弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖支護(hù)技術(shù)研究

杜文君

（山西汾西正升煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 汾陽(yáng) 032200）

引言

弱膠結(jié)軟巖具有膠結(jié)性差、自身強(qiáng)度低、易破壞等特點(diǎn)，在圍巖應(yīng)力作用下巷道變形嚴(yán)重，給圍巖控制帶來(lái)一定影響[1]。現(xiàn)階段礦井巷道支護(hù)技術(shù)有錨網(wǎng)索支護(hù)、讓壓支護(hù)技術(shù)、錨桿（索）注漿技術(shù)等，并對(duì)相應(yīng)的支護(hù)材料進(jìn)行研究，為礦井回采巷道圍巖控制提供了技術(shù)借鑒[2-5]。然而以錨桿支護(hù)為核心的主動(dòng)支護(hù)技術(shù)在弱膠結(jié)軟巖巷道中應(yīng)用時(shí)，受到圍巖破碎、承載能力差等因素影響，往往出現(xiàn)圍巖變形嚴(yán)重問(wèn)題，如何提高弱膠結(jié)巷道圍巖支護(hù)效果成為此類(lèi)回采巷道圍巖支護(hù)時(shí)需要解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[6]。為此，文中以山西某礦5300 運(yùn)輸巷掘進(jìn)為工程背景，對(duì)弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖支護(hù)技術(shù)進(jìn)行探討，以期能更好地促進(jìn)此類(lèi)巷道圍巖控制。

1 工程概況

山西某礦5300 運(yùn)輸巷沿著5 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 065 m，主要為3 采區(qū)煤炭運(yùn)輸服務(wù)，設(shè)計(jì)使用年限為25 年。5300 運(yùn)輸巷凈寬、凈高分別為5.0 m、4.1 m。頂板、巷幫使用的螺紋鋼錨桿規(guī)格均為Φ20 mm×2 400 mm，間、排距分別為700 mm×900 mm、800 mm×900 mm；頂板用規(guī)格Φ21.6 mm×7 300 mm 錨索支護(hù)，布置形式為3-3，減排距1 500 mm×900 mm。

5 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性均為泥巖，通過(guò)X 衍射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤層頂?shù)装迥鄮r中礦物成分中含有大量的伊利石、石英以及綠泥石等，其中綠泥石、伊利石等黏土礦物合計(jì)占比達(dá)到53.23%。5 號(hào)煤層頂?shù)装迥鄮r中黏土礦物含量較高，從而導(dǎo)致巖層膠結(jié)性較差。通過(guò)細(xì)觀發(fā)現(xiàn)5 號(hào)煤層頂?shù)装迥鄮r中裂隙發(fā)育，同時(shí)裂隙發(fā)育多集中在黏土礦物膠結(jié)位置，從而導(dǎo)致泥巖黏聚力降低、膠結(jié)性差，宏觀表現(xiàn)為巖層容易破壞、支承能力不足。

2 弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖變形特征分析

5300 運(yùn)輸巷原采用錨桿+工字鋼對(duì)棚支護(hù)，工字鋼棚距為680 mm。但是巷道支護(hù)完成后圍巖變形量持續(xù)增加，長(zhǎng)時(shí)間不能達(dá)到穩(wěn)定。從圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5300 運(yùn)輸巷兩幫圍巖變形分為線(xiàn)性增長(zhǎng)、趨于穩(wěn)定兩個(gè)階段。其中在線(xiàn)性增長(zhǎng)階段巷幫收斂速度較快，變形速度分別達(dá)到18.3 mm/d、22.1 mm/d，且該階段持續(xù)變形時(shí)間達(dá)到30 d，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)巷幫變形量分別可達(dá)到635 mm、729 mm。巷幫變形具有典型的軟巖巷道變形特征，巷幫變形量較大，角底內(nèi)擠明顯，部分噴層脫落。

巷道頂板、底板變形按照增長(zhǎng)—穩(wěn)定—增長(zhǎng)—穩(wěn)定趨勢(shì)發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)頂板、底板變形速度峰值可達(dá)到21 mm/d、28 mm/d，在監(jiān)測(cè)期間頂?shù)装遄冃瘟孔畲罂蛇_(dá)400 mm、600 mm。分析巷道頂?shù)装遄冃瘟枯^大原因主要為：

1）隨著頂板下塵量增加，支護(hù)用的錨桿錨固效果弱化甚至出現(xiàn)失效問(wèn)題，未能起到有效控制巖層變形目的，圍巖變形控制主要通過(guò)工字鋼架棚實(shí)現(xiàn)，即錨桿、架棚未形成耦合作用，不能整體控制巷道圍巖變形。

2）巷道頂?shù)装鍘r層均為若膠結(jié)軟巖，流變性特征明顯，在支護(hù)薄弱位置圍巖變形量明顯較大。具體巷道支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形情況見(jiàn)下頁(yè)圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變形情況（單位：mm）

3 圍巖支護(hù)優(yōu)化研究

3.1 支護(hù)參數(shù)

5300 運(yùn)輸巷頂?shù)装鍘r層均為弱膠結(jié)軟巖，自身承載能力以及穩(wěn)定性較差，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)塑形變形。若巷道原支護(hù)體系失效前即采用注漿方式增強(qiáng)圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角等（主要目的是增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性及承載能力），不僅圍巖完整性得以恢復(fù)，而且可為錨桿（索）支護(hù)提供較為穩(wěn)定的錨固基礎(chǔ)。為此，5300 運(yùn)輸巷采用“錨桿網(wǎng)支護(hù)+鋼架+錨注”支護(hù)方式，具體巷道支護(hù)斷面見(jiàn)圖2 所示。

圖2 巷道支護(hù)示意圖（單位：mm）

具體圍巖支護(hù)工藝為：

1）噴射混凝土。由于5300 運(yùn)輸巷圍巖為弱膠結(jié)泥巖，巷道開(kāi)挖暴露后在空氣、水等作用下容易風(fēng)化，從而加劇圍巖變形，為此，巷道掘進(jìn)完成后應(yīng)及時(shí)噴漿封閉圍巖。噴漿形成的混凝土厚度為50 mm，強(qiáng)度為C20。

2）錨桿、金屬網(wǎng)以及金屬支架施工。表層噴漿完成后，使用規(guī)格Φ22 mm×2 600 mm 錨桿支護(hù)，間排距為700 mm×800 mm，配套使用200 mm×200 mm×12 mm 托盤(pán)；表層使用網(wǎng)格100 mm×100 mm金屬網(wǎng)片，網(wǎng)片尺寸為2 000 mm×1 000 mm。在巷道使用U36 型鋼組成鋼支架對(duì)圍巖變形進(jìn)行控制，采用的鋼支架間距為800 mm。

3）全斷面錨注施工。中空注漿錨索規(guī)格為Φ35 mm×7 000 mm，間距、排距分別為2 100 mm、1 600 mm；中空注漿錨桿規(guī)格為Φ25 mm×2 500 mm，頂板布置的中空注漿錨桿間距、排距分別為2 100 mm、1 600 mm，每排布置4 根；巷幫中空注漿錨桿間距、排距均為1 400 mm。用中空注漿錨桿+槽鋼控制底鼓，錨桿間排距為1 600 mm×800 mm，兩側(cè)錨桿均外插15°角。全斷面注漿漿液均采用普通硅酸鹽水泥，并添加一定量ACZ-1 添加劑，添加劑使用量為水泥用量的4%～6%。注漿漿液水灰質(zhì)量比0.7∶1～1∶1，注漿壓力2.0～3.0 MPa。

3.2 圍巖變形控制效果

待對(duì)5300 運(yùn)輸巷完成支護(hù)后，每隔50 m 布置一個(gè)測(cè)站監(jiān)測(cè)圍巖變形。變形監(jiān)測(cè)使用的設(shè)備型號(hào)為JSS30A，監(jiān)測(cè)共計(jì)耗時(shí)6 個(gè)月，監(jiān)測(cè)期間頂?shù)装彘g變形量控制在52.6 mm、巷幫變形量控制在43.1 mm 以?xún)?nèi)，取得較為顯著的圍巖控制效果。

4 結(jié)論

1）5300 運(yùn)輸巷頂?shù)装鍘r性均為弱膠結(jié)泥巖，且泥巖內(nèi)部含有較多的黏土成分，內(nèi)部裂隙較為發(fā)育，巷道原支護(hù)方式不能有效控制圍巖變形，使得巷道頂?shù)装濉⑾飵妥冃瘟枯^大，難以滿(mǎn)足巷道后續(xù)使用安全。

2）提高圍巖自身承載能力以及穩(wěn)定性是控制此類(lèi)巷道變形的關(guān)鍵所在，為此提出綜合使用“錨桿網(wǎng)支護(hù)+鋼架+錨注”支護(hù)方式，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用全斷面錨注增強(qiáng)圍巖自身承載能力、高強(qiáng)錨桿網(wǎng)以及鋼架提高圍巖支護(hù)強(qiáng)度，從而有效控制巷道變形。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，巷道頂?shù)装濉⑾飵妥冃问諗苛糠謩e控制在52.6 mm、43.1 mm，取得較為顯著的圍巖控制效果。