陈蛮庄煤矿深井软岩巷道支护技术研究与实践

赵 浩

（山东能源肥城矿业集团，山东 菏泽 274300）

0 引言

深井巷道支护是采矿界公认的难题，随着开采深度的不断增加，我国东部煤矿相继进入了深井开采阶段，由于原岩应力水平不断提高，当采深超过围岩软化临界深度后，围岩将产生大范围的塑性区、破碎区，因此深井高应力复杂条件下的顶板灾害和巷道支护已成为当前和今后长期影响煤矿安全生产和效益的重大技术难题，并伴随着矿井采深的持续增加而越发突出和严重。

肥城矿业集团陈蛮庄煤矿开采深度大于900 m，随着开拓延伸，围岩控制难度逐渐增加，尤其是3800采区轨道下山受开采深度、围岩弱结构、高围岩岩石特性、岩层倾角大、岩层节理发育等多重因素影响，围岩松散破碎程度进步加剧，巷道持续出现变形情况，严重制约矿井生产接续，生产成本增加。

1 3800轨道下山生产地质条件

陈蛮庄煤矿3800采区轨道下山岩层整体为单斜构造，岩层倾角18°～26°之间，平均23°，巷道为穿层全岩巷道，局部揭露3下1及3下2煤层。巷道整体布置在3上煤底板以下7～40 m之间，平均23.5 m，直接顶为f=2～3的泥岩，基本顶为f=3～4的粉砂岩。其主要物理力学指标见表1。

表1 3800轨道下山围岩力学指标

2 3800轨道下山变形原因分析

1）3800轨道下山开采深度为-836～-1145 m，巷道埋深较大，原岩应力高，且围岩结构存在滑面接触、垂直裂隙发育，尽管岩层强度高但其整体性较差；与此同时巷道掘进后受大埋深、大倾角影响，围岩表面应力释放明显，导致巷道表面成形差（巷道表面不平整），支护相对困难。

2）岩层倾角较大，巷道围岩应力分布及变形特征呈现出明显的非均称性，导致围岩结构与支护体之间不协调变形，极易呈现围岩结构关键部位首先破坏，引发巷道整体失稳的变形破坏特征（见图1）。

图1 大倾角作用下围岩呈现非对称变形模拟图

3 巷道支护形式确定

3.1 支护形式

综合巷道原岩应力高，围岩稳定性差，服务年限长等特点，在围岩稳定性较好情况下采用锚网索喷支护；围岩较破碎或围岩稳定性较差情况下采用综合锚注支护形式，即在锚网索喷支护的基础上，对巷道底板及壁后进行注浆，提高巷道支护强度。

3.2 支护参数

3800轨道下山顶板层理状发育，煤岩层层理之间多为滑面接触，拉应力区极易使层面之间产生离层；随着后期锚杆受力的增大，拉应力也逐渐增大，影响范围也将逐步增大，拉应力区的离层一旦沟通，将出现较大巷道变形，此时其控制难度大（见图2）。通过综合分析、研究，对3800轨道下山巷道支护按照“梯度支护”原理进行设计，即采用“锚杆+短锚索+长锚索”的方式进行支护。通过短锚索控制锚杆支护离层或者裂隙的扩展，对岩层挤压加固；长锚索通过悬吊作用，保证支护体的长期稳定。

图2 锚杆锚固段及一定范围内拉应力作用图

3.2.1 锚杆

巷道顶帮锚杆均采用Q600号钢制作的高强预应力左旋无纵筋锚杆，在粉砂岩中锚杆力可达到120 kN，根据巷道开掘宽度5.5 m，锚杆锚入相对稳定岩层深度不低于0.7 m，取锚杆长度为2.8 m；根据锚杆锚固力要求并结合施工地点条件，取锚杆直径为22 mm；同时根据锚杆锚固力、松动圈厚度（H=1.5 m），锚杆间排距为0.8 m（L1）×0.8 m（L2），按照悬吊理论对安全系数K进行验算:

式中：F为锚杆锚固力，F=120 kN；H为围岩松动圈厚度；r为岩石容重，r=25 kN/m3；L1、L2为锚杆间排距0.8 m×0.8 m。

锚杆托盘采用锰钢制作的蝶形托盘，托盘尺寸为长×宽×厚=200 mm×200 mm×15 mm，托盘弧高为25 mm。

图3 “梯度支护”设计原理

3.2.2 锚索

3800轨道下山巷道顶帮均施工锚索，锚索取直径21.6 mm的1×19芯钢绞线制作锚索，钢绞线强度1 860 MPa，锚索具体参数如下：

确定锚索长度：

式中：L为锚索总长度；La为锚索深入到稳定岩层的锚固长度，m；Lb为需要悬吊的不稳定岩层厚度，取1.3 m；L c为托盘及锚具的厚度，取0.12 m；Ld为需要外露的涨拉长度，取0.25 m

按G B86-1985要求，锚索固定长度La按式（3）确定：

式中：K为安全系数，取K=2；dl为锚索钢绞线直径，取21.6 mm；Fa为钢绞线抗拉强度，N/mm3（1 860 MPa，合1 860 N/mm3）；Fc为锚索与锚固剂的粘合强度，取10 N/mm3。

则L=2.0+1.3+0.12+0.25=3.67 m，根据计算并结合“梯度支护”原理，短锚索长度取4.3 m，长锚索长度取6.3 m，锚索间排距为1 800 mm×1 600 mm。锚索托盘采用锰钢制作的蝶形托盘，托盘尺寸为长×宽×厚=300 mm×300 mm×160 mm，托盘弧高为35 mm。

3.3 锚杆差异化锚固

高强锚杆采用一块MSC K a2335型超快锚固剂和一块MS M2350型慢速锚固剂进行锚固，前端超快型树脂锚固剂在安装搅拌开始后首先凝固，起到夹持锚杆杆体、阻止杆体旋转、打开螺母阻尼塞的作用；后部慢速树脂锚固剂凝胶时间较长，在对锚杆施加预应力后，再凝胶锚固，可以起到让锚杆达到锚固力，防止锚杆失锚的作用，同时能够充分锚杆抗与让的作用。

3.4 锚网

采用有柔性、抗腐蚀、有强度的菱形编织网替代原冷拔钢筋网，并采用勾连工艺（即锚网均为两边敞开、两边闭合,相邻锚网敞开一边与另一锚网闭环便可以相互勾联），提高锚网护表强度与护表能力，并将锚杆打设于锚网勾联处，使整个巷道的锚杆与金属网联结成一个有机整体。

3.5 围岩稳定较差情况下全断面注浆加固

3.5.1 全断面注浆加固的主要作用如下

1）在高应力作用的巷道掘进后，表面应力释放产生的裂隙，通过注浆加固恢复表面围岩强度。

2）在裂隙或者离层导通时，通过注浆加固能够实现锚网索支护系统的全长锚固，一旦后期受采动影响，将能保证支护系统的长期稳定。

3）底板注浆加固能有效缓解巷道底鼓，同时通过注浆体对层理及裂隙的注浆加固充填，能起到隔水作用，可有效预防水对深部围岩的弱化破坏。

4）对于软岩或者高应力巷道来讲，裂隙或离层发育经历“完整-裂隙导通-弥合”的过程，水的影响裂隙的弥合速度会进一步加快，所以在裂隙或者离层产生导通时进行注浆加固非常重要。

3.5.2 确定注浆加固参数

注浆管采用无缝钢管（4分管，壁厚3 mm）加工，注浆管规格为φ21 mm×3 000 mm，为保证施工方便，准备部分φ21 mm×1 000 mm的短注浆管，以便在巷道十分破碎时使用（见图4）。

图4 3 m注浆管布置图

注浆工艺：打设底板注浆孔安装注浆管→底板注浆加固→打设顶板及两帮注浆管→顶板及两帮注浆加固。

注浆管采用无缝钢管（4分管，壁厚3 mm）加工，注浆管规格为φ21 mm×3 000 mm（见图5）。

图5 3m注浆管结构图

1）打设底板注浆孔，安装注浆管。先采用φ21 mm×3 000 mm注浆管进行一次复注，按排距2 000 mm、间距1 600 mm布置；打注浆管时，注浆管一次打装完成，打孔深度为5 m。注浆管垂直岩底板施工，两侧注浆管垂直倾角45°。

注浆管加工时应注意以下几点：①滚丝长度至少50 mm；②下部1.5 m注浆管，尾部斜切，同时加工2个垂直交错的布置小孔，φ6 mm左右；③连接套直径可根据钻孔大小选取，小于钻孔直径2 mm。

采用环氧树脂材料+麻绳方式封孔，采用2级封孔：第1级位于连接套下部（下部注浆管端部），第2级在距离上部注浆管端部100 mm位置，封孔长度大于300 mm，进钻孔中，并捣实。

2）底板注浆加固。注浆时，仍采用自下山下端向上端（或分段）进行，且遵循先中间两边的注浆顺序。

3）打设两帮和顶板注浆孔，安装注浆管。待底板注浆结束后再进行两帮和顶板注浆。采用φ21 mm×3 000 mm注浆管进行第一次复注，按排距2 000 mm、间距1 600 mm布置；打孔深度可根据注浆量和注浆压力根据现场实际进行现场调整（根据实际情况定为3.5 m）；注浆管一次打装完成，每施工完1根注浆管，必须及时封孔。注浆管垂直岩壁施工，两底角注浆管垂直倾角45°。

4）两帮和顶板注浆加固。在注浆过程中，如遇周围有漏浆现象，应及时采用水泥（加适量减水剂）浆体封堵；如果相邻注浆管孔漏浆，则安装球阀封堵。注浆的终压控制在5 MPa。

5）注浆效果检测。复注结束后每10 m布置1个检测断面，对注浆效果进行检查，如发现注浆不充实在附近10 m范围内进行复注。

巷道围岩稳定性较差时，采用全断面锚网索喷和注浆加固技术，巷道承载结构为多层组合拱（即巷道表面的锚网喷组合拱、高强高预紧力锚杆加固组合拱、锚索加固组合拱以及注浆扩散形成的混凝土加固拱），各组合拱之间相互作用，能承载高径向应力荷载，保证巷道围岩支护体系的长期稳定性，见图6。

图6 全断面锚网索喷+注浆加固原理图

4 效果检验

未验证支护效果，在3800轨道下山优化支护段每50m设置了1组巷道表面位移观测点，巷道位移测试仪器采用S MK-1型钢环式收敛计，观测周期安排：自巷道成型、安设测点日期起每天观测1次，7天后每3天观测1次，1个月后每周观测1次，通过观测巷道表面位移观测，支护收缩量合适，巷道支护2个月后，巷道表面位移量趋于稳定（巷道顶板最大位移量75 mm，帮部最大位移量120 mm，底板最大位移量90 mm），优化后支护后支护强度满足安全生产需要,有效控制了巷道变形。