软弱破碎围岩煤层巷道支护技术应用分析

魏治刚

（山西王家岭煤业有限公司，山西 忻州 036604）

在巷道过破碎围岩的条件下，由于受断层构造应力的影响，断层区域内围岩完整性受到破坏，矿压显现剧烈，仅靠单一的支护方式不能满足控制巷道围岩变形的要求，严重影响着巷道的稳定性以及矿井的安全生产。长期以来，国内外学者对过断层巷道的围岩控制技术做了大量的研究。唐辉雄等[1]，采用数值计算软件对各支护方案下断层破碎带处围岩的变形进行了模拟，并得出了围岩变形特征；张艳军[2]，根据断层破碎带处围岩地质情况，提出了联合支护技术加固围岩，并取得了显著成效；张继龙[3]，采用数值模拟与现场实践相结合的方法，对深井高应力破碎软岩巷道过断层提出了“金属网、U 型钢拱支架、喷浆、注浆和锚索”的综合支护方式，保证了巷道围岩的稳定性。本文以同宝煤业15106 运输顺槽过破碎围岩段为工程背景，通过分析断层构造区域范围内巷道围岩变形原因[4-5]，确定合理的支护技术方案，以期降低施工风险。

1 工程概况

山西同宝煤业15106 工作面开采15 号煤层，煤层节理发育，结构中等，煤层中部夹一层0.35～0.85 m 的碳质泥岩。15 号煤层平均厚度5.7 m，平均倾角13°，煤层厚度变化不大，属较稳定煤层。煤层顶板为泥岩和粉砂岩，底板为粉砂岩和砂质泥岩，煤层顶底板情况如表1 所示。

表1 煤层顶底板情况

15106 运输顺槽全长1 100 m，巷道为矩形断面，净宽5.0 m，净高度3.5 m。受复杂地质条件的影响，该顺槽约200 m范围内巷道围岩变形严重，顶板下沉量达600 mm，两帮移进量达500 mm，且部分区域内锚杆索出现断裂、托盘压翻等现象，需对该运输顺槽变形严重段进行加固处置，以确保井下的安全生产。

2 围岩变形破坏分析

1）地质构造影响。通过现场地质勘察，工作面掘进期间揭露6 条正断层，断层落差范围为0.5～1.7 m，断层最大影响范围为20 m。这些断层破坏了巷道围岩的完整性，该运输顺槽在断层构造的作用下部分地段的围岩较破碎，从而造成该区域内巷道围岩的强度较低。

2）围岩强度影响。巷道的直接顶为泥岩，单轴抗压强度约50.5 MPa，强度较低，同时，泥岩易吸水膨胀，直接顶范围内的泥岩是巷道围岩的变形破坏的重要因素。

3）地应力影响。选取破碎围岩严重段的地应力作为测点，破碎围岩严重段所受地应力大小和方向如图1 所示。

图1 地应力大小和方向

由图1 知，巷道的走向为正东西方向，最大水平主应力与回采巷道的夹角为45°。剪切破坏面与水平面夹角为，通过做莫尔圆与抗剪强度间的关系图可得巷道的顶板围岩破坏角度范围为41°～60°，巷道的走向为正东西方向，在最大水平主应力和最小水平主应力的作用下，巷道顶板岩石会在41°～60°范围发生剪切破坏，破坏角度范围平行于该运输顺槽。这种情况对巷道围岩支护十分不利，是围岩变形破坏的主要原因。

3 优化支护方案

3.1 巷道原支护方案

巷道原支护方案为：巷道的顶板选用直径22mm，长度2 400 mm 的左旋螺纹钢锚杆，锚杆均与顶板垂直，锚杆间排距为900 mm×1000 mm，锚杆螺母预紧力矩不低于300 N·m，锚固力为190 kN；锚索采用φ20 mm×5 300 mm 预应力钢绞线锚索，间排距为1 800 mm×2 000 mm，选用180 mm×180 mm×12mm 的球形钢板托盘，施加预紧力不小于300kN，保证锚索锚固端深入稳定岩体中不小于1 m；两帮选用直径22 mm，长度2 400 mm 的左旋螺纹钢锚杆，锚杆均与帮部垂直，两帮锚杆的间排距为950 mm×1 000 mm，锚杆螺母预紧力矩不得低于300 N·m，锚固力为160 kN；在巷道的顶板、两帮均铺设六边形金属网，规格分别为长×宽=5 500 mm×1 100 mm、长×宽=2 900 mm×1 100 mm，钢筋网的搭接长度为50 mm，同时使用16 号双股联网丝进行连接，联网丝的扭结大于3 扣，联网距小于200mm。从支护方案可以看出，锚杆长度为2400mm，锚杆的锚固区处于泥岩中，在该区域内锚杆只对剪切应力起作用，并不能完全发挥锚杆的支护作用，支护效果不佳。

3.2 注浆加固方案

在围岩进行注浆前，先对围岩进行扫喷，封闭裸露处的围岩表面。顶板注浆孔的间排距为1 600 mm×2 000 mm，注浆孔采用“4-3-4”进行布置，注浆孔的直径为36 mm，深度为8 000 mm。巷道帮部注浆孔的间排距为2 000 mm×2 000 mm，每排2 个孔，注浆孔的直径为36 mm，深度为7 000 mm。底板注浆孔的间排距为2 000 mm×2 000 mm，每排2 个孔，注浆孔的直径为36 mm，深度为6 000 mm。采用凿岩机打设注浆孔，注浆孔与巷道围岩表面全部垂直。在注浆孔内埋设射浆管进行一次性全钻孔注浆，注浆压力为6.0 MPa。采用水泥- 水玻璃双液浆的注浆材料，水灰比为0.8，水玻璃的浓度为50Be′，模数为3.0，水玻璃与水泥浆液的体积之比为0.5:1[4-8]，注浆孔布置如图2 所示。

图2 注浆孔布置

3.3 锚杆（索）加固支护方案

巷道顶板支护：巷道顶板采用CRM500φ22-M24-2400 的强力锚杆。锚杆打设时需使锚杆与顶板相互垂直，锚杆的间排距设计为900 mm×900 mm，每排5 根。锚杆螺母预紧力矩大于400 N·m，且不超过500 kN，同时锚杆配合使用3.8 m 的钢带进行加强支护。巷道顶板锚索采用SKP22-1/1860/8300 强力锚索。锚索采用“2-3-2”方式进行布置，锚索两根时，间排距为1 800 mm×1 000 mm；锚索三根时，间排距为1 700 mm×1 000 mm。锚索作业时需使锚索与巷道顶板相互垂直进行打设。巷道两帮支护： 巷道两帮采用CRM500φ22-M24-2400 的强力锚杆，间排距为950 mm×1 000 mm；巷道左、右帮处锚杆均打设4根，左右两帮锚杆对称布设。巷道两帮采用SKP22-1/1860/4300 强力锚索进行加强支护。锚索作业时需使锚索与巷道帮部相互垂直进行打设，锚索的间排距设计间排距为2 000 mm×2 000 mm，每排共打设2 根，左右两帮锚索对称布设。其他支护技术材料、参数同原支护方案。

4 应用效果

在巷道掘进施工过程中采用“十字布点法”进行巷道围岩变形监测，同时采用两点式顶板位移测定仪以及多点位移计来进行巷道顶板离层量的测量，顶板离层仪基点安装深度为4 m、8 m，巷道围岩变形曲线及离层量如图3 所示。

图3 巷道围岩移近量和离层量曲线

由图3 可以看出，在15106 运输顺槽掘进完成的前7d，巷道顶底板及两帮的围岩变形速率度不断增大，之后逐渐趋于稳定。巷道顶板最大下沉量约为30.7 mm，巷道两帮围岩变形最大约为23.8 mm； 在顶板4 m 范围内，顶板离层量累计3.7 mm，离层平均速率为0.36 mm/d；在顶板4～8 m 范围内，顶板离层量累计6.2 mm，离层平均速率为0.63 mm/d，围岩控制效果较好。

5 结语

以同宝煤业15106 运输顺槽过围岩破碎段为工程背景，对过围岩破碎段巷道的围岩控制与支护技术进行了详细探讨，采用了“注浆+ 锚杆索”优化支护技术方案。该方案应用后表明，15106 运输顺槽掘进期间，顶板最大下沉量约为30.7 mm，巷道两帮围岩变形最大约为23.8 mm，浅基点处顶板离层量累计3.7 mm，深基点处顶板离层量累计6.2 mm，围岩变形已得到有效控制。