山西水峪煤矿连续断裂构造区域巷道支护方案

杨　春

(山西汾西矿业集团水峪煤业有限责任公司)

断裂构造区域岩石破裂程度高、遇水膨胀、力学性能复杂，位于断层附近的巷道变形较严重，易造成冒顶事故、巷道支护成本高、矿压显现强烈、掘进进度很慢、支架复用率降低[1-5]。因此，巷道穿越断层支护是目前煤矿巷道支护的难题之一。山西水峪煤矿矿井受NE向展布的F4、F2、F3断层及NW向展布的方庄断层和冯营断层的切割和制约，使得区内煤系地层形成了地堑、地垒和阶梯状的构造形态，多为单斜构造。该矿五级轨道二横贯硐室位于五级轨道巷下山和五级机轨合一巷下山之间，中部有煤层穿过，围岩破碎，裂隙发育，巷道全长33.4 m，沿煤层顶板掘进，砂质泥岩平均厚度为6.6 m，直接顶为粉砂岩，平均厚度为4.4 m，直接底以泥岩为主。-400 m 水平运输大巷布置于岩层中，巷道位于二1煤层顶板岩巷内，与二1煤层间距达98～101 m。该巷道局部顶板破碎，扩修时需加强顶板管理，巷道周围无临近巷道。巷道掘进期间穿过F2小庄断层、F2-2断层和F2-1断层，三者为平行展布的分支断层，为延伸长约2 km、走向约37°、倾向127°、倾角70°的高角正断层，落差为30 m。由于受到断层影响，且断层附近巷道围岩破碎，巷道变形严重，现有的U型钢柱腿变形较大，锚杆、锚索被剪断，影响到了机车正常通行。本研究以该矿五级轨道二横贯硐室和-400 m水平运输大巷为例，对巷道围岩支护方案进行设计，并对相应的支护参数进行计算取值。

1　支护计算分析

根据文献[6]中巷道围岩破坏计算公式，以矿井-400 m水平巷道原支护为例，计算巷道在无支护和有支护条件下的塑性区半径和破碎区半径，为巷道支护方案设计提供可靠依据。该巷道围岩参数如表1所示。

表1　巷道围岩物理参数

计算表明：巷道在无支护和有支护的条件下，巷道围岩的塑性区半径分别为5.932，2.298 m；围岩破碎区厚度分别为1.747，0 m；矿压显现主要表现在下盘岩层巷道，大倾角巷道支护体破坏或变形区域均位于破碎带内或下盘盘面处，并且平行应力显现较为突出；巷道锚固体强度提高后，围岩应力也随之改变，巷道围岩的破裂区半径和塑性区半径大幅度减小，巷道有必要采用锚网索与封闭支架相结合的刚性支护方案，锚杆长度不宜小于1.747 m。

2　支护方案及参数设计

根据本研究巷道围岩特征以及相关计算分析，设计采用锚网索喷+U型钢可缩性支架+注浆的联合支护方案。锚杆、锚索与围岩注浆工艺联合使用，可以使得巷道围岩组合成一个封闭拱，进而达到强化巷道加固质量的目的[7-9]。围岩注浆加固改变了巷道围岩的力学性质，注浆管与孔壁产生的摩擦剪应力可以防止围岩发生变形，长锚索能够对围岩进行加固，3种工艺联合应用可有效确保闭合拱形成一个强大的承载结构，抵御围岩变形[10]。

2.1　锚杆参数

锚杆采用左旋高强锚杆，使巷道岩层形成一个锚固层，来阻止围岩出现张开裂隙和裂纹[11-12]。锚杆选用φ22 mm×2 400 mm左旋高强锚杆。螺纹锚杆杆体设计方向与搅拌树脂药卷方向相反，在该过程中，搅拌树脂药卷可以产生轴向挤压力，同时在药卷推向钻孔深部的过程中对药卷施以较大压力，使得锚固剂挤入钻孔裂隙中，可以有效提高锚杆的拉拔力。锚固剂选用φ28 mm树脂药卷，每种药卷各1支，装药卷速度不宜过快，将药卷推送至锚孔底部后，再搅拌20～35 s，停留等待时间不小于8 min，方可预紧锚杆，岩巷锚杆预紧力为120 N·m，锚固力为64 kN。

为有效控制巷道围岩，需要将托梁、托盘和金属网进行联合使用。托梁是由φ12 mm圆钢焊接而成的钢筋梯子梁，规格为2 900 mm×100 mm(长×宽)和1 500 mm×100 mm(长×宽)。钢筋梯子梁必须紧贴岩体面，确保良好的锚固效果。托盘的承载能力应适应锚杆的力学性能。在支架背后铺设经纬金属网，经纬网采用φ6 mm钢筋焊制，规格为1 500 mm×600 mm(长×宽)，网格规格为50 mm×50 mm(长×宽)；铺设时，网格规格为100 mm×100 mm(长×宽)，网应压茬连接，搭接长度为100 mm，相邻两块网之间采用10#铁丝连接，连接点应均匀布置，间距为200 mm，挂网时，横筋向外，竖筋向内。

2.2　锚索参数

锚索采用φ18.9 mm×9 000 mm钢绞线配合锁具、托盘制作，锚索长度视围岩裂隙发育情况以及施工质量而定。结合巷道围岩条件及变形情况，需沿巷道均匀布置若干个锚固断面，每排布置3根锚索，拱部3根锚索呈扇行分布，外端用槽钢连接，形成连锚结构(巷道拱部采用联锚式小锚索，两侧用单锚式大锚索)。根据围岩破碎情况，锚索有效长度不小于6 000 mm，外露部分长度不大于100 mm，锚索间距为1 500 mm，排距为2 500 mm，每孔使用4根树脂锚固剂固定(眼底2根锚固剂型号为K2360，外侧2根锚固剂型号为Z2360)。锚索预紧力为50 MPa，锚固力不宜小于200 kN/根。托盘为正方形，规格为150 mm×150 mm(长×宽)，用厚为10 mm 的钢板压制成弧形，承载力不小于157 kN。

2.3　注浆参数

在巷道开挖过程中或巷道通过围岩破裂带过程中向巷道围岩裂隙或空洞中注入配置的水泥浆液，水泥浆液固化后充填了围岩空洞和裂隙，有助于提高围岩完整性，增加围岩强度，可进一步提高围岩的承载能力[13]。

(1)喷浆。由于巷道穿过围岩破裂带，巷道围岩表面存在较多裂隙，为有效防止注浆过程中发生“跑浆”现象，在进行中深孔注浆前需要对巷道围岩表面进行喷浆，堵住跑浆裂隙通道，提高注浆效果。巷道围岩表面喷浆应满足表面平整、均匀等要求，不能出现“厚此薄彼”的现象。

(2)中深孔围岩注浆。进行中深孔喷浆前，有必要确定巷道围岩裂隙带范围，从而设计出适宜的喷浆孔参数(包括喷浆孔深度、间排距等)，并根据现场注浆效果及时调整喷浆钻孔参数。根据本研究计算可知，在无支护情况下，巷道破碎区半径为4.247 m，塑性区半径为5.932 m，据此初步确定注浆范围在围岩周边3～4 m深度以内，故可沿巷道加固段全长按3～4 m划分为1个注浆段，根据围岩变形情况及时调整注浆参数。巷道围岩破碎严重时，每段布置8个注浆孔，顶部2个，两拱肩各1个，U36型钢底角15°处各布置1个，底板2个。巷道顶部和两帮围岩完整而底板破碎时，考虑到巷道围岩体内裂隙欠发育，注浆效果不明显，故仅对底板进行注浆施工，巷道两帮及顶板进行锚杆+锚索联合支护。注浆管可采用注浆复合锚杆，用无纵筋螺纹钢制造，注浆后作为锚杆使用，直径25.5 mm，长度3.1 m，注浆孔直径32 mm，注浆压力1.5～2.0 MPa，注浆孔排距3.2 m，间距根据围岩破碎情况确定为2 m[14]。

3　支护效果

试验巷道长33.4 m，1#测点布置于距五级机轨合一巷5 m处，2#测点布置于二横贯避难硐室中间处，3#测点布置于距五级轨道巷5 m处。采用巷道断面中腰线十字交叉法布置测点，分别对同一断面上巷道顶底板移近量及两帮移近量进行监测，结果见图1、图2。

图1　巷道围岩移近量

图2　巷道围岩移近速率

分析图1、图2可知：经过100 d巷道围岩变形观测，1#测点巷道顶底板移近量、两帮移近量分别为130，29 mm，2#测点巷道顶底板移近量、两帮移近量分别为117，27 mm，3#测点3巷道顶底板移近量、两帮移近量分别为132，31 mm；巷道开挖支护后70 d左右围岩变形区域逐渐稳定，围岩总体变形速率较小，后期的变形速率顶底板平均为0.16 mm/d，两帮平均为0.04 mm/d，表明巷道变形已经趋于稳定，本研究巷道支护方案对于围岩稳定性的控制作用得到了有效体现。

4　结　语

结合山西水峪煤矿五级轨道二横贯硐室和-400m水平运输大巷的地质条件，设计了锚网索喷+U型钢可缩性支架+注浆的联合支护方案。该方案采用巷道锚网索支护和封闭支架刚性联合支护工艺将巷道围岩的破裂区域和塑性区域变形进行有效控制，即采用锚杆、挂金属网和喷射混凝土工艺对地层破裂区域的围岩变形进行控制，增强地层破裂区域围岩的整体效应；应用锚索支护工艺可将地层破裂区和塑性区内的围岩岩层进行紧密联结。巷道稳定性监测表明，巷道顶底板、两帮移近量以及两者的移近速率随着监测时间推移，均呈现出显著降低趋势，说明采用本研究支护方案后，巷道围岩变形得到了有效控制。

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