沙吉海煤矿01工作面煤巷稳定性分析与支护对策

景海河 吕 谦 赵术江 孙银磊

(1.黑龙江科技大学，黑龙江哈尔滨 150027; 2.神华能源公司沙吉海煤矿，新疆和布克赛尔 834411)

0 引言

软岩问题是影响矿井生产的一大难题，目前全国许多矿井由于是软岩巷道而导致支护的难度和破坏程度不断增加[1-5]，一般的支护方法不能有效的控制软岩巷道的大变形破坏，这就给煤矿的安全与生产带来了不可估计的损失和困难。因此，软岩巷道的支护问题就变成急需解决的课题，本文就沙吉海煤矿B103W01工作面运输顺槽的支护问题进行了研究，并提出了以恒阻大变形锚杆+中空注浆锚索+底角注浆钢管为主体的耦合支护技术。

1 工程地质特征

1.1 地层岩性

沙吉海煤矿B103W01工作面运输顺槽标高为+300 m，布置在B10煤层中，顶板为泥岩，厚度8 m;泥质粉砂岩，厚度12 m，底板为泥岩，厚度8 m。

1.2 岩性分析

为了全面的了解运输顺槽围岩的膨胀性粘土矿物的种类及含量的多少，所以在运输顺槽内进行岩样的采集并进行了电镜分析、能谱分析、X射线衍射分析，分析结果如表1，表2所示。

表1 粘土矿物种类及相对含量

表2 全岩矿物种类及含量

实验结果表明:运输顺槽巷道围岩粘土矿物主要为蒙脱石、伊/蒙混层和高岭石，对围岩的强度影响较大。其中，膨胀性及吸水性较强的蒙脱石和伊/蒙混矿物的相对含量达45%;其混层比达到51%。由此可见，运输顺槽围岩属膨胀性软岩。

1.3 物理力学性质

首先对运输顺槽巷道的围岩进行了岩石和煤样的采集并将其加工成标准的试件，先后对加工好的试件进行了容重，孔隙率，单轴、三轴压缩实验以及变形实验，实验结果如表3，表4所示。

表3 不同岩样的主要物理力学参数(一)

表4 不同岩样的主要物理力学参数(二)

从表3可以明显看出，软岩巷道的围岩强度普遍较低，其中泥岩的吸水性较强，在饱和状态下泥岩的抗压强度仅为3.5 MPa，而抗压强度最小的煤的抗压强度却达到18.52 MPa，所以在饱和状态下的煤体的抗压强度显著大于泥岩的抗压强度，此时吸水后的泥岩的抗压强度大幅降低(软化系数仅为0.13)，且岩体会因膨胀而产生较大的应力，这对巷道的稳定性控制将极为不利。

2 巷道变形力学机制分析

通过对运输顺槽围岩的试验研究和对现场的调查并依据实际工程的破坏特点，可分析出可能造成运输顺槽破坏的原因如下:

1)根据现场工程地质勘查可知，沙吉海煤矿B103W01工作面运输顺槽围岩节理裂隙较为发育，节理产状呈随机分布，大大削弱了围岩的整体性和稳定性;巷道开挖之后，巷道顶板受矿山压力影响产生裂隙，由于锚索端部伸入到煤层上部含水层中，水顺锚索杆体通过围岩裂隙进入到泥岩当中，水被泥岩吸收后膨胀变形，且泥岩遇水后其抗压强度急剧降低，这使得岩体自身不能充分发挥自身的承载能力，而普通锚网的支护强度低，且锚固的深度有限，锚杆的延性差，根本无法限制围岩所产生的大变形问题。由于围岩压力过大经常使得锚杆发生破断失效，对于巷道的顶板支护极其不利;

2)由于膨胀性粘土矿物的蒙脱石和伊/蒙混合层在围岩中含量达到45%以上，这就使的围岩具有较高的膨胀性和吸水性，这些因素对围岩的变形和破坏有着非常重要的影响;

3)从运输顺槽现场掘进施工情况来看，顶板淋水大，掘进工作面涌水量可达45 m3/h，在水的作用下，巷道围岩的稳定性将进一步恶化，因此，水是巷道围岩的不稳定因素中最为不利的因素之一;

4)受工程扰动严重，运输顺槽巷道受到相互之间施工扰动影响，可能会加大巷道的变形破坏。

经以上分析，该工程部位的变形力学机制为ⅠAⅡBCDⅢE型，即不但具有分子膨胀机制型、而且还具有重力及水影响的应力扩容型，同时还具有随机节理型。

对ⅠAⅡBCDⅢE复合型软岩巷道，引进“以柔克刚、刚柔并济”的恒阻大变形锚杆支护体系及中空注浆锚索等新型支护工艺。首先通过恒阻大变形锚杆的支护，可以吸收掉围岩中一定的变形膨胀能和塑性能，使围岩的ⅠAⅡBCDⅢE复合型软岩巷道转化为比较简单的ⅡBCDⅢE型。利用恒阻大变形锚杆的恒阻大变形力学机制和能吸收围岩部分能量的特点，当巷道围岩发生大变形的时候，恒阻大变形锚杆会随着围岩的膨胀变形而自动延伸，并能在一定范围内保持恒定的阻力值，此时恒阻大变形锚杆可以通过恒阻大变形的工作特性吸收围岩多余的能量，这就使得恒阻大变形锚杆在围岩产生大变形的条件下仍具有良好的支护作用并能保证巷道的稳定。

同时采用了锚杆的三维优化技术，可以有效地控制围岩结构变形，使其转化为ⅡBCD型。

岩体锚注加固技术是对岩体实施外锚内注加固处理的一种加固方式，其中特种中空锚杆(索)兼作注浆管。它是岩体注浆加固技术与岩体锚杆(索)加固技术的有机结合，充分利用注浆加固与锚杆加固的各自优点，对软弱、破碎围岩进行锚注支护，就是通过浆液的充填、胶结与锚杆的组合、悬吊以及喷射混凝土的封闭和支撑等作用来改善围岩的受力状况以及它的整体性，就是用注浆来改变围岩的松散结构，封闭裂隙，可以有效的阻止水对岩体的侵蚀，从而提高围岩的强度，改善围岩的受力状态，继而达到维护围岩稳定性的目的，而恒阻大变形锚杆又是起支护作用的。最后通过中空注浆锚索、底角注浆钢管与恒阻大变形锚杆支护技术可以使围岩与支护体变形协调、达到相互耦合作用，最终达到巷道围岩的稳定的目的。具体的转化及支护力学对策如图1所示。

图1 运输顺槽巷道复合型变形力学机制转化图

3 工程实例

3.1 巷道断面形状及支护形式

断面设计形状为梯形，支护形式为恒阻大变形锚杆+中空注浆锚索+底角钢管耦合支护，如图2所示。

3.2 支护材料及参数

支护所用材料有锚杆、锚索、金属网、钢筋梯、底角钢管，具体参数如下:

1)锚杆。

采用φ20 mm×2 700 mm恒阻大变形锚杆，间排距700 mm ×800 mm，三花布置，预紧力不小于300 kN。

2)锚索。

采用φ22 mm×7 000 mm中空注浆锚索，间排距1 600 mm×2 400 mm，锚索紧跟迎头安装时预紧力为100 kN，滞后迎头安装时预紧力为120 kN。

3)金属网。

采用φ6.5 mm的钢筋焊接而成，网片的尺寸为1 700 mm×900 mm，网格尺寸100 mm×100 mm。

4)底角钢管。

采用φ43 mm×2 500 mm无缝钢管，内插钢筋并注浆，排距为500 mm。

5)钢筋梯。

钢筋梯采用10号圆钢焊接而成，其顶部的规格(长×宽)为4 900 mm×100 mm，帮部规格(长×宽)为5 000 mm×100 mm。

图2 支护设计断面图

4 支护效果分析

B103W01工作面运输顺槽巷道采用了恒阻大变形锚杆+中空注浆锚索+底角钢管支护技术，软岩巷道的大变形问题得到了有效的解决，巷道的整体造型良好。为了检验支护效果，在运输顺槽两侧分别设一组测站，分别监测巷道围岩的两帮收缩及顶板下沉和底臌，经过120 d的监测结果表明，巷道围岩最大变形量74 mm，在可接受的范围内，巷道稳定，支护效果良好。

5 结语

1)通过现场调查、实验研究和理论分析，确定了B103W01工作面运输顺槽巷道的破坏原因;

2)确定了B103W01工作面运输顺槽巷道的变形力学机制，提出了恒阻大变形锚杆+中空注浆锚索+底角钢管的支护对策;

3)工程实践表明，恒阻大变形锚杆+中空注浆锚索+底角钢管支护方案在软岩巷道维护围岩的稳定、有效遏制围岩大变形和应对工程扰动的影响等方面有着独特的作用，具有较高的经济效益和实用价值，可以作为类似巷道的设计参考和依据。

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