巷道过地质构造冒漏区围岩控制技术

2023-12-09徐自军申于甲

山东煤炭科技 2023年11期

王琛徐自军申于甲

（中检集团公信安全科技有限公司，山东枣庄 277100）

巷道在掘进过程中破坏了原岩整体稳定性，导致原岩内产生裂隙带[1]。随着应力持续作用，裂隙带贯通，对围岩产生剪切破坏，降低了原岩承载强度，形成围岩“松动圈”[2-4]。地层中发育断层的情况下，断层对原岩已造成了严重破坏。巷道掘进过程中遇到断层，断层的形成和巷道的掘进对原岩破坏的双层叠加，围岩形成破碎带，“松动圈”会加大，需要加强支护，才能安全穿过断层。目前国内外学者致力研究围岩破碎机理及控制技术，如崔慧鑫在“巷道冒漏区围岩安全支护技术应用”中提出了缩小支护间排距、增加柔性支护；苏楠在“特厚煤层巷道冒漏区顶板控制技术”中提到锚索吊棚支护等。但是多数学者研究的破碎、冒漏围岩控制技术仅局限于传统锚杆（索）等支护中，未从根本上对围岩应力消除、应力控制进行分析研究。由于传统的锚杆（索）支护主要利用锚固剂锚固作用悬吊在支护区围岩中，通过对杆体安装承载件并对杆体施加预应力[5]，形成连续稳定的应力梁结构，实现对围岩支护作用，但是在围岩“松动圈”中锚杆（索）锚固强度低、支护质量差、支护失效率高，达不到预期支护效果[6]。本文以乌化一矿9106 回风顺槽为研究背景，对巷道掘进期间顶板冒漏区采取“人工假顶、架棚、注浆锚索”等联合支护措施。

1 概述

乌化一矿9206 回风顺槽位于8206 采空区下部，东为辅助水平皮带上山，北为井田边界，距边界保护煤柱58.8 m，南为9206 工作面，西为实体煤。

9206 回风顺槽掘进长度为800 m，施工断面宽×高=4.2 m×3.5 m。9206 回风顺槽沿9#煤层底板掘进。9#煤厚1.7～2.2 m，平均1.9 m，含夹矸2～3 层，夹矸岩性多为黏土岩、泥岩和碳质泥岩，顶板岩性为灰黑色砂质泥岩，底板为砂质泥岩或砂质黏土岩。顶底板岩性见表1。

表1 9#煤层顶底板岩性表

9206 回风顺槽掘进至377 m 处揭露DF12 断层，断层落差为1.9 m，倾角为57°。巷道掘进369 m（距断层8 m）出现冒漏，冒漏带长度为4.2 m，宽度为3.5 m。冒漏区呈不规则半圆球状，最大冒漏高度为1.7 m，冒漏岩体以杂乱无章的泥岩、块状砂岩为主。冒落区位于断层上盘。

2 巷道冒漏机理

1）断层充填物不稳定。DF12 断层上下盘围岩稳定性差，受准备巷道掘进影响，断层区围岩应力重新分布，导致断层带附近围岩受牵引力影响出现失稳。同时，该断层主要为拉伸断层，在断层上下盘之间存在填充物，主要以不规则小块泥岩及砂岩为主，胶结稳定差，无法形成连续稳定的承载顶板，在外力作用下很容易发生矸石滑移。

2）集中应力影响。9206 回风顺槽在掘进至断层区时在断层区内形成集中应力区，集中应力主要以垂直应力为主，应力对断层两盘附近煤岩体产生剥离破坏作用。随着巷道掘进延伸，应力持续作用造成断层处岩体破碎垮落，并使巷道迎头岩体产生裂隙区[7]。

3）围岩“松动圈”影响。通过围岩窥视孔观察发现，巷道掘进距断层20 m 处时围岩产生裂隙带，并形成围岩“松动圈”。当巷道掘进距断层10 m 处时围岩“松动圈”范围达6.7 m，原顶板锚杆锚固段位于“松动圈”内，锚杆支护效果差，无连续稳定的承载梁结构及承载单元[8]。

4）围岩承载强度低。巷道掘进的9#煤层埋深为650 m，巷道沿煤层底板进行掘进。煤层顶底板主要以泥岩为主，煤层单轴抗压强度不足15 MPa，煤层以及顶底板岩体在高应力作用下承载强度低，巷道开挖后产生卸压破坏作用，导致围岩产生塑性变形[9]。

3 冒漏区围岩控制技术

3.1 冒漏区围岩控制

9206 回风顺槽掘进至369 m 处顶板出现冒漏，巷道掘进前需对冒漏区围岩进行控制。冒漏区处理方案为：补打密集组合锚索→冒漏区内补打单锚索→施工人工假顶→注浆填充→架设U29型钢棚。

1）在距冒漏区10 m 处开始补打密集组合锚索，主要防止受冒漏影响附近围岩出现牵引垮落。每排3组组合锚索，布置间距为2.0 m，排距为3.0 m，共计补打4 排。每组组合锚索由3 根直径为21.8 mm 锚索组成，其中2 根长度为8.3 m，1 根长度为10.3 m。托盘采用异型拱形钢托盘，长度及宽度为0.5 m。

2）冒漏区外围组合锚索施工完后，将冒漏区下方矸石清理干净并搭设工作盘，采用锚索钻机向冒漏区内补打单锚索。锚索长度为5.0 m，直径为17.8 mm，补打锚索数量以冒漏区范围大小而定。锚索补打后安装钢筋网、托板并预紧。

3）单锚索施工后对冒漏区进行人工假顶施工。首先在冒漏区下方施工4 架锚索吊棚，每架锚索吊棚长度为3.8 m，由工字钢梁和3 根锚索组成。锚索吊棚垂直巷道走向布置，布置间距为1.5 m，第一架锚索吊棚布置在距冒漏区边缘0.5 m 处。锚索吊棚施工完后在其上方依次铺设钢筋网、风筒布、道木，并对吊棚进行预紧，最后对冒漏区内注射罗克休膨胀剂。如图1。

图1 冒漏区人工假顶支护剖面示意图（mm）

3.2 过冒漏区后围岩控制

冒漏区控制后巷道继续掘进，为了防止断层区顶板再次出现连续冒漏现象，在365～400 m 段顶板采取“超前管棚+注浆锚索棚+U29型钢棚”联合支护，如图2。

图2 9206 回风顺槽断层区联合支护示意图（mm）

3.2.1 超前管棚支护工艺

断层区顶板岩体抗载荷能力差，承载强度低，通过对工作面顶板施工超前管棚体，形成连续稳定的梁效应结构，从而防止超前应力作用导致顶板破碎、垮落事故发生。

1）超前管棚支护体采用无缝钢管焊制而成，管棚中部为中空，端头为削尖实芯结构。管棚支护体长度为3.0 m，外径为30 mm，内径为20 mm，削尖实芯长度为0.5 m。钢管壁均匀布置3 排卸压小孔，每排布置5 个，卸压小孔直径为8 mm。

2）采用手持式钻机进行管棚支护孔施工。巷道迎头每排布置15 个孔，孔间距为0.3 m，钻孔开口位置距巷道设计顶板0.2 m。所有钻孔以3°仰角布置。

3）钻孔施工完后安装管棚支护体，安装后巷道方可继续掘进。掘进时托顶施工，每掘进0.8 m在管棚支护体下方施工一排锚杆（索）支护。

3.2.2 注浆锚索棚施工

1）与传统单锚索支护相比，注浆锚索支护实现了注浆与锚注协同支护，通过注浆对钻孔壁破裂岩体进行填充、黏接，提高围岩韧性及抗载荷能力[10]。同时，注浆液能够使锚索支护体与孔壁岩体胶结为一体，实现锚索全锚支护作用，即缩短了传统注浆、锚杆（索）施工时间，又提高了锚索应力梁支护作用。

2）注浆锚索长度为8.0 m，直径为28 mm，采用9 股直径为7 mm 反麻花钢丝组成，如图2（c）。锚索中部安装一根直径为14 mm 无缝中空钢管，钢管延伸至注浆锚索底端1.5 m 处，注浆锚索底端布置主注浆孔和辅助注浆孔。锚索延展率为16%，屈服强度为650 MPa。

3）梯形棚由2 根圆钢、9 根螺纹钢和3 块托板组成，如图2（b）所示。圆钢长度为4.0 m，直径为20 mm，螺纹钢长度为0.5 m，直径为15 mm。圆钢与螺纹钢焊接成梯形结构，在梯形架上均匀焊制3 块托板，托板长度及宽度为0.3 m，托盘中部布置一个直径为30 mm 锚索支护孔。

4）注浆锚索棚施工工序如下：施工锚索支护钻孔（孔深为8.0 m，直径为30 mm）→锚注注浆锚索→安装梯形棚→注浆施工。注浆材料采用聚氨酯有机化学注浆材料，该材料主要由聚氨酯预聚剂和催化剂等部分组成。注浆锚索棚布置排距为3.0 m。

3.2.3 架棚、喷浆支护

1）DF12 断层区长度为40 m，断层区顶板支护后在365～400 m 段安装U29型钢棚。钢棚由棚腿、弧形顶梁、拉杆组成。棚腿及顶梁采用U29型钢焊制而成，棚腿长度为3.5 m，每节弧形梁长度为2.3 m，每节弧形梁端头为“L”型弧形结构。2 节顶梁搭接长度为0.2 m，顶梁与棚腿之间搭接长度为0.4 m，搭接处采用双组卡缆进行预紧。

2）U29型钢棚布置间距为0.7 m，断层区共计安装50 架。钢棚安装后保证顶梁与顶板接触严实，如顶板破碎区无法实现顶梁完全接顶时采用水泥背板填充。

3）待所有钢棚架设完成后从365 m 处开始对巷道表层全覆盖喷浆施工。喷浆主要作用是利用混凝土凝固后具有刚强度黏结固化作用，可将巷道永久支护与围岩黏结为一体形成一定厚度的圆拱梁结构，从而共同承载围岩应力。喷浆混凝土采用水泥、细沙、石墨以1:2:2 混合而成，喷浆厚度为150 mm。

4 实际应用效果分析

9206 回风顺槽过断层区采取联合支护技术后，从经济效益、围岩控制等方面分析了实际取得的应用效果。

4.1 经济效益

通过对DF12 断层区采取联合支护后巷道顶板沿锚杆（索）支护失效现象、围岩变形、破碎现象得到了明显控制，避免了巷道二次复修工程量及工程费用，预计可减少失效锚杆（索）补打支护费用、修巷费用、人工费用达24.2 万元。

4.2 控制了围岩变形现象

为了对比分析联合支护围岩变形情况，在巷道380 m 处布置一个测点，测点顶板上安装一台YH-300 型顶板离层仪，两帮布置红外位移监测仪，通过30 d 现场观察，观察结果如图3。

图3 联合支护后断层区围岩变形曲线图

联合支护后在0～10 d 范围内两帮移进量、顶板下沉量呈直线上升趋势，顶板下沉量为140 mm，两帮移进量为175 mm。在10～20 d 范围内围岩变形速率降低，20 d 后围岩变形趋于稳定，顶板最大下沉量为180 mm，两帮最大移进量为250 mm。

4.3 降低了支护失效率

采取联合支护前由于围岩破碎严重并形成围岩“松动圈”，导致顶板锚杆（索）支护失效率达19%。采用联合支护技术后，控制了围岩变形、下沉、冒漏现象，控制了围岩“松动圈”范围扩大，提高了围岩承载强度，围岩内支护失效率降低至3%以下，强化了冒漏区支护质量。

4.4 提高了巷道掘进效率

联合支护前传统锚杆（索）支护对断层区围岩变形现象控制效果差，巷道每掘进5.0 m 需对后方10 m 范围内顶板及两帮围岩进行修复并二次补强支护，导致巷道掘进效率低。现场观察发现过冒漏区前期巷道掘进量不足1.8 m/d。采用联合支护技术后，强化了施工工序，降低了巷道二次修复施工工程量，后期过断层应力区掘进效率提高至5.4 m/d。