鋼筋托梁、經緯網護頂。

支護采用的錨索規格為15.24 mm×5400 mm，頂板、巷幫中間分別按排距3000 mm、1000 mm 布置錨索；錨索采用平托板（300 mm×300 mm×16 mm）護頂及護巷，施加的錨索預緊力≥150 kN。

支護完畢后巷幫要進行噴漿封閉，噴層厚度不小于100 mm[6]。三盤區水倉一次掘巷錨桿支護布置如圖4。

圖4 水倉一次掘巷支護設計圖

3.2 水倉二次掘巷支護設計

3.2.1 巷幫支護

采用規格為Ф20 mm×2.0 m 螺紋鋼錨桿按1000 mm×1000 mm 在巷幫布置，預緊力矩≥300 N·m。采用鋼筋托梁、經緯網護幫。

采用規格為Ф15.24 mm×5400 mm 錨索按2000 mm×1000 mm 在巷幫布置。錨索采用平托板（300 mm×300 mm×16 mm）護頂及護巷，施加的錨索預緊力≥150 kN。

支護完畢后巷幫要進行噴漿封閉，噴層厚度不小于100 mm。

3.2.2 底板支護

采用規格為Ф22 mm×8300 mm 錨索按1400 mm ×2000 mm 間排距在底板布置，兩側錨索外插15°，中間錨索垂直底板，并鋪設鋼筋網（規格為2100 mm×1100 mm）護底。注漿前張拉錨索，預緊力≥250 kN。

注漿采用水灰比0.6:1～1:1 水泥漿，注漿終止壓力為4～6 MPa。在水泥量中添加占比8%～10%（質量比）的XPM 添加劑用量，改善水泥漿性能。

施工完畢后必須要進行硬化，硬化厚度不小于200 mm，硬化強度C20。三盤區水倉二次掘巷錨桿支護布置如圖5。

圖5 水倉二次掘巷支護設計圖

4 支護效果

水倉施工完畢后，布置測站對巷道位移進行監測，具體結果如圖6。巷道支護完成后頂板、巷幫、底鼓變形量最大值分別為15 mm、30 mm、21 mm，圍巖變形量整體較小。圍巖變形量以頂底板變形為主，其中底鼓量占比約占頂底板變形量的63%；巷幫變形量中上部位置變形較為明顯，上部位置變形量較下部位置變形量普遍大10%～30%。總體來說，超高巷道圍巖變形量較小，可以滿足水倉后續使用需要。

圖6 巷道表面位移監測曲線

5 結論

（1）根據15#煤西三盤區水倉所在區域巖性特征并結合數值模擬和理論分析結果，巷道圍巖破壞類型主要為拉伸、剪切破壞，集中在巷道中部及偏上部分；巷道變形主要為底鼓及巷幫收斂，其中巷幫上部收斂量最大。

（2）根據圍巖破壞、變形特征，提出采用以高強錨桿（索）+底板注漿+表層噴漿為核心的圍巖支護技術；通過對巷道頂、幫、底進行整體支護，避免局部破壞引起巷道的整體破壞；通過表層噴漿避免水倉積水對松軟圍巖強度造成影響。

（3）現場觀測頂板、巷幫、底鼓變形量最大值分別為15 mm、30 mm、21 mm，圍巖變形量整體較小，表明支護方案可有效對軟煤易泥化圍巖超高巷道變形進行控制。