張 毅

(西山煤電股份公司 馬蘭礦，山西 古交 030200)

1 工程概況

馬蘭煤礦910水平東大巷位于南五采區(qū)，主要為井田02號(hào)和2號(hào)煤提供運(yùn)輸服務(wù)，巷道整體為單斜構(gòu)造，北高南低。巷道沿2號(hào)煤層底板掘進(jìn)，2號(hào)煤層平均厚度為2.55 m，平均傾角4°。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚3.5 m，基本頂為S5砂巖，均厚5.67 m；直接底為砂質(zhì)泥巖與3號(hào)煤層互層，均厚2 m，基本底為粗砂巖，均厚7.8 m。巷道斷面形狀為半圓拱形，凈寬×凈高=5 400 mm×4 200 mm，其中墻高為1 500 mm，拱高為2 700 mm。由于巷道沿煤層底板掘進(jìn)，煤層較為軟弱，另外煤層直接頂巖層及直接底巖層均較軟弱，巷道在原有錨網(wǎng)梁+W型鋼帶配合錨索支護(hù)時(shí)，圍巖變形量大，其中底鼓變形嚴(yán)重，同時(shí)由于巷道在不同地段巖性差別較大，局部地段最大底鼓量達(dá)到1 300 mm，最小地段底鼓量達(dá)到300 mm，平均底鼓量為430 mm，兩幫變形量及頂板下沉均較大，急需采取有效措施保證巷道圍巖的穩(wěn)定。

2 軟弱圍巖分階段控制技術(shù)

2.1 分階段過(guò)程控制技術(shù)

軟巖巷道圍巖變形量大的根本原因?yàn)橄锏绹鷰r強(qiáng)度弱化與破壞，巷道圍巖的變形量具有一定的階段性，具體軟巖巷道變形特征曲線如圖1所示。

圖1中T1節(jié)點(diǎn)為圍巖移近速度在巷道掘進(jìn)影響期間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，T2節(jié)點(diǎn)為掘進(jìn)影響階段的結(jié)束點(diǎn)，巷道圍巖變形量在此時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定，T3節(jié)點(diǎn)為軟巖巷道在采取進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)措施后，巷道圍巖的變形速度進(jìn)一步降低，T4節(jié)點(diǎn)為巷道加強(qiáng)支護(hù)穩(wěn)定后，巷道圍巖的變形速率較小，并基本保持穩(wěn)定[1-2]。根據(jù)圖1中兩條標(biāo)準(zhǔn)的速度線可知當(dāng)巷道的服務(wù)周期較短時(shí)，只需要求巷道圍巖的變形穩(wěn)定后的速度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)1即可，當(dāng)巷道的服務(wù)周期較長(zhǎng)時(shí)，需要巷道圍巖的變形速度達(dá)到較小，即需使得圍巖的變形速度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)2，故此時(shí)必須對(duì)巷道實(shí)施分階段加固技術(shù)。

圖1 軟巖巷道圍巖變形曲線

2.2 噴錨注分階段支護(hù)技術(shù)

依據(jù)分階段支護(hù)理論，針對(duì)軟弱圍巖、服務(wù)周期長(zhǎng)的巷道提出隨著巷道的掘進(jìn)，采用以“護(hù)”和“讓”為主的支護(hù)方式，即在初次支護(hù)時(shí)允許圍巖出現(xiàn)一定的變形，讓圍巖體進(jìn)行充分卸壓，巷道圍巖優(yōu)先采用表面噴射混凝土+護(hù)頂護(hù)幫錨桿的形式進(jìn)行初次支護(hù)，在巷道的掘進(jìn)后期，由于此時(shí)巷道圍巖的應(yīng)力已經(jīng)得到充分釋放，圍巖變形基本保持穩(wěn)定，此時(shí)采用以“支”和“限”為主的支護(hù)方案，即優(yōu)先選擇采用錨噴支護(hù)，在錨噴支護(hù)中最能保障巷道圍巖穩(wěn)定的為全長(zhǎng)錨固，此時(shí)支護(hù)體系會(huì)與圍巖形成共同承載結(jié)構(gòu)[3-4]，保障圍巖的穩(wěn)定，具體噴錨注分階段支護(hù)可概括為下述4個(gè)步驟：

1) 及時(shí)噴層。隨著巷道掘進(jìn)工作的進(jìn)行，巷道圍巖會(huì)逐漸暴露，此時(shí)及時(shí)在巷道表面噴射一定厚度的混凝土能夠有效防止圍巖的松動(dòng)風(fēng)化。

2) 適時(shí)錨噴。當(dāng)軟巖巷道圍巖變形速度逐漸趨于穩(wěn)定時(shí)，此時(shí)采用錨噴網(wǎng)支護(hù)，以提供高的支護(hù)阻力來(lái)限制圍巖變形為主。

3) 關(guān)鍵部位錨索加強(qiáng)支護(hù)。當(dāng)軟巖巷道圍巖變形速度趨于穩(wěn)定時(shí)，在巷道的圍壓破碎區(qū)域及幫角的位置處通過(guò)補(bǔ)打錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)對(duì)于構(gòu)造區(qū)域需對(duì)巷道底板進(jìn)行進(jìn)一步的處理，并采取合理的加固措施。

4) 滯后注漿。在巷道采用上述支護(hù)方案后，若圍巖的變形速度尚不能滿足變形要求時(shí)，此時(shí)需對(duì)軟巖巷道采用滯后注漿技術(shù)，通過(guò)將粘結(jié)材料壓入宏觀裂隙里，使得破碎圍巖得到加固，同時(shí)能夠?qū)υ械腻^噴支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，進(jìn)而保障巷道圍巖的穩(wěn)定。

3 軟弱圍巖支護(hù)方案與效果

3.1 支護(hù)技術(shù)方案

針對(duì)910水平東大巷圍巖變形的具體情況，對(duì)該巷道支護(hù)采用高性能超強(qiáng)錨桿提高對(duì)圍巖的控制效果，錨桿托盤(pán)采用大托盤(pán)增大護(hù)表面積，采用新型阻尼螺母提供較大的扭矩，對(duì)錨桿(索)施加高預(yù)緊力，采用拉底錨桿配合錨索控制底板。

考慮到910水平東大巷軟弱圍巖的具體特征，根據(jù)巷道的實(shí)際情況確定支護(hù)方案的施工流程如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)方案流程

3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)910水平東大巷的具體地質(zhì)條件，結(jié)合軟弱圍巖分階段控制技術(shù)原理，采用噴錨注支護(hù)方案，具體方案設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1) 混凝土噴層。在巷道掘進(jìn)后，將爆破后的活矸處理完畢，及時(shí)對(duì)巷道表面進(jìn)行噴射混凝土噴層，進(jìn)而有效封閉巷道圍巖，混凝土噴層配比為水泥∶黃沙∶石子=1∶2∶2，設(shè)置巷道表面噴層厚度為20～30 mm。

2) 高性能預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)。根據(jù)910水平東大巷圍巖的裂隙相對(duì)發(fā)育的情況，可知該巷道屬于典型的松軟破碎圍巖巷道，故考慮到一定的變形后來(lái)保證巷道滿足使用要求，巷道頂板采用M24、直徑為22 mm、長(zhǎng)度為2 800 mm的超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為700 mm×700 mm，設(shè)置錨桿的預(yù)緊力大于50 kN，采用加長(zhǎng)錨固的形式，設(shè)置錨固力不小于150 kN，在一次扭矩扳手施加完預(yù)緊力后，二次通過(guò)氣扳機(jī)再次對(duì)錨桿進(jìn)行扭矩的施加，確保預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

巷道兩幫同樣采用M24、直徑為22 mm、長(zhǎng)度為2 800 mm的超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×700 mm，加長(zhǎng)錨固，同時(shí)采用高預(yù)緊力錨索對(duì)巷道幫角等關(guān)鍵位置進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨索采用型號(hào)為D17.8×5300 mm的1×7股鋼絞線，排距為1 400 mm，錨索預(yù)緊力不小于80 kN，巷道斷面內(nèi)布置5根錨索，其中兩幫各兩根，頂板中間位置處設(shè)置1根，具體910水平東大巷的支護(hù)布置形式及各項(xiàng)參數(shù)如圖3所示。

圖3 巷道錨網(wǎng)索支護(hù)及注漿孔布置示意(mm)

3) 滯后注漿。根據(jù)910水平東大巷的現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)可知，注漿時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在距離掘進(jìn)頭100～150 m的位置處。具體注漿作業(yè)流程如下：①在進(jìn)行注漿作業(yè)前應(yīng)對(duì)采用錨網(wǎng)索支護(hù)的圍巖進(jìn)行二次噴射混凝土噴層，設(shè)置噴層厚度為30～50 mm，防止注漿過(guò)程中出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。②注漿材料采用單液水泥漿，采用注漿錨桿將漿液送入破碎圍巖體內(nèi)，對(duì)淺部破碎圍巖進(jìn)行有效加固，注漿錨桿長(zhǎng)度為1 500 mm，設(shè)置注漿壓力始終小于2 MPa，確保注漿過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)大量跑漿現(xiàn)象；在進(jìn)行注漿作業(yè)時(shí)，先從巷道底角位置處開(kāi)始，隨后依次向上對(duì)巷道兩幫、頂板的破碎圍巖進(jìn)行有效注漿作業(yè)。③圍壓加固注漿時(shí)采用長(zhǎng)度為2 600 mm的注漿錨桿將漿液送入破碎圍巖內(nèi)，巷道全斷面內(nèi)設(shè)置7個(gè)注漿孔，注漿孔間距為1 400 mm，排距為1 400 mm，注漿孔錯(cuò)開(kāi)錨桿(索)布置，孔深設(shè)置為3 000 mm，采用速凝水泥卷進(jìn)行封孔作業(yè)，設(shè)置封孔長(zhǎng)度為1 600 mm，具體注漿孔布置形式如圖3所示。

4) 巷道底板反拱設(shè)計(jì)。為有效控制底板軟弱巖層的底鼓現(xiàn)象，通過(guò)在巷道底角位置處設(shè)置深孔卸壓爆破鉆孔，在巷道兩底角的位置處分別打設(shè)一個(gè)與垂直方向成30°、長(zhǎng)度為3 500 mm的鉆孔，具體底角深孔卸壓爆破如圖4所示。

在巷道底角進(jìn)行深孔卸壓爆破后，采用錨桿對(duì)底板進(jìn)行進(jìn)一步加固，進(jìn)而形成底板的反拱形式，設(shè)置反拱最大深度為800 mm，反拱半徑為5 000 mm，底板錨桿采用型號(hào)為D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 400 mm，具體底板反拱設(shè)計(jì)及錨桿支護(hù)如圖5所示。

圖4 巷道底角深孔卸壓爆破鉆孔布置(mm)

圖5 巷道底板反拱及加固錨桿布置示意(mm)

3.3 支護(hù)效果分析

為對(duì)910水平東大巷采用噴錨注分階段支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行有效分析，采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道圍巖的變形情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，得出巷道圍巖的變形曲線如圖6所示。

圖6 巷道圍巖變形量曲線

由圖6可知，巷道在采用噴錨注分階段支護(hù)技術(shù)后，在0～30 d內(nèi)巷道圍巖變形量較大，頂?shù)装宓淖冃嗡俾蕿?1.5 mm/d，兩幫變形速率為27 mm/d；在30～90 d的時(shí)間內(nèi)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤颈３址€(wěn)定，表明巷道圍巖已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?5 mm，其中底板最大鼓起量為47 mm，兩幫最大移近量為57 mm，巷道圍巖得到了有效控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)馬蘭煤礦910水平東大巷的具體地質(zhì)條件及巷道在原有支護(hù)方式下圍巖的變形情況，結(jié)合軟弱圍巖分階段控制原理確定對(duì)巷道采用噴錨注分階段支護(hù)技術(shù)，并對(duì)各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，支護(hù)方案實(shí)施后巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?5 mm，其中底板最大鼓起量為47 mm，兩幫最大移近量為57 mm，有效保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。