大断面软岩硐室围岩稳定性控制技术

任建国

(山西煤炭进出口集团 左权鑫顺煤业有限公司，山西 晋中 032699)

1 工程概况

鑫顺煤业为兼并重组整合矿井，当前矿井周边上层煤开采均已关闭，整合后的矿井生产能力为180万t/a。矿区15号煤层为全区稳定可采煤层，位于石炭系上统太原组，平均厚度为4.5 m，煤层顶板的砂质泥岩为灰黑色、水平节理、内含炭质，细砂岩为灰白色、以石英长石为主，石灰岩为灰黑色、块状、致密坚硬、裂隙发育，底板主要为灰黑色泥岩、中部含砂质。15号煤层是当前矿井生产煤层，其煤仓布置在15号煤层和其顶板中，与运输下山、联络巷相连，煤仓断面由多个硐室组成，总长度49.8 m，如图1所示，不同断面规格尺寸见表1。

图1 煤仓大断面硐室平面(mm)

表1 不同断面尺寸规格

2 大断面软岩硐室围岩破坏规律分析

15号煤层是当前矿井生产煤层，整合开采后其煤仓上部卸载大断面硐室承载能力和服务年限进一步增加，断面进一步扩大，尤其是1-1断面等大断面硐室，完全处于软弱岩层中，产生了一系列严重的问题：

1) 硐室断面增大后，由于围岩种类以砂质泥岩、灰岩居多，且岩层厚度大，加上生产能力加大后工作面开采强度大，导致硐室受采动影响剧烈，软弱围岩不能够有效承载动压影响，造成硐室围岩裂隙发育直至变形破坏[1]；

2) 整合改造后，硐室服务生产时间增长，原先充分发育的裂隙等宏观变形受时间效应影响进一步扩展，在软弱围岩得不到有效加固的情况下，变形持续时间长，累积变形量显著；

3) 煤仓构造结构复杂，由多个大断面单个硐室组成，单个硐室之间高度、跨度、连接方式多有不同，之间还存在有窄岩柱，受压状态下极易造成应力集中，给硐室支护带来困难[2]；

4) 随着生产时间的增加和开采区域的扩大，大断面硐室围岩受到的扰动越来越大，初期支护强度远不能满足围岩稳定性控制需要，单个硐室破坏则会引起连锁反应，相互扰动导致整体失稳。

3 煤仓大断面软岩硐室围岩控制技术

3.1 控制思路

根据大断面软岩硐室的破坏特点可知，围岩破坏原因主要有两点[3-4]：一是围岩强度较弱，不能承载较强的扰动影响；二是支护强度较弱，不能有效控制变形。针对以上两点原因，可以采取“主动支护+高强支护”的控制思路，针对大断面硐室断面和关键薄弱部位进行稳定性控制设计。首先，从围岩强度方面入手，可以通过注浆加固改善硐室围岩的整体承载力，还可以通过增设锚杆锚索将浅部围岩与深部围岩结合起来，形成坚固的承载体进行抵抗扰动影响；再者，通过调整原有锚杆索的支护预紧力、直径或长度对原支护方式进行增强，达到整体控制的目的；最后，对相对薄弱的部位，如拱肩、单个硐室连接处等部位采取专门加固技术，增设锚杆索或注浆加固。

因此，结合煤仓围岩控制现状，综合考虑施工难易、成本变化等方面，采取在大断面硐室进行补打锚索加强支护、对薄弱部位专门支护和整体注浆加固的方式，使大断面硐室围岩结构和支护体形成一个整体锚固结构，保证硐室围岩的整体稳定性。由于篇幅所限，本文仅对1-1大断面围岩控制技术进行介绍。

3.2 控制技术

3.2.1 1-1大断面软岩硐室加强支护

煤仓硐室1-1断面的原支护方案为：采用D22 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm；锚索为D22 mm×10 500 mm的钢绞线，间排距为1 600 mm×1 600 mm。采用原支护时，断面面积较大，围岩受扰动影响后破碎状态明显，未能形成有效的支护承载体，因此需要补打长锚索进行补强支护。补打的锚索为高强预应力钢绞线，规格为D22 mm×15 000 mm，预应力为300 kN，托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm，承载力不低于400 kN，间排距为3 200 mm×1 600mm，有效锚固长度为2 000 mm，如图2所示。补打长锚索后，硐室围岩形成三个有效的承载圈，共同起到控制围岩变形目的。

图2 硐室断面补打锚索示意(mm)

3.2.2 1-1大断面软岩硐室薄弱部位专门支护

由于1-1断面拱肩和拱顶位置易产生应力集中现象，需要对两处部位进行专门加强支护。专门支护强度需要提升较高等级，采用4根锚索制成的组合支护装置，单根锚索规格为D22 mm×15 000 mm，不同组的间排距为3 200 mm×3 200 mm，锚固剂为1支K2335、2支Z2360，每组采用一个托盘，规格为400 mm×400 mm×20 mm。如图3所示，组合锚索支护专门针对硐室薄弱部分，能够有效加强浅部围岩与深部围岩的整体性。

图3 薄弱部位加强支护示意(mm)

3.2.3 1-1大断面软岩硐室围岩注浆加固

针对1-1硐室围岩性质较为软弱的问题，采取对硐室围岩整体进行浅孔低压注浆加固技术。注浆材料为525标号超细水泥浆，水灰比0.8∶1～1∶1，气动单液注浆泵的注浆压力为2～3 MPa，注浆孔成“梅花”布置，间排距3.0 m×3.0 m，底角钻孔向下倾斜30°，拱角钻孔向上倾斜15°，其他钻孔与巷道表面垂直，孔径42 mm，孔深3.0 m，注浆顺序为采用自下而上，先底角、再两帮、最后顶角，注浆过程中严格控制注浆压力，防止出现喷层变形和破坏。

3.3 应用效果

1-1大断面软岩硐室在采用围岩控制措施后，针对围岩变形情况进行了跟踪监测，测站布置在大断面硐室断面的顶板上方、底板中央和两帮位置，选取其中的测站一和测站三的数据进行分析，监测结果如图4。由图4可知，在围岩控制措施实施的两周之内，围岩变形继续成剧烈变化趋势，两帮变形量和顶底板移近量均以较高速率增长，在20 d左右达到峰值，并趋于稳定，随着监测时间的继续增长，围岩变形量均保持在同一水平内，波动不大，最终顶底板移近量为120 ～140 mm，两帮移近量为100 ～110 mm，围岩控制效果较好，说明采取的稳定性控制措施是有效的。

图4 硐室围岩控制效果

4 结 语

1) 煤仓大断面软岩硐室断面大、围岩软弱是出现变形破坏的主要原因，大断面硐室破坏情况与断面面积和围岩强度成正比，围岩控制措施主要围绕改善围岩强度和加强支护强度进行。

2) 通过对1-1大断面软岩硐室采取加强支护、薄弱部位专门支护和围岩整体注浆技术后，对控制效果进行了监测，结果表明，围岩在经历20 d的变形破坏期后，最终顶底板变形量为120～140 mm，两帮变形量为100～110 mm，围岩控制效果良好。