汾源煤业“三软”巷道掘进稳定性控制技术

（霍州煤电集团汾源煤业有限公司，山西 静乐 034000）

1 工程背景

汾源煤业为重组整合矿井，主要可采煤层为2#和5#煤层。5-102工作面位于井田一采区南翼，南部、西部为未开采实体煤，工作面煤层走向S9°E～S8°W，倾向W8°N～W9°S，地面标高为+1582～+1644m，井下标高为+1180～+1260m，见图1。煤层伪顶为1.0 m厚的较软泥岩，直接顶为5.1～8.8m的含粉砂泥质结构的泥质灰岩与砂质泥岩，岩层强度不大、易风化脱落，基本顶为14.2m的中粒砂岩，包含大量方解石条块。煤层直接底为2.1m的泥岩，块状且裂隙发育，植物化石丰富、易吸水膨胀出现底鼓，基本底为5.2m的均质层理细砂岩。5#煤层中部有3层0.5 m厚的夹矸，煤质疏松易破碎，厚度平均为15.5m，平均倾角为25°。

5-1021巷道埋深为378～410m，掘进设计长度632m，断面设计为矩形断面，断面宽度为4.4m、高度为3.1m，断面面积为13.64 m2，沿5#煤层顶板掘进，垂直于巷道方向煤层倾角为25°，左帮为煤，右帮基本为泥岩，顶板为泥岩。由于5-1021巷道所处5#煤层结构复杂、稳定性差，同时顶底板多为裂隙发育的泥岩，易风化破碎或膨胀变形，巷道所处的围岩环境为典型的“三软”不稳定结构，巷道掘进过程中合理的支护控制措施是保证矿井正常生产接续的关键[1-2]。

2 5-1021巷道破坏机理分析

5-1021巷道掘进断面所处围岩环境大部分为煤巷，顶板岩层裂隙发育、破碎程度高，掘进易产生顶板脱落现象，底板岩层抗压强度较低，易出现膨胀软化导致扎底事故，同时煤层不稳定系数较高、完整性较差。因此，研究“三软”巷道的围岩破坏机理对围岩稳定性控制分析十分重要[3-4]。

1）围岩性质软弱

图1 5-102工作面布置

采用岩石膨胀测试仪针对巷道围岩进行膨胀性测定，测定结果见表1。由测定结果可知，砂质泥岩的轴向自由膨胀率比泥岩要高42%，侧向膨胀压力与轴向自由膨胀率成正比，与侧向约束率成反比。根据膨胀性软岩分级标准[5]，5-1021巷道属于中等—强膨胀性岩层。围岩自身性质软弱导致巷道掘进后出现强烈的收敛变形，采取一般支护方式后，不能将围岩控制成为整个承载体，掘进断面无法保证，影响后续生产工作的进行。

表1 围岩岩性膨胀性测定

2）围岩结构破碎

在5-1021掘进迎头进行顶板钻孔窥视，选取顶板1.0 m和6.3m处的窥视结果见图2。由图中可知，在顶板1.0 m和6.3 m位置处均存在明显的裂隙发育，根据探测结果，巷道顶板及右帮岩石部分破坏范围在1.6～4.7m，顶板平均破坏深度2.4m、右帮平均破坏深度为2.2m，探测范围内的巷道围岩完整性较差，容易在掘进过程中出现支护失效的问题。

图2 钻孔窥视结果

3）围岩应力环境恶劣

5-1021巷道平均埋深400m，地应力约10.0MPa，加之相邻工作面采用综放开采，开采扰动较大，强烈的动压影响可达到20.0～25.0MPa，“三软”巷道受强烈采动应力及构造应力的影响，围岩性质进一步产生流变化特点，表现为一定程度的蠕变特性，长期承载的强度很低，给巷道围岩掘进带来了更大的控制问题。

3 5-1021巷道控制方案设计

根据上述“三软”巷道围岩破坏机理分析，需要从改善围岩软弱特性和提高主动支护效果的基础上采取控制措施，为此选择锚网索+注浆加固的联合控制方案，使得控制效果能够发挥最大化。其中确定的支护断面见图3。

1）注浆加固技术

注浆材料以水泥单液为主，采取的水灰比为0.4∶1，在遇到断层或其他特别破坏的巷道段时，可以在浆液中添加水玻璃进行性能调配。采取的注浆压力为3.0MPa，钻孔间距2500 mm、排距2500 mm、直径为42 mm、为3000 m。加固部位主要位于顶板、右帮、底板，在遇到断层或其它破碎情况严重的巷道时，可以适当增加注浆量，提高注浆效果。

2）锚网索主动支护技术

图3 支护断面设计

顶板支护：顶板同一断面布置5根锚杆，型号Φ20 mm的BHRB335 钢筋杆体，按照1000 mm×1000 mm的间排距进行施工，锚杆长度2000 mm，预紧扭矩、屈服力以及拉断力的范围分别不小于280 N·m、105 kN和154 kN，杆体整体延伸率为18%；树脂锚固剂为1支CK2340和1支Z2360，锚固长度为1370 mm；托板尺寸为150 mm×150 mm×8 mm，形状为拱形以加强整体承载能力；锚杆杆体之间以Φ12 mm钢筋托梁连接，10#铁丝编织的金属网挂接在托梁上，网孔规格设计为50 mm的菱形孔。同一断面锚索布置1根，按照2000 mm排距进行施工，施工位置处在巷道顶板中部。索体型号为Φ17.8 mm的钢绞线，长度8000 mm，张拉预紧力、张拉预紧力、承受最大力分别高于160 kN和353 kN，最大力总延伸率为4%，由于锚索锚固长度较长，采用树脂锚固剂为2支CK2340和2支Z2360，锚固长度2192 mm；锚索托盘的型号采用300 mm×300 mm×12 mm。巷道顶部锚杆（锚索）的施工均垂直巷道顶板打设，巷肩施工困难部位可以允许有5°左右的误差。

巷帮支护：由于巷道左帮、右帮岩层性质不相同，采取的支护方式稍有差异。左帮同一断面布置4根锚杆，型号为Φ20 mm钢筋杆体，按照900 mm×1000 mm的间排距打设，长度2000 mm，树脂锚固剂为1支CK2340和1支Z2360，设计锚固长度1370 mm；托板采用的型号为150 mm×150 mm×8 mm，W钢护板为450 mm×280 mm×3 mm；左帮多为煤体，故采用1层10#铁丝网和1层Φ6 mm钢筋焊制的钢筋网进行安设，网孔分别为50 mm×50 mm和100 mm×100 mm。右帮同一断面的锚杆材料选择和间排距设置与左帮相同，但金属网只采用1层10#铁丝网；由于右帮下部可能会在煤层中掘进，当揭露煤层高度大于600 mm时，锚杆需配套使用450 mm×280 mm×3 mm的W钢护板。帮部的锚杆打设同样以垂直巷帮打设为准，在巷道底角等施工困难部位允许有5°的误差。

4 5-1021巷道控制效果分析

5-1021巷道掘进过程中按照上述措施进行围岩控制，在进尺100 m后布置围岩表面位移监测站，监测周期6 周，监测结果曲线见图4。监测周期内，巷道围岩变形呈现阶梯状变化，说明巷道注浆和支护方式随巷道所处应力环境的恶化而不断产生效果，巷道变形速率区域稳定，两帮移近最大值稳定在47 mm、顶底板移近量稳定在28 mm，顶板下沉控制效果好，说明注浆加固对顶板整体完整性的控制较强，能够使得锚杆索与完整岩体形成承载能力强的锚固体，降低了围岩软弱结构的危险性，使锚网索起到了良好支护的作用，进而控制了巷道围岩的变形。

图4 5-1021巷道表面位移监测分析

5 结语

汾源煤业5-1021巷道处在“三软”煤层环境中，顶底板及煤层强度较低，结构破碎、完整性不强，加之所处地应力及采动应力影响较大，掘进过程中易出现巷道收敛变形严重的问题。基于“三软”巷道变形破坏特点，设计采用了锚网索+注浆加固的方式进行“三软”巷道掘进过程的围岩控制，应用效果表明5-1021巷道收敛速率逐渐降低，变形破坏较为稳定，能够满足矿井生产服务需求。