深部開采軟巖巷道圍巖失穩(wěn)控制技術(shù)研究

高威力

（山西焦煤汾西礦業(yè)兩渡煤業(yè)公司， 山西 靈石 031302）

0 引言

軟巖巷道圍巖控制難度高，同時隨著礦井采掘深度增加，軟巖巷道數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)的支護(hù)方式已無法維持軟巖巷道圍巖穩(wěn)定[1-2]。深部開采軟巖巷道在高地應(yīng)力、圍巖承載能力差等因素影響下呈現(xiàn)出變形速度快、支護(hù)體系容易失效等問題[3]。為此，眾多的學(xué)者及工程技術(shù)人員對軟巖巷道圍巖控制技術(shù)展開研究，并提出圍巖注漿、砌碹支護(hù)、架棚支護(hù)、全錨索支護(hù)等措施，現(xiàn)場應(yīng)用也取得一定效果[4-6]。但是在支護(hù)松軟破碎、高地應(yīng)力且圍巖泥化嚴(yán)重的巷道時，常規(guī)的軟巖支護(hù)效果不佳。本文就以某礦3500 運輸上山巷掘進(jìn)為工程背景，提出綜合使用“錨網(wǎng)索+U 型鋼架棚+灌漿”方式支護(hù)圍巖，現(xiàn)場應(yīng)用取得較好圍巖控制效果。

1 3500 運輸上山巷概況

1.1 地質(zhì)概況

3500 運輸上山巷位于35 采區(qū)，巷道埋深均值為850 m，巷道與上覆11 號煤層間距23 m、與下覆13號煤層間距32 m。3500 運輸上山巷服務(wù)于35 采區(qū)，預(yù)計使用時間超過10 年，設(shè)計斷面為直墻半圓拱型，設(shè)計掘進(jìn)長度1 560 m，采用綜掘機掘進(jìn)，掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，巷道圍巖以粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖等承載能力差、遇水容易膨脹的軟巖為主。

3500 運輸上山巷原設(shè)計采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)方式，采用的錨桿為Φ20 mm×2 200 mm 螺紋鋼，按照700 mm、700 mm 間排距布置，施加扭矩為150 N·m；支護(hù)用錨索為Φ17.8 mm×4 200 mm 鋼絞線，按照1 200 mm、1 200 mm 間排距布置；護(hù)表用網(wǎng)孔100 mm×100 mm 金屬網(wǎng)，規(guī)格為1 800 mm×860 mm。在巷道頂部及巷幫均噴射厚度200 mm、強度C20 混凝土。

1.2 巷道圍巖變形特征

在3500 運輸上山巷支護(hù)完成后對圍巖變形情況進(jìn)行分析，具體圍巖變形有下述特征：

1）頂板及巷幫圍巖變形嚴(yán)重，現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)頂板、巷幫最大位移量分別可達(dá)到1 200 mm、850 mm，局部位置出現(xiàn)冒落征兆，給巷道正常使用帶來一定安全威脅。

2）巷道圍巖變形速度快，變形持續(xù)時間長。巷道支護(hù)完成后，圍巖持續(xù)變形，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)初期變形量最快可達(dá)到20 mm/d，后期變形速度雖然有所降低，但是也達(dá)到4 mm/d；圍巖變形量持續(xù)增加，巷道在后續(xù)使用期間需頻繁修整。

3）部分位置支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。隨著運輸上山巷圍巖變形量增加，巷道頻繁修整，巷道原有支護(hù)體系在大變形、高應(yīng)力等因素影響下出現(xiàn)錨桿（索）托盤錨空、金屬網(wǎng)兜甚至金屬網(wǎng)撕裂等問題，容易引起冒頂事故。

3500 運輸上山巷現(xiàn)有的圍巖支護(hù)措施難以滿足巷道長時間使用需要，須針對運輸上山圍巖特征、變形特點等采取針對性圍巖控制措施，確保圍巖穩(wěn)定并為后續(xù)使用創(chuàng)造良好條件。

2 軟巖巷道圍巖支護(hù)技術(shù)

3500 運輸上山巷圍巖以粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖等為主，巖層中含有一定量的黏土性礦物，遇水容易膨脹變形。巷道在掘進(jìn)擾動、高地應(yīng)力等綜合作用下容易出現(xiàn)持續(xù)變形，同時采用的圍巖支護(hù)體系強度較低，無法適用深度高地應(yīng)力軟巖圍巖控制需要。依據(jù)現(xiàn)場條件，采用“拱部長錨索+錨桿+鋼架棚+灌漿”結(jié)合方式進(jìn)行支護(hù)，通過長錨索+高預(yù)緊力提高圍巖控制能力及懸吊效果，通過鋼架棚+灌漿提高巷道表面支護(hù)強度。

2.1 圍巖控制機理

對于承受較大地應(yīng)力的軟巖巷道，控制軟巖變形的關(guān)鍵在于給巷道提供較高的支撐力并強化巷道淺部圍巖支護(hù)。結(jié)合3500 運輸上山巷掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)圍巖特性、變形特征等，提出的長錨索+鋼架棚+灌漿圍巖控制原理為[7-8]：

1）采用可伸縮鋼架棚對巷道圍巖提供較大的作用力。當(dāng)巷道圍巖較大時，U 型鋼接頭處會出現(xiàn)一定收縮，支護(hù)作用力也隨之增大，從而在釋放圍巖應(yīng)力的同時限制圍巖變形。

2）巷道頂部采用長錨索+高預(yù)緊力，使得錨索錨固端位于頂板較為穩(wěn)定巖層中，高預(yù)緊力可給頂板一定的作用力，在提高錨索懸吊效果基礎(chǔ)上降低頂部圍巖變形量；巷幫及頂部全斷面布置錨桿可控制淺部巖層變形，并與錨索相互耦合，達(dá)到控制軟巖變形目的。

3）在巷道表面進(jìn)行高壓灌漿，在高壓作用下漿液通過巷道表面裂隙深入圍巖中，達(dá)到提升圍巖穩(wěn)定性、承載能力目的；同時漿液也可封堵圍巖導(dǎo)水裂隙，避免淋水時圍巖崩解、軟化，達(dá)到提升巷道圍巖自身承載能力效果。巷道底板灌漿可有效提升底板強度，避免底鼓問題。

2.2 圍巖支護(hù)參數(shù)

3500 運輸上山巷斷面為直墻半圓拱型，巷道失穩(wěn)變形主要出現(xiàn)在支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)，具體在巷道肩角、肩窩以及底角位置，將巷道斷面由直墻半圓拱型優(yōu)化為馬蹄型，不僅可避免巷道支護(hù)出現(xiàn)薄弱點，而且通過強化底板支護(hù)，達(dá)到控制底板底鼓目的。

根據(jù)現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，3500 運輸巷表面1 850 mm范圍內(nèi)巖體破碎，為提高圍巖錨桿支護(hù)效果，支護(hù)使用的錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 400 mm，錨桿錨固端位于相對穩(wěn)定的巖層中，可提升錨桿支護(hù)效果；巷道斷面按照800 mm、800 mm 間排距布置15 根錨桿，每根錨桿采用3 支型號K2350 樹脂錨固劑錨固；在巷道底角位置布置2 根錨桿。在巷道頂部布置5 根規(guī)格Φ17.8 mm×8 000 mm 長錨索，錨索錨固端位于頂板相對穩(wěn)定的砂巖層中，錨索間排距為1200mm、1200mm，采用4 支型號K2350 樹脂錨固劑錨固。

3500 運輸上山巷掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，部分位置圍巖破碎且受高地應(yīng)力影響，巷道長時間使用后容易變形量大，因此給巷道表面提供較高的支護(hù)作用力并提升淺部圍巖承載能力，達(dá)到維持巷道圍巖穩(wěn)定目的。在巷道完成錨桿、錨索施工后，沿著巷道表面按照500 mm 棚距架設(shè)第一層U 型鋼架棚，架棚緊貼巷道斷面，各U 型鋼連接位置采用3 副卡纜固定，卡纜間距為170 mm；第一層U 型鋼架棚施工完成后首先對底板進(jìn)行灌漿，厚度500 mm，隨后按照巷道斷面架設(shè)第二層U型鋼架棚，兩層U型鋼架棚間距為500mm；在第二層U 型鋼架棚上綁扎鋼筋、鋪設(shè)柔模，并進(jìn)行灌漿，灌漿材質(zhì)為水泥、砂石，質(zhì)量配比為1∶2.5。為改善灌漿漿液性質(zhì)，在漿液中添加水泥用量的3%～5%速凝劑。灌漿時壓力控制在0.15～0.18 MPa。具體3500 運輸上山巷支護(hù)斷面如圖1 所示。

圖1 巷道支護(hù)斷面（單位：mm）

3 圍巖控制效果

3500 運輸上山巷采用“拱部長錨索+錨桿+鋼架棚+灌漿”方式支護(hù)圍巖后，布置測點對圍巖變形進(jìn)行持續(xù)360 d 監(jiān)測，具體圍巖變形監(jiān)測曲線如圖2所示。從圖2 監(jiān)測結(jié)果看出，巷道頂部、底部及巷幫最大收斂量分別為51 mm、36 mm、42 mm，圍巖變形量整體較小，可滿足3500 運輸上山巷軟巖控制以及后續(xù)長時間使用需要。

圖2 圍巖變形監(jiān)測曲線

4 結(jié)語

在分析3500 運輸上山巷圍巖變形量特性以及現(xiàn)場地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，判定導(dǎo)致運輸上山巷圍巖變形量大的主要原因為原有支護(hù)參數(shù)不合理、圍巖為承載能力差的軟巖、巷道所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜（部分位置圍巖破碎）以及巷道埋深較大（受高地應(yīng)力影響）。為此，提出以強化支護(hù)強度、控制巷道圍巖薄弱位置的支護(hù)方案，具體采用“拱部長錨索+錨桿+鋼架棚+灌漿”方式支護(hù)圍巖。

在拱部采用長錨索可提高錨索懸吊效果，降低拱部變形；全斷面錨桿可提高淺部巖體變形控制效果；鋼架棚+灌漿可給巷道表面提供較強的支撐力，并與錨桿、錨索一起控制圍巖變形。現(xiàn)場應(yīng)用后，3500 運輸上山巷圍巖變形量得以較好控制，可滿足巷道長時間使用需要。