復合頂板巷道過構造破碎帶圍巖加固技術

郝志剛

(山西焦煤汾西礦業 正文煤業，山西 孝義 032300)

隨著礦井采掘深度增加，煤層賦存地質條件更趨復雜，給煤炭采掘工作開展造成一定影響[1]。當煤層頂板為復合頂板時，由于頂板巖性差異大，在水平應力、垂向應力等綜合影響下，復合頂板各層間容易出現滑動、剪切變形，導致層間出現離層情況，增大頂板變形量及頂板巖體變形控制難度[2-3]。同時隨著先進重型采掘設備在井下的推廣應用，采面推進速度以及供風量呈增加趨勢，回采巷道斷面也不斷增大，在掘進擾動、地應力等影響下進一步增大了復合頂板支護難度[4]。特別是復合頂板巷道掘進過地質構造破碎帶時，頂板巖體較為破碎，加之復合頂板巷道容易出現頂板離層、變形量大以及支護困難等問題，嚴重時甚至出現漏頂、冒頂等安全事故。眾多的學者對復合頂板巷道過破碎帶支護技術展開研究，并提出采用全錨索、頂板注漿、架棚、砌碹等方式控制頂板變形，現場應用也取得一定成果[5-8]。文中在借鑒前人研究成果的基礎上，針對山西某礦3506運輸巷掘進期間遇到的問題，提出采用注漿+長錨索方式支護圍巖，確保了復合頂板巷道過構造破碎帶時頂板的穩定性，為巷道安全掘進創造良好條件。

1 工程概況

1.1 地質概況

3506運輸巷為矩形斷面，寬×高=5 100 mm×4 500 mm，設計掘進長度1 690 m，采用綜掘機沿回采的5號煤層底板掘進。5號煤層為礦井主采煤層之一，具有賦存穩定等優點。5號煤層厚度3.75～5.96 m，均值4.5 m，傾角5～8°.煤層上覆有厚度約0.5 m的炭質泥巖偽頂，裂隙及水平層理發育，呈灰黑色，隨采隨垮；直接頂為褐色砂質泥巖、灰白色的細砂巖互層，厚度5.2 m，硬度較低，巷道在掘進期間出現局部離層情況；基本頂為穩定的砂巖，厚度10.8 m，堅硬。煤層底板為炭質泥巖、砂質泥巖，厚度2.7～5.1 m，遇水容易膨脹變形。

3506運輸巷掘進范圍內地質構造復雜，存在多處褶曲、斷層等發育區，區內圍巖破碎。3506運輸巷在掘進過構造破碎帶時，面臨頂板破碎、支護難度大等問題，采用傳統的錨網索支護方式難以滿足支護需要。經分析提出采用錨索網+超前注漿方式實現破碎復合頂板控制。

1.2 傳統錨網索支護面臨問題

復合頂板巷道過構造破碎帶期間若僅采用錨桿支護時發揮預期圍巖控制效果，在地應力、圍巖穩定性、構造應力等多因素疊加影響下，錨桿容易出現失效、破斷、錨固不穩定等問題。在地應力、采動影響等作用下，錨桿桿體受到的載荷增大，當載荷超過錨桿最大承受能力時，容易出現錨桿破斷情況，進而導致頂板離層量、變形量增大；在構造破碎帶內巷道圍巖受到較大的構造應力作用，圍巖容易出現滑面效應，導致支護用錨桿出現移位、搓動、變形等情況；在構造破碎帶內巷道頂板壓力通過巷幫傳遞給底板，呈現出頂底板變形量增大的特點，當底鼓量較大時容易誘發支護體系失效問題，影響巷道使用安全。

2 構造破碎帶頂板注漿+長錨索支護

2.1 支護設計

在復合頂板巷道圍巖支護時，錨索起到了強化支護的作用。當巷道位于構造破碎帶內時，受構造應力及圍巖破碎等因素影響，適當增加錨索長度使錨固端位于頂板穩定巖層中，同時通過注漿提高破碎頂板整體穩定性；通過注漿、長錨索可將錨索支護形式由端錨改為長錨形式，有助于實現頂板梁、拱組合，控制頂板下沉。根據3506運輸巷過構造破碎帶現場情況，設計的支護斷面如圖1所示。

圖1 頂板注漿+長錨索支護示意(mm)

2.2 注漿技術

1) 在對復合破碎頂板采用長錨索、注漿進行支護時，注漿漿液一般選用水泥單液漿(水灰比為1∶1)，水泥漿存在注漿成本低、取材方便等優點。但是3506運輸巷頂板巖層為泥巖、砂質泥巖及細砂巖互層，泥巖及砂質泥巖遇水后容易膨脹變形，加之水泥單液漿存在膠結效果差、膠結時間長等問題，無法滿足3506運輸巷在構造破碎帶頂板加固需要。為此，運輸巷頂板注漿漿液選用馬麗散、催化劑漿液，配比為1∶1，注漿用多功能注漿泵，注漿壓力5 MPa以上。

2) 在注漿前應對構造破碎帶巖體進行觀察，依據圍巖裂隙擴展寬度、發育程度合理設計注漿鉆孔數量、布置位置、孔深等。布置的注漿鉆孔宜呈扇形布置，注漿時應確保各注漿孔漿液擴散區相互疊加，確保漿液可實現破碎巖體整體膠結。在3506運輸巷過構造破碎帶時頂板布置4個注漿鉆孔，孔深均為5 m、間距1.5 m，開孔位于頂板下方1.2 m處，鉆孔有60°仰角；通過注漿鉆孔可實現掘進迎頭破碎巖體以及頂板3.1 m范圍內破碎巖體加固。

3) 注漿時，當注漿孔周邊出現漿液外溢情況時可停止，注漿完成后及時進行封孔，并待注漿漿液完全固結后方可開展下一步工作。注漿鉆孔封堵選用凝固力-FSS無機加固材料。

2.3 長錨索施工技術

1) 3506運輸巷在構造破碎帶完成注漿加固后，對復合頂板進行錨桿、錨索支護。施工的長錨索在兩排錨桿間，錨固端位于頂板穩定巖層中可起到較好的懸吊效果。采用的長錨索規格為D17.8 mm×8 300 mm，每排施工2根，間排距為2 000 mm×2 000 mm.偽頂與基本頂厚度合計5.7 m，采用8.3 m長錨索可確保錨固端在堅硬穩定的基本頂中超過2 m.具體錨索錨固如圖2所示。

圖2 錨索錨固示意

2) 現場施工的頂板錨索鉆孔孔深應比較長錨索短200～250 mm，使錨索有一定的外露長度。錨索錨固選用2支型號K23/80、1支型號CK23/80樹脂錨固劑。錨索錨固完成后，在端頭位置安裝鋼托盤、錨具，并采用千斤頂施加預緊力，預緊力控制在300 kN以上。為確保長錨索對巷道頂板有效控制，錨索選用的托盤為2 500 mm長工字鋼，在工字鋼上按照2 000 mm間距布置2個錨索孔，錨索穿過錨索孔并用鎖具固定。

3) 巷道支護時，為避免迎頭破碎、頂板垮落，需在掘進迎頭布置臨時支護設施，再進行錨桿支護。迎頭臨時支護包括11號工字鋼、吊環、絲桿等。11號工字鋼制成3根縱梁、3根橫梁，有效支護范圍在2～3 m.具體迎頭臨時支護結構如圖3所示。

圖3 巷道迎頭臨時支護結構圖

3 圍巖支護效果

在3506運輸巷采用注漿+長錨索方式支護后，布置測點對圍巖變形量進行監測，具體監測數據如表1所示。支護完成35 d后圍巖變形基本趨于穩定，期間監測到頂底板、巷幫累積變形量分別為69 mm、53 mm，取得較好的圍巖支護效果。

表1 圍巖變形監測結果

4 結 語

在3506運輸巷掘進過構造破碎帶期間，采用注漿+長錨索方式支護圍巖，注漿材料選用馬麗散漿液。通過超前注漿后可實現巷道靠近頂板位置以及頂板上方3.3 m區域加固，避免巷道掘進期間出現冒頂、漏頂等問題。采用長錨索可實現破碎頂板有效支護，錨固端位于巷道頂板上覆穩定的巖層中，可起到較好的懸吊效果。現場應用后，3506運輸巷在構造破碎帶內圍巖變形量較小，期間監測到頂底板、巷幫變形量分別為69 mm、53 mm，圍巖控制效果顯著。