李建功，任家俊，丁坤朋

（1.山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000；2.河南明德礦山技術(shù)開發(fā)有限公司，河南 焦作 454000；3.河南理工大學(xué)河南理工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河南 焦作 454003）

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，煤礦開采逐步向深部發(fā)展，深部巷道普通的支護(hù)形式已不能滿足安全生產(chǎn)的要求，深井巷道呈現(xiàn)出難支護(hù)、支護(hù)效果差、巷道變形嚴(yán)重等現(xiàn)象，并且深部巷道支護(hù)還存在一些問題。

單一支護(hù)方式未考慮巷道不同地段地質(zhì)特點(diǎn)，造成支護(hù)強(qiáng)度過大或過小，未真正起到作用。

忽略幫部及底板支護(hù)，造成幫部和底板失穩(wěn)。

未考慮巷道整體穩(wěn)定性，只針對(duì)局部位置加強(qiáng)支護(hù)，引起支護(hù)失穩(wěn)。

山西某礦現(xiàn)開采15號(hào)煤層，煤層平均厚4 m，煤層埋深高達(dá)800 m。在煤層傾向的中部布置有五條大巷。其中回風(fēng)大巷位于15號(hào)煤層中，沿煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，矩形斷面。頂部采用錨索、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，采用Ф21.8 mm×6 200 mm的高強(qiáng)錨索，間排距均為800 mm；幫部采用錨索、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，巷道底角處施工一排Ф20 mm×2 400 mm錨桿，錨索采用Ф17.8 mm×4 200 mm，間排距均為800 mm。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，回風(fēng)大巷所處位置最大水平主應(yīng)力32.26 MPa，原巖應(yīng)力場(chǎng)為高應(yīng)力值場(chǎng)，構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)。

工作面布置在大巷南北兩側(cè)，呈條帶式開采。煤層埋深大、地應(yīng)力高，且受采動(dòng)影響的共同作用，使大巷受到嚴(yán)重變形，甚至破壞，對(duì)礦井正常生產(chǎn)和安全構(gòu)成極大影響。為此，大巷經(jīng)歷了多次返修，耗費(fèi)了大量的人力物力。為了掌握大巷的圍巖破壞情況，通過對(duì)回風(fēng)大巷進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測(cè)試，基于測(cè)試結(jié)果，優(yōu)化大巷支護(hù)方式和參數(shù)。該研究為巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。

1 返修巷道圍巖松動(dòng)圈理論分析

巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論認(rèn)為巷道支護(hù)主要對(duì)象是巖體開挖后形成的松動(dòng)圈所產(chǎn)生的圍巖碎脹變形；而對(duì)于返修巷道的支護(hù)形式是巷道刷擴(kuò)過程中圍巖產(chǎn)生的碎脹變形。與新掘巷道有所不同，返修巷道圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展過程有其自身的特點(diǎn)，決定了返修巷道與新掘巷道在支護(hù)要求上的不同。

如圖1所示，原松動(dòng)圈為AC，返修過程中巷道因刷幫，靠近巷道表面AB的巖石被挖去，破壞了原松動(dòng)圈所形成的力學(xué)平衡狀態(tài)，原松動(dòng)圈的內(nèi)邊界A點(diǎn)變到了刷擴(kuò)后的B點(diǎn)，巷道的圍巖松動(dòng)圈向深部發(fā)展，外邊界由原有的C點(diǎn)變到了刷擴(kuò)后的D點(diǎn)，在此過程中，BC間的巖體變得更碎脹，CD之間的巖石發(fā)生了破裂，形成新的松動(dòng)圈BD。

圖1 松動(dòng)圈變化示意圖

當(dāng)刷擴(kuò)寬度AB與圍巖松動(dòng)圈比值較小時(shí)，巷道的刷擴(kuò)寬度不大，圍巖變形量不大，可按原有支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。如果AB與松動(dòng)圈比值較大時(shí)，即巷道刷擴(kuò)寬度較大，此時(shí)巷道出現(xiàn)了較大的圍巖碎脹變形，原有支護(hù)方式不合理，需重新設(shè)計(jì)支護(hù)方式。

2 巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

2.1 測(cè)試原理

采用CT-2型超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀進(jìn)行巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試。其原理：聲波的波速與裂隙發(fā)育情況、介質(zhì)密度、聲阻抗等因素有關(guān)，與裂隙發(fā)育、聲阻抗成反比，與密度成正比。因此，圍巖完整性好測(cè)得的聲波波速就高，圍巖存在裂縫時(shí)測(cè)得的波速就低。測(cè)出距巷道圍巖表面不同深度的巖體波速值，從而可以繪出深度和波速的曲線，然后由該地的地質(zhì)資料可推斷出該巷道的圍巖松動(dòng)圈范圍。

圖2 CT-2型探測(cè)儀發(fā)射與接收示意圖

CT-2型探測(cè)儀為一發(fā)雙收式裝置。發(fā)射探頭F在鉆孔中發(fā)射聲波，在孔壁周圍產(chǎn)生滑行波沿著鉆孔壁傳播，在一發(fā)雙收的測(cè)試中，當(dāng)首波傳播到接收探頭J1時(shí)，將聲波轉(zhuǎn)換成電能，使控制器翻轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)門開啟，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)滑行波繼續(xù)傳播到接收探頭J2時(shí)，控制器翻轉(zhuǎn)回來，將計(jì)數(shù)門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，顯示出聲波在J1與J2間巖體中傳播的時(shí)間讀數(shù)t，用下式計(jì)算聲波波速：

式中：l為兩接收探頭之間的距離；t為時(shí)間讀數(shù)。

2.2 測(cè)試位置及相關(guān)參數(shù)

采用單孔測(cè)試方法，在巷道斷面上先確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置鉆孔，再將圓管狀聲波探頭置入鉆孔，為了使探頭和孔壁有良好的聲耦合，需要事先把孔內(nèi)注滿水，孔口裝有堵水器，從孔口到孔底逐點(diǎn)測(cè)試，直到各點(diǎn)測(cè)試完畢。

在回風(fēng)大巷內(nèi)布置兩個(gè)觀測(cè)鉆孔，鉆孔位于15號(hào)煤層對(duì)應(yīng)15109綜采工作面回風(fēng)順槽向東50 m處。鉆孔直徑68 mm，鉆孔深度3.0 m，距底板高度，1.5 m；鉆孔角度向下偏5°。如圖3所示。

圖3 測(cè)試鉆孔布置圖

2.3 測(cè)試結(jié)果及分析

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，將其換算成聲波速度后，并將其繪制成波速度與孔深關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 聲波速度與孔深關(guān)系圖

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試狀況，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，由圖4可知：

1）通過測(cè)試鉆孔注水情況可知，回風(fēng)大巷的孔內(nèi)裂隙均較發(fā)育，注水時(shí)需3~10 min才能將水注滿鉆孔，且停水后孔內(nèi)水位快速下降，在距離孔口約0.5 m至巷幫處鉆孔大量裂隙導(dǎo)致鉆孔內(nèi)持續(xù)注水時(shí)水位上升困難。

2）巷道圍巖越破碎，裂隙越多，波速越低。彈塑性變形區(qū)的圍巖無破壞，在受到松動(dòng)圈內(nèi)的轉(zhuǎn)移應(yīng)力作用下使其壓力變大，巖石密度增加，波速相應(yīng)較高。遠(yuǎn)離開挖空間的巖塊只承受原巖應(yīng)力，波速介于松動(dòng)圈與彈塑性變形區(qū)之間，所以由圍巖松動(dòng)圈內(nèi)的波速到彈塑性區(qū)的波速會(huì)有明顯的增加，彈塑性區(qū)的波速也有一段穩(wěn)定的長(zhǎng)度。由圖4可以看出，波速在鉆孔內(nèi)波動(dòng)較大，因其孔內(nèi)持續(xù)注水對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響；綜合判斷該松動(dòng)圈大于2.2 m。

3）由于松動(dòng)圈測(cè)試儀的測(cè)桿長(zhǎng)度有限，回風(fēng)大巷未能測(cè)出松動(dòng)圈的邊界。

3 回風(fēng)大巷支護(hù)方式優(yōu)化

3.1 圍巖松動(dòng)圈大小與分類

根據(jù)表1可知，基于測(cè)得的圍巖松動(dòng)圈大小初步判定該礦大巷圍巖屬于大松動(dòng)圈中的Ⅴ類或Ⅵ類。

表1 圍巖松動(dòng)圈分類表

3.2 錨網(wǎng)噴支護(hù)與注漿支護(hù)

該礦15號(hào)煤回風(fēng)大巷原為矩形斷面，在受到靜壓和回采動(dòng)壓影響后其頂板變形嚴(yán)重，其維護(hù)困難。鑒于拱形斷面較矩形斷面有較好的抗壓性，采用直墻半圓拱斷面，沿煤層頂板掘進(jìn)，挑去頂板的K2灰?guī)r，拱部置于K2灰?guī)r中，墻體位于煤層中。

結(jié)合圍巖松動(dòng)圈大小與分類分析，為了提高巷道的整體穩(wěn)定性，減少大巷維護(hù)量，15號(hào)煤回風(fēng)大巷支護(hù)采用組合拱、二次支護(hù)理論。對(duì)于大松動(dòng)圈的巷道而言，為了能夠保持和利用破碎圍巖的自身承載能力，對(duì)破碎的巖體進(jìn)行支護(hù)和加固是十分重要的，能夠阻止部分滑移和進(jìn)一步的破碎，有效控制巷道變形，提高殘余強(qiáng)度。因此，錨網(wǎng)噴與注漿聯(lián)合支護(hù)是治理巷道大松動(dòng)圈的最佳手段。

適當(dāng)間距的錨桿群可以形成組合拱。噴漿可以填實(shí)巷道表面的坑洼、裂隙，阻止了巷道的風(fēng)、水對(duì)圍巖的破壞。金屬網(wǎng)與噴層一起形成了一道具有柔性的支護(hù)圈，可吸收一定的變形。錨網(wǎng)噴能讓能抗，剛?cè)嵯酀?jì)。

圖5 錨網(wǎng)噴支護(hù)示意圖（mm）

3.2.1 錨網(wǎng)噴支護(hù)

組合拱理論認(rèn)為組合拱的厚度為：

式中：b為組合拱厚度；l為錨桿有效長(zhǎng)度；a為錨桿間排距。

目前回風(fēng)大巷在其下部靠近底板的位置施工了1排錨桿，長(zhǎng)度為2.4 m，施工時(shí)外露0.1 m。利用錨桿具有很好的抗滑移作用，需要在巷道幫部施工錨桿，間排距為0.8 m，由錨桿作用形成的組合拱的厚度為1.5 m。

采用2 100 mm×1 100 mm鋼筋網(wǎng)片，Ф6 mm圓鋼焊制，網(wǎng)格50 mm×50 mm。采用C25混泥土進(jìn)行噴漿，其厚度不低于100 mm。

3.2.2 巷道注漿

注漿是由注漿材料配制而成的漿液經(jīng)壓力泵充填至圍巖裂隙中，其主要作用：

1）圍巖注漿可改善錨桿受力狀態(tài)，使錨桿工作特性適應(yīng)圍巖變化規(guī)律，能及時(shí)向圍巖提供支護(hù)阻力。

2）提高圍巖的內(nèi)聚力，增加了內(nèi)摩擦角，圍巖整體強(qiáng)度有所提高。

3）漿液充實(shí)裂隙后改善了圍巖的受力狀態(tài)，使充實(shí)前的兩向受力變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)。

4）充填的漿液將圍巖與風(fēng)和水隔離，阻止風(fēng)、水對(duì)圍巖力學(xué)性質(zhì)的降低。

注漿后的加固效果取決于注漿材料自身強(qiáng)度與注漿參數(shù)兩個(gè)因素。用于巷道加固常用的注漿材料為水泥與一些化學(xué)漿液；水泥價(jià)格相對(duì)適中，來源廣、配制簡(jiǎn)單而被大量采用；本大巷加固采用P425的普通硅酸鹽水泥，將其配制成單液漿。

注漿參數(shù)是有注漿管間排距、注漿壓力、水灰比等，對(duì)注漿效果的好壞起著重要作用。不同的圍巖結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育程度等因素決定了不同的注漿參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)采用先打淺孔、注淺孔，再打深孔、注深孔的順序進(jìn)行注漿試驗(yàn)。主要參數(shù)如下：淺孔水灰比1.0∶0.7深孔水灰比1.0∶0.8注漿孔間排距：1.8 m×2.4 m；注漿壓力：淺孔1～2 MPa，深孔3～4 MPa；注漿孔深度：設(shè)計(jì)淺孔1.6 m，深孔3.5 m。

圖6 注漿管布置示意圖（mm）

5 結(jié)論

1）采用CT-2型超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀測(cè)得15號(hào)煤回風(fēng)大巷的圍巖松動(dòng)圈大于2.2 m。

2）在對(duì)回風(fēng)大巷進(jìn)行注漿加固時(shí)，加固體的厚度需大于2.2 m，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，注漿加固的深度約為5 m。

3）根據(jù)測(cè)得的圍巖松動(dòng)圈大小應(yīng)采用以組合拱為基礎(chǔ)的復(fù)合支護(hù)，該回風(fēng)大巷需要在巷幫施工錨桿，間排距取0.8 m，可形成1.5 m的組合拱，該組合拱的厚度較大，能抵抗巷道的部分變形。