塔山煤矿四盘区轨道大巷围岩破坏特征及控制技术研究

李金峰

（中鼎国际工程有限责任公司，江西 南昌 330000）

1 工程概况

塔山煤矿石炭二叠系煤层四盘区轨道大巷布置在5#煤层，井口相对标高1591 m，轨道大巷起点底板标高+908.334 m，自四盘区回风大巷H4 点前78 m 处至1070 西翼轨道大巷贯通点沿5#煤层顶板掘进。四盘区轨道大巷为直墙半圆拱断面，掘宽×掘高=4700 mm×4150 mm，净宽×净高=5200 mm×4000 mm。掘巷阶段临时支护采用机载前探支护，永久支护顶、帮采用Ф22 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，长度2600 mm，锚固力为190 kN，锚索Ф21.8 mm、长度6200 mm，锚固力为470 kN，预紧力为290 kN。如图1。

图1 四盘区轨道大巷掘进支护详情（mm）

2 四盘区轨道大巷矿压特征

2.1 围岩典型破坏特征

通过多次对四盘区轨道大巷进行实地调查测量，得到巷道表面变形量变化情况。在成巷约60 d后，底板多处出现明显的底鼓破坏，底鼓500～700 mm，两帮出现明显的内移变形，变形量400～550 mm，顶板下沉量相对较小，多为150～250 mm，表面变形量随着时间的延长而缓慢增大。在成巷约100 d 后，底板底鼓量增大为700～900 mm，两帮内移量增大为500～650 mm，顶板下沉量增大为200～300 mm，巷道底板和两帮表现为蠕变特征，导致断面收缩的主要破坏形式为底鼓大变形和帮部内挤。根据现场测量结果，对变形较严重的断面进行素描，得到巷道表面典型的破坏特征如图2。成巷约一年后，巷道侧帮挤压内移量最大可达到1.3 m，底鼓变形最大值可达到1.2 m，表面大变形已严重影响巷道的正常运输功能。四盘区轨道大巷不仅表现为表面的变形破坏，同样出现多处的锚杆、锚索、表面喷层支护体破坏。根据现场收集的破断锚索样品，锚索及构件的破坏形式主要可分为锚索托盘的卷曲、扭转、破断变形和锚索索体在距孔口1～1.5 m 处破断。

图2 四盘区轨道大巷典型破坏特征（m）

2.2 围岩裂隙发育特征

为掌握四盘区轨道大巷围岩内部破坏情况，在巷道顶板设置一个观测孔，采用钻孔窥视仪得到图3 所示结果。由图可以清晰地看出顶板岩层的完整性和破碎情况。顶板岩层深度0～5 m 范围内存在多处裂隙发育带，厚度多为0.2～0.5 m，岩石破碎较严重，局部存在明显的大裂缝；在深度5～8 m 范围内，岩石破碎带数量和厚度减小，存在一条破碎带，厚度约0.2 m。轨道大巷围岩松动破坏属于典型的大松动圈[1]，顶板深度3.3～3.8 m 处厚度达到0.5 m 的破碎带，对巷道围岩稳定造成较大危害。

图3 顶板窥视结果

在四盘区轨道大巷两帮施工钻孔，采用超声波探测法探测围岩内裂隙发育情况。结果表明，深度1 m 范围内超声波的传播时间差异较大，一些区域传播时间达到125 ms，有的区域仅为104 ms，说明局部围岩破碎严重，内部存在较多的裂缝、孔隙，导致超声波传播时间延长[2-3]；而在深度大于2.3 m后，4 个钻孔的超声波传播时间均明显增大，说明两帮深度大于2.3 m 处的围岩破碎严重。

3 轨道大巷分时分段双壳注浆加固技术方案

根据现场调研测量及分析结果可知，巷道围岩属于大松动圈破坏特征，表面变形量出现蠕变特性，因此设计通过浅部注浆+深部注浆提高围岩的完整性和强度。将松散破碎的浅部煤岩体胶结为一个整体，浆液以渗透充填方式为主，提高浅部围岩的自稳能力和抵御深部岩层荷载的能力；深部围岩采用注浆锚索进行高压劈裂注浆，起到改善围岩受力状态、提升支护结构稳定性的效果。其控制机理如图4（a）所示。注浆压力是围岩注浆加固的重要指标，根据四盘区轨道大巷埋深、围岩破碎情况，结合类似巷道围岩注浆加固的经验[4]，设计浅部注浆压力3 MPa，深部5 MPa。注浆锚杆规格为Φ22 mm×L2500 mm，注浆锚索规格为Φ21.8 mm×L6200 mm，锚杆注浆孔深2.55 m，锚索注浆孔深6.25 m，注浆材料采用P.C32.5复合硅酸盐水泥，水灰比为5:2。根据以往注浆经验确定锚杆扩散半径约为1500 mm，锚索注浆半径约为2500 mm。为使浆液扩散区域能够连接为一个整体，设计顶板及两帮注浆锚杆间排距为1000 mm×1000 mm，锚索间排距为1200 mm×1000 mm，底板注浆锚杆和锚索间排距为1800 mm×2000 mm。注浆锚杆锚索的具体布置形式如图4。返修加固段工序流程：1）扩修断面至原尺寸；2）帮顶注浆锚杆、锚索安装施工；3）底板注浆锚杆、锚索安装施工；4）全断面浅孔注浆；5）全断面深孔注浆。

图4 轨道大巷返修支护方案（mm）

4 应用效果

4.1 表面变形特征

四盘区轨道大巷采用分时分段双壳注浆加固技术返修施工后，在多处采用十字形布置表面位移观测点，通过约100 d 的监测得到顶板与底板、两帮的绝对移近量变化规律如图5。巷道围岩变形量在成巷50 d 内增大较快，在成巷50～80 d 内，开始缓慢的增大，成巷约80～100 d 后，表面变形量几乎无明显变化，顶底板相对移近量最终稳定在4～9 cm，两帮相对移近量最终稳定在3～8 cm，相对于返修前成巷100 d 时，顶底板、两帮变形量分别减小了88.5%、91.4%，表面变形量维持在较低水平，说明设计的加固方案能够有效抑制巷道表面的过度变形。

图5 巷道表面变形量变化曲线

4.2 轨道大巷矿压特征

四盘区轨道大巷采用分时分段双壳注浆加固技术返修施工后，采用钻孔窥视法及超声波探测法再次进行探测，整理得到图6 所示结果。图6（a）、（b）分别为返修前后顶板围岩窥视结果，注浆加固前围岩内存在明显的大裂隙，孔壁凹凸不平；而注浆后孔壁可以看到浆液的渗透、填充效果，孔壁光滑，围岩完整，表面顶板岩层整体性增强，稳定性提高。根据帮部超声波探测结果可知，两帮超声波的传播时间平均值约为60 ms，较返修前减小45.5%，深部大于1.5 m 后，超声波传播时间整体呈现减小趋势，表面深度大于1.5 m 后，围岩内裂隙数量显著减少，围岩稳定性、整体性提高。综上可得，通过深部、浅部注浆，有效降低了围岩内裂隙发育程度，松动破坏范围减小，围岩整体性、稳定性得到改善。

图6 围岩裂隙钻孔窥视结果

5 结论

塔山煤矿5#煤四盘区轨道大巷现场调研表明，大巷表面变形特征为底鼓大变形和巷帮严重内挤，顶板和两帮松动破坏范围较大，属于大松动圈破坏特征，提出采用分时分段双壳注浆加固技术进行返修。设计具体的加固工序及措施，应用后通过表面位移、钻孔窥视等手段，表明轨道大巷表面变形量维持在较低水平，注浆锚杆、锚索无破断失效现象，顶板岩层完整性、稳定性显著提升，巷道浅部围岩裂隙发育程度显著降低，松动圈发育范围显著缩小，所设计的返修加固方案能够有效控制围岩的蠕变破坏，满足矿井安全生产的要求。