小峪矿软岩巷道围岩控制技术研究

2021-05-13李鹏程

山东煤炭科技 2021年4期

李鹏程

（朔州煤电公司安全管理监察分局，山西怀仁 038300）

随着矿井采掘深度的增加，回采巷道掘进受到复杂地质构造及高地应力等因素多重影响，特别是巷道在软岩中掘进时，围岩短期变形及蠕变变形严重[1-2]。众多学者结合软岩掘进时巷道围岩变形特征提出采用关键部位耦合支护、锚网索注联合支护以及架棚支护等支护措施，取得显著应用成果[3-6]。小峪矿南翼回风大巷在掘进过程中围岩变形量过大，给巷道后续使用带来安全威胁。

1 概况

南翼轨道大巷埋深400 m，沿着22 煤层底板掘进，22 煤层厚度平均3.36 m，直接顶、直接底均为松软的泥岩。具体顶底板岩性如图1。

南翼轨道大巷掘进断面为半圆拱型，采用锚网索联合支护工艺，支护设计如图2。

南翼轨道大巷掘进完成后出现围岩变形量过快、锚杆失效、严重底鼓问题，巷道掘进完成2 个月内底板底鼓严重，棚腿出现倾斜，拱顶出现显著下沉，其中尤以底鼓最为明显。同时，锚杆部分已失效，从岩体内整体拔出，未出现剪切、拉伸等破坏形式。

图1 顶底板岩性

图2 巷道原支护方案

南翼运输巷围岩变形过大，主要是由于巷道锚杆在松软泥岩中出现脱落，锚杆支护时初期锚固力虽然达到设计要求，但在后期应力扰动、围岩蠕变变形影响下，锚杆端部锚固材料与岩体间的粘聚力小于岩体塑性流变压力，从而导致锚固端锚杆与岩体间胶结面被破坏，使得锚固力快速失效。

2 巷道顶底板岩层岩性成分分析

2.1 岩性成分分析

取巷道围岩岩样进行加工、测试以及分析，并采用XRF、XRD 测试岩体成分，其中发现围岩中含有较高的黏土成分，见表1。

表1 岩样主要矿物成分

结合现场调研并与软岩标准对照，确认南翼回风大巷围岩为弱胶结软岩。

2.2 围岩崩解测试

由于22 煤层上覆存在有富水性中等的裂隙水含水层，巷道顶板出现一定程度淋水，加之围岩测试发现含有较高的黏土成分，为此，为了掌握围岩变形特征，提出对围岩进行崩解性测试。根据国家标准对岩样进行循环崩解测试，具体典型岩样测试过程中形态如图3。

图3 岩样测试过程中形态

从图3 看出，岩样经过第1 次干湿循环后，整体变得更为粗糙且发育裂纹，岩样部分脱落；经过第2 次干湿循环后，岩样整体遭受明显破坏，仅存在有一块体积较大的碎块且在碎块表层发育有网状裂隙，其余均出现崩解。

3 巷道围岩变形控制技术

根据以往研究成果并结合巷道支护经验，提出采用矩形钢管混凝土拱架+注浆+锚杆支护方式对围岩进行治理[7]。

3.1 技术方案

3.1.1 支护设计

矩形钢管混凝土拱架+锚网索支护时，锚网索参数仍按照原支护方案，锚杆采用Ф20 mm×2500 mm 螺纹钢锚杆，间排距按照800 mm×1000 mm 布置；锚索规格为Ф17.8 mm×8000 mm 钢绞线，间排距为2000 mm×1000 mm。将原有的钢架棚结构改成矩形钢管混凝土拱架结构。

矩形钢管混凝土拱架结构主要包括两侧拱弦及拱腿等，配备有铁鞋、护板以及拉杆等结构。矩形钢管混凝土拱架采用的钢管壁厚为8 mm、长、宽均为150 mm，每个拱架上均预留有注浆孔（拱架底部）及排气孔（拱架顶部），拱架搭设后形成的净宽、净高分别为5000 mm、4300 mm，拱架搭设间距为1000 mm。为了提高拱架稳定性，在拱腰位置采用锚杆、护板等固定，拱架与围岩间空隙采用C20 混凝土充填。

巷道重新修整完毕后，采用锚网索立刻对围岩进行支护，支护完成后即对围岩进行注浆、搭设矩形钢管混凝土拱架，拱架搭设完毕后从注浆孔位置钢管中注入混凝土，待排气孔中有混凝土溢出后停止注浆。

3.1.2 注浆加固

由于巷道沿着煤层底板掘进，考虑到22 煤具有自然发火危险性，若采用化学注浆材料加固围岩，则材料在胶结过程中释放的热量会增加煤层自然发火概率，增加安全风险；选用普通水泥单液浆注浆时，浆液中水分与围岩中高岭土成分结合，会使得围岩中细微裂隙被弥合，降低注浆效果，甚至引起围岩结构失稳等问题。通过综合分析，提出选用亲泥性注浆材料加固围岩，该材料在胶结过程中不产生热量，较普通水泥浆具备更强的抗压、抗拉强度，扩散半径更大，同时缓凝性更好，便于注浆。亲泥性注浆材料与普通水泥浆性能参数比对结果见表2。

表2 亲泥性注浆材料与普通水泥浆性能参数比对表

待巷道临时支护完成后，先对巷道底板进行注浆（注浆深度为2 m），然后施工底板锚杆，最后对巷道全断面进行高压注浆。底板注浆采用3 m 长注浆管，顶板及巷帮注浆采用中空注浆锚杆，巷道每隔5 m 布置一排注浆孔。为了提高围岩加固效果，注浆采用间隔复注方式，具体如图4，即为先依次对1-1、3-3、5-5 断面进行注浆，待注浆完成之后再进行2-2、4-4、6-6 断面复合注浆，注浆压力均设计为2～5 MPa。