小回溝煤業構造帶大變形巷道圍巖加固技術

武星文

（山西小回溝煤業有限公司，山西 太原 030400）

1 概況

小回溝煤業目前主采的2#煤層平均厚度2.7 m（2.58～2.75 m）、傾角0°～8°，上覆03#煤平均厚度0.6 m，為不可采煤層，2#煤與上覆03#煤平均間距5.3 m。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板結構

目前正在掘進2204 回采工作面運輸巷，在設備安裝、運輸、通風、行人等方面滿足服務回采期間的需要。2204 運輸巷位于二采區北翼中部，西鄰2301 回風巷（已施工完成），平行相距135 m，東側為2301 運輸巷（已施工完成），平行相距40 m，南側為四條大巷保護煤柱，北側為G339 國道保護煤柱。巷道斷面設計為矩形，掘寬5.0 m，掘高3.4 m，設計掘進長度為1222 m。2204 運輸巷向北施工過程中存在多處背斜及向斜構造，褶皺構造在軸部時對巷道掘進影響較大。

2204 運輸巷設計每排布置13 根Φ22 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂板錨桿間排距800 mm×900 mm，幫部錨桿間排距1200 mm×900 mm；頂板布置3 根Φ21.8 mm×8300 mm 的錨索，錨索間排距為2000 mm×1800 mm。頂部錨桿垂直于巷道頂板布置（頂部兩側錨桿與頂板夾角為80°），幫部錨桿垂直于幫部煤體（肩窩、底角錨桿分別與水平方向夾角為10°）。在該支護方式下，巷道掘進過構造帶時圍巖變形量較大，主要表現為底鼓和兩幫變形，其中底鼓量達到了1500 mm，兩幫變形量達到了1000 mm 左右。

2 巷道圍巖破壞原因分析

1）構造帶影響。2204 工作面回風巷沿煤層掘進，煤層整體呈南高北低，自開口向南構造形態依次為寬緩的背斜-向斜-背斜。其中，背斜軸部在擠壓作用下，應力集中程度較高，巷道開挖后，高應力釋放，巷道底板受垂直向上的應力作用，底板圍巖裂隙發育并貫通，巖體體積膨脹，進而造成底鼓量大。另外，構造帶附近的水平應力較大，導致巷道兩幫出現張拉破壞，造成巷幫移進量較大。

2）圍巖破碎。2204 運輸巷沿2#煤層底板布置，巷道兩幫均為實體煤，由于煤體強度較低、裂隙發育程度高，導致巷幫承載力較差，加劇了巷道的變形。另外，巷道底板為砂質泥巖，強度較低。對巷道底板的變形情況進行了鉆孔窺視，得出底板下方3 m 內的巖層破壞嚴重，離層情況明顯。

3）原支護方案不合理。原支護方案未對巷道底板進行有效的加固，導致底板圍巖無約束破壞，并影響加劇了巷道兩幫的變形破壞。

3 巷道加固技術[1-5]

3.1 底板加固方案

巷道底板采用注漿錨索的形式進行加固。注漿錨索具有強度高、預應力高、延伸率大等特點，可有效控制底板巖層的變形離層。另外，注漿錨索二次注漿時為帶壓注漿，漿液能夠充填密實底板圍巖中的裂隙，提高巖層的完整性及承壓能力，進而提升加固支護的效果。

3.1.1 底板加固參數

注漿材料為硅酸鹽水泥及添加劑的混合料，漿液水灰比為0.8:1。底板注漿錨索鉆孔直徑為56 mm，鉆孔深度5000 mm，鉆孔間距為1500 mm，鉆孔排距為2000 mm，每排布置3 個鉆孔，最外側鉆孔距巷幫370 mm。底板加固方案如圖1。

圖1 底板加固方案示意圖（mm）

底板注漿錨索直徑為21.6 mm，長5300 mm，外露端長度為300 mm，錨索拉斷載荷大于520 kN，延伸率高于6%。錨索配合高強度拱形托盤，保證預緊力不低于200 kN。支護完成后，在底板鋪設300 mm 的硬化層，強度為C30，如圖2。

圖2 底板注漿錨索（mm）

3.1.2 底板加固施工工藝

底板注漿錨索分兩次注漿，初次為錨索端頭2000 mm 注漿，進行錨索的錨固，二次為全段注漿。具體施工工藝如下：打孔→清渣→置入錨索→插入注漿管→無壓力注漿10 L →水玻璃+水泥漿封孔→7 d 后進行二次注漿，注漿壓力為2～3 MPa。底板注漿錨索施工如圖3。

圖3 底板注漿錨索施工圖

3.2 巷幫加固方案

3.2.1 巷幫加固參數

巷幫同樣采用注漿的方式進行加固，巷幫注漿材料與底板注漿材料相同，注漿方式分為兩次，初次為淺部無壓力注漿，二次注漿為深部高壓注漿。鉆孔布置參數如下：淺孔深度為2500 mm，深孔深度為8000 mm，兩種類型鉆孔沿巷道走向在巷幫呈交錯布置，鉆孔排距均為2000 mm；淺孔間距為1500 mm，鉆孔直徑為36 mm，一排布置3 個，上下兩個鉆孔距頂底板410 mm，中間鉆孔垂直于巷幫施工，上下兩個鉆孔分別向頂底板傾斜15°施工；深孔間距為2000 mm，鉆孔直徑為56 mm，一排布置2 個，上下兩個鉆孔距頂底板910 mm，并分別向頂底板傾斜15°和5°施工，如圖4。

圖4 巷幫注漿鉆孔布置圖（mm）

巷幫注漿施工完成7 d 后，采用注漿錨索進行進一步加固，錨索長度為6300 mm，外露長度為300 mm，排距為2000 mm，間距為900 mm，一排布置4 個錨索。錨索先采用2 節樹脂藥卷進行端錨，隨后采用注漿材料進行全長錨固，并配備高強度拱形托盤，保證其預應力不低于250kN，如圖5。

圖5 巷幫錨索布置圖（mm）

待注漿及錨索加固施工結束后，在巷道兩幫及頂板噴射一層厚度為120 mm 的混凝土，強度為C20，加強對圍巖表面變形的控制。

3.2.2 巷幫加固施工工藝

巷幫鉆孔注漿工藝流程為：布置鉆孔→調節鉆機鉆進方位→鉆孔→排渣→插入注漿管及孔口管（外露長度在150～200 mm）→水泥漿封孔→24 h后在孔口安裝截止閥→連接注漿系統→進行注漿→達到終壓后穩壓10 min →關閉注漿系統→拆除管路，開始下一鉆孔作業。注漿時先完成淺部注漿，再進行深部注漿，施工工藝相同。

巷幫注漿錨索工藝流程：采用Φ30 mm 鉆頭打孔→鉆進至6000 mm →退鉆并排渣→置入樹脂錨固劑→置入錨索→連接攪拌器并旋轉錨索進行端錨→在孔內安設注漿管及止漿塞→注漿至終壓→安裝托盤等護表構件→張拉錨索，如圖6。

圖6 巷幫注漿錨索現場施工圖

4 工程實踐效果分析

為分析巷道注漿、錨索加固技術對圍巖的控制效果，在2204 運輸巷過構造帶處布置測點，采用十字布點法對圍巖變形情況進行監測，如圖7。

圖7 圍巖變形監測結果

由圖7 可知，巷道掘進過背斜構造軸部后，圍巖初期變形速度較快，30 d 后逐漸趨于穩定，其中頂底板最大移進量為140 mm，兩幫最大移進量為160 mm，整體變形量較小，表明“底板施工注漿錨索+巷幫分次注漿+巷幫預應力錨索”聯合支護方案的控制效果較好，能夠保證構造處巷道的穩定性。

5 結論

1）根據2204 運輸巷的實際賦存條件及破壞特征，分析了引起巷道破壞的原因主要為：構造處應力環境復雜、圍巖較破碎及原支護方案不能有效控制底板變形。

2）根據巷道破壞原因，提出了“底板施工注漿錨索+巷幫分次注漿+巷幫預應力錨索”的聯合支護方案，并確定出錨索支護及注漿加固的具體參數。

3）現場實踐表明：在聯合支護方案下，巷道掘進通過背斜構造軸部后，構造處圍巖變形在30 d后趨于穩定，頂底板最大移進量140 mm，兩幫最大移進量160 mm，整體變形量較小，控制效果顯著。