马兰矿10505工作面低抽巷松散软弱围岩控制技术研究

崔海军

(西山煤电集团有限责任公司马兰矿,山西 太原 030205)

我国是以煤炭为主要消费能源的产煤大国，煤炭支撑着国民经济的快速发展，随着煤炭开采强度的持续增加，国内中东部浅埋、易采煤层已逐渐开采殆尽，煤炭开采面临的条件日益复杂化[1]。长期以来，矿井瓦斯事故一直是矿井灾害中发生频率、伤害程度最大的[2]。目前，瓦斯抽采成为我国高瓦斯矿井、煤与瓦斯矿井工作面开采前的首要工作，其中，工作面布置低抽巷进行瓦斯作为一项治理瓦斯的手段应用较为广泛[3]。

随着煤炭开采条件的恶化，深井巷道、软岩巷道围岩大变形情况日益突出[4-5]，其中，软岩巷道具有自稳时间短、持续、快速大变形等特点，巷道维护相对困难。而低抽巷围岩稳定能够有效保障其持续安全抽采瓦斯，保障工作面安全正常生产，因此，矿井对底抽巷断面尺寸要求、围岩表面收敛情况都有着明确规定和要求[6]。马兰矿10505工作面低抽巷围岩松散软弱，易大变形，为保障试验巷道服务期间，其断面尺寸、变形发育情况满足瓦斯抽采要求，本文以10505工作面低抽巷松散软弱围岩为研究对象，通过分析软岩巷道变形规律，揭示软岩巷道失稳及稳定控制路径，开发马兰矿10505工作面低抽巷松散软弱围岩控制技术，研究成果可为类似条件巷道围岩控制提供借鉴。

1 工程背景

马兰矿位于山西古交(图1)，位于低山区，整体呈西南高、东北低，年产400万t。10505工作面回采山西组02煤层，平均厚度2.00 m；上部存在0.2 m伪顶；直接顶为粉砂质泥岩，遇水易变软，厚度在2.2～4.7 m之间，平均3.4 m；基本顶为强度较大的粉砂岩，平均厚度3.1 m；基本底为2.6 m的细砂岩，瓦斯含量较高，为此，马兰矿计划布置低抽巷进行10505工作面瓦斯抽采，10505低抽巷布置在松散软弱围岩，属软岩巷道，断面宽4.8 m，高2.8 m。

图1 马兰矿地理位置图

2 软岩巷道变形规律特征

软岩巷道包括工程软岩巷道和地质软岩巷道，该类巷道围岩具有明显的流变现象，易失稳，支护不当极可能导致巷道大变形，在提出软岩巷道围岩控制技术之前，首先进行分析软岩巷道的变形特征，图2给出了几条软岩巷道现场变形照片，从图中可以看出软岩巷道围岩变形情况十分严重。

下面总结了几条软岩巷道变形特征：

(1)自稳时间短：巷道掘出后，若不及时进行支护，几个小时、甚至几十分钟巷道就开始失稳。

图2 软岩巷道现场变形照片

(2)持续、快速大变形：软岩巷道具有变形时间长、速度快、变形大等特点，普遍存在持续变形时间高达半年以上、变形量高达1 m以上、变形速度高达50 mm/d以上。

(3)底鼓剧烈：剧烈底鼓诱发巷道两帮出现台阶式变形，顶板冒落，最终导致巷道失稳灾变，因此软岩巷道底板支护尤其关键。

(4)不适用刚性支护：由于变形量大，围岩自身承载能力低，刚性支护易损坏。

由于刚性结构支护的不适用，预应力锚杆(索)支护成为目前软岩巷道柔性支护的首选。

3 软岩巷道控制技术

3.1 软岩巷道稳定控制原则

(1)协调变形原则：协调支护结构承载变形与围岩变形完整性，降低碎胀变形量，适应巷道来压时的应力变化。

(2)一体化原则：支护结构-围岩一体化，通过优化设计支护参数，促使支护-围岩形成整体承载结构，一体化承载。

(3)局部强化原则：现场工程应用时，局部薄弱区域，如断层、褶曲等构造附近，采用加强支护，避免局部诱发巷道整体灾变。

3.2 软岩巷道稳定控制思路

(1)强化软岩岩体承载性能

围岩注浆强化。采用水泥浆液(水灰比1：1.5)注浆提高软岩岩体承载性能，形成高强度锚固体，降低岩体碎胀变形能力，选择急增阻高承载中空注浆锚索实现锚注一体化，水泥浆液通过注浆芯管，渗透软岩巷道围岩裂隙，黏结松动围岩，改善巷道围岩条件，显著提高其自承能力，能够减少围岩锚固力的衰减，实现一次强化围岩。

(2)高强度护表+“三高锚杆”+预应力锚索

“三高锚杆”(高强度、高刚度、高预紧力)进一步强化思路(1)中形成的高强度锚固体，高强度护表材料约束巷道浅部围岩碎胀变形(片帮、顶板局部脱落的现象)，限制破裂岩体的剪切滑移变形，实现二次强化围岩；预应力锚索将巷道浅部围岩高强度锚固体与深部岩体锚固成一体，实现多次强化支护。

(3)混凝土厚喷层防风化+支护结构合理补偿

混凝土厚喷层50 mm封闭围岩，进行巷道矿压显现观测，进行局部加强支护，采用大直径锚索+三高锚杆及时修复所损坏的支护结构，避免巷道出现大变形现象[7]。

3.3 控制技术

马兰矿10505工作面低抽巷松散软弱围岩控制技术主要包括围岩注浆强化、高强度护表+“三高锚杆”+预应力锚索加强支护、混凝土厚喷层封闭岩层3部分组成，具体如下：

(1)围岩注浆强化

采用水泥浆液(水灰比1：1.5)注浆，注浆孔直径30 mm，长度2 m，间排距1.4 m×1.8 m，急增阻高承载中空注浆锚索规格L4.3 m×Φ22 mm，配规格150 mm×150 mm、厚15 mm蝶形托盘，顶板间排距1.4 m×1.6 m。

(2)高强度护表+“三高锚杆”+预应力锚索

①顶板支护：锚杆规格为L2.2 m×Φ22 mm左旋高强锚杆，间排距 0.8 m×0.8 m，配规格150 mm×150 mm、厚15 mm蝶形托盘，采用6 mm双筋梯子梁链接；锚索规格为L6.3 m×Φ21.6 mm， 采用2-1-2布置，间距2.2 m，排距0.8 m，配规格300mm×300 mm、厚20 mm蝶形托盘，采用M型钢带连接(厚3 mm)，钢筋网10#钢筋编制而成，规格4.8 m×1 m搭接而成[8]。

②两帮支护：锚杆规格为L2 m×Φ22 mm左旋高强锚杆，间排距 0.8 m×0.8 m，配规格150 mm×150 mm、厚15 mm蝶形托盘，采用6 mm双筋梯子梁链接；锚索规格为L4.3 m×Φ21.6 mm，间距 1.2 m×1.6 m，配规格300 mm×300 mm、厚20 mm蝶形托盘，采用M型钢带连接(厚3 mm)，钢筋网10#钢筋编制而成，规格3.0 m×1 m搭接而成。

③底板支护：锚杆规格为L2.2 m×Φ22 mm左旋高强锚杆，帮部一排，距底板0.2 m，角度15°，底板一排，距底角0.2 m，间排距 0.8 m，角度45°。

(3)混凝土厚喷层50 mm封闭围岩

图3 巷道支护断面

4 控制效果分析

马兰矿10505工作面低抽巷松散软弱围岩控制技术应用后，进行了巷道表面位移收敛情况观测，图4给出了巷道表面位移收敛与时间的变化曲线，从图中可看到试验巷道变形可分为迅速变形(平均变形速率2～3 mm/d)、缓慢变形(平均变形速率低于0.5 mm/d)两个阶段，其中巷道掘出后迅速变形约20 d后，巷道变形进入缓慢变形阶段，巷道左帮最大移近量约41 mm，右帮最大移近量约44 mm，顶板最大移近量约57 mm，底板最大移近量约33 mm，总体来看，巷道底鼓相对严重，但试验巷道在服务期内并未出现大变形，满足底抽巷服务要求，巷道围岩稳定控制效果较好[9]。

图4 巷道表面移近量

5 结 论

(1)分析得到了软岩巷道变形规律特征：自稳时间短，持续、快速大变形，底鼓剧烈，刚性支护易损坏等特点；提出了软岩稳定控制3个原则：①协调变形原则，②一体化原则，③局部强化原则；基于此，形成了软岩巷道稳定控制思路：①强化软岩岩体承载性能，②高强度护表+“三高锚杆”+预应力，③锚索混凝土厚喷层防风化+支护结构合理补偿[10]。

(2)开发了马兰矿10505工作面低抽巷松散软弱围岩控制技术：①围岩注浆+中空注浆锚索强化围岩形成高强度锚固体；②高强度护表+“三高锚杆”+预应力锚索二次强化围岩，促使浅部-深部岩体一体化；③混凝土厚喷层封闭围岩防风化+支护结构合理补偿。目前，该控制技术已成功应用于马兰矿10505低抽巷，矿压监测显示，试验巷道松散软弱围岩控制效果良好，可为类似软岩巷道、低抽巷围岩控制提供参考。