金能煤业大断面掘进巷道围岩支护技术研究

周 瑞

（霍州煤电金能煤业有限公司，山西 静乐 031500）

为缓解采掘接替压力，提高掘进效率，采区和区段巷道常布置在煤层中。由于煤层内部富存节理裂隙，顶底板常为泥岩、砂质泥岩等软弱岩层，因此大断面煤层巷道若支护参数设计不合理，后期易发生显著变形，影响巷道的正常服务使用。因此，有必要开展大断面煤巷掘进支护技术研究以解决围岩变形显著问题。

在大断面煤巷支护技术方面，专家学者研究取得了丰富的理论成果和理想的现场实践效果[1-4]。为解决金能煤业东翼集中回风上山巷道掘成后变形显著问题，本文分析了原支护存在的问题，提出了通过注浆锚索改善围岩变形控制效果的方案。

1 工程背景

1.1 工作面地质条件

东翼集中回风上山担负中一采区的回风任务，巷道的地面标高为+1382～ +1450 m，底板标高为+919.5 m，长度为1306 m，坡度为12°。巷道沿山西组2#煤层掘进，2#煤层厚度为0.6～10.4 m，煤层倾角为7°～28°。煤层直接顶为4 m 厚的泥岩，基本顶为6.37 m 厚的砂质泥岩，直接底为2.6 m 的砂质泥岩，基本底为9.6 m 厚的细粒泥岩。

1.2 原支护情况

东翼集中回风上山的断面形状设计为直墙半圆拱形，巷道宽度为5.44 m，高度为4.82 m。原支护设计采用锚网索喷支护。

（1）锚杆支护。选用Φ22 mm×2400 mm 型锚杆，每排15 根，每根使用2 根Z2835 树脂锚固剂，顶锚杆预紧力矩不小于200 N·m/根，间排距800 mm×800 mm，配备尺寸为1000 mm×2000 mm 的Φ6 mm 钢筋焊接网护表，网格尺寸为100 mm×100 mm。

（2）锚索支护。选用Φ17.8 mm×6500 mm 型普通锚索，每排布置5 根，间排距1200 mm×1600 mm，每根锚索使用4根Z2360和1根CK2360 锚固剂，锚索锚固力不小于120 kN。

（3）喷浆支护。巷道表面喷射厚度为120 mm的C20 混凝土支护。

具体支护参数如图1。

图1 原支护参数断面图（mm）

东翼集中回风上山顶底板岩性均为泥岩，围岩较为破碎，承载能力不佳。同时，由于巷道沿煤层掘进，煤层厚度变化不均，部分区域巷道顶板存在托顶煤问题，增大了巷道围岩支护难度，掘成巷道发生显著变形，影响巷道服务期间的正常使用。现场围岩破坏呈现如下特征：

（1）巷道掘成一周内，变形速率均值可达21～27 mm/d，峰值可达105 mm/d，测得的顶底板移近量达1.12～1.54 m，两帮收敛量达0.92～1.47 m。

（2）巷道稳定周期长。根据对巷道变形数据的分析，发现巷道掘成后需经历至少28～57 d 方能达到稳定状态。

2 巷道变形原因分析及支护优化

2.1 原支护存在问题分析

通过对巷道支护效果进行现场调查，发现原巷道支护存在以下问题：

（1）锚索长度不足。由于巷道沿底板掘进，煤层厚度变化大，锚索未能锚固在深层稳定岩层内。

（2）支护密度不够，支护强度不足。巷帮仅使用了锚杆支护，未布置锚索，帮部变形严重。

（3）支护失效现象普遍。由于围岩破碎，普通锚杆、锚索支护后预紧力损失严重，未能实现对围岩的主动支护，使得巷道围岩持续变形失稳。

（4）巷道掘进方式影响。由于巷道沿煤层底板掘进，巷道顶板存在顶煤，采动影响下顶板变形破碎严重，出现大范围支护构件失效现象。

2.2 围岩变形控制思路

针对存在问题，提出了注浆锚索强力支护技术。通过增大锚杆索的预紧力，实现主动支护；通过注浆锚索对围岩进行注浆改性，将围岩裂隙封堵粘结，保证预紧力扩散效果，变被动支护为主动支护，实现预应力全长锚固，改善围岩控制效果。注浆锚索支护具有以下特点：

（1）改善围岩力学性能

煤系地层由于属于沉积岩，岩性普遍较软，同时内部富存节理裂隙。煤层巷道受扰动作用，易发生变形破坏。通过注浆锚索对围岩注浆，可显著提升岩体的刚度和抗剪能力，从而保证在受扰动影响时变形较小。

（2）降低围岩松动圈范围

巷道开挖后，围岩应力环境发生改变，由三向应力向二向应力状态转变，受开挖卸荷作用，巷道浅部围岩变形破坏，形成围岩松动圈。围岩松动圈的产生，表明围岩的承载性能不足以承受所处环境的集中应力作用，围岩发生了变形破坏。通过注浆对围岩进行加固，其承载能力得到提升，巷道围岩不再变形破坏从而降低了围岩松动圈范围，保证巷道的稳定性。

（3）避免风化作用

通过注浆液对岩层裂隙进行封堵，限制岩体同空气接触，可避免巷道围岩内部受风化影响力学性能降低。

（4）实现主动支护

巷道围岩通过使用注浆锚索注浆加固，围岩的承载能力显著提升，同时松动圈范围明显降低，可保证支护附加应力场在围岩内的扩散，保证岩体与支护体形成整体承载结构，达到主动支护效果，使巷道顶板稳定而不易产生破坏。

2.3 支护参数优化

基于前文对原支护存在问题的分析，根据围岩变形控制原则，提出了支护优化方案，如图2。

图2 支护优化方案断面图（mm）

由于原支护为普通锚杆、锚索支护，当围岩破碎时预应力传递效果差，易出现支护失效，对此通过使用注浆锚索加强对围岩的控制。

锚杆采用型号为Φ22 mm×2400 mm，间排距800 mm×800 mm。注浆锚索型号Φ22 mm×8500 mm，每排布置9 根注浆锚索，顶板注浆锚索间排距为1200 mm×1600 mm，帮部注浆锚索的间排距为1000 mm×1600 mm，每根锚索使用4 根Z2360 和1根CK2360 锚固剂，锚索锚固力不小于300 kN。

为实现对围岩裂隙的快速封堵强化，选用P.O 42.5 硅酸盐水泥作为注浆锚索的注浆材料，选用波密度37 的液体水玻璃（硅酸钠）为注浆材料的添加剂。水泥浆的水灰比为水:水泥（质量比）=1:1；水泥浆:水玻璃（体积比）=1:0.25～0.5。

3 围岩控制效果

为评价提出的支护优化参数对围岩的控制效果，在掘进工作面布置了巷道表面位移观测点，监测巷道掘成后的顶板下沉量、两帮移近量和底鼓量变化情况，监测数据整理如图3。

图3 巷道围岩变形情况

（1）随着测点距掘进工作面距离的增加，测得的巷道变形量逐渐增加，但趋势趋于稳定，在距掘进工作面30 m 处巷道变形量趋于稳定。待巷道变形稳定时，顶板下沉量为22 mm，两帮移近量为72 mm，底鼓量为24 mm。

（2）图3 中巷道围岩变形观测数据，表明采用注浆锚索对围岩进行强化支护后，巷道的变形得到有效控制，同原支护下巷道围岩变形量相比降低95%以上，表明提出的支护优化方案较为合理。

图3 试验巷道围岩移近曲线图

4 结论

（1）为解决金能煤业掘进巷道变形显著问题，针对巷道地质条件，对原支护方案进行了优化，提出使用注浆锚索改善围岩变形控制方案。

（2）采取优化支护方案后，现场观测数据显示巷道围岩变形得到有效控制，巷道变形量较小。同原支护相比围岩变形量降低了95%以上，表明提出的围岩变形控制技术适用性较好。