肖殿才，蔣祥卿，羅 勇，任 波，魯?shù)鲁屏x川

(1.淮河能源有限責(zé)任公司 深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001；3.青海省能源發(fā)展(集團(tuán))有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部，青海 西寧 810000；4.淮河能源煤業(yè)分公司 潘三礦，安徽 淮南 232096)

井巷揭煤多存在穿煤層施工的情況，上山揭煤時(shí)巷道頂板揭露煤層底板，下山揭煤時(shí)巷道底板揭露煤層頂板，不論哪種揭煤施工方式，當(dāng)巷道需穿過煤層時(shí)，均存在托頂煤掘進(jìn)的區(qū)域。煤體物理力學(xué)性能與巖體相比較弱，原生裂隙較發(fā)育，受采掘工程擾動(dòng)影響，裂隙范圍不斷擴(kuò)展，形成大量縱橫交錯(cuò)的裂隙，托頂煤施工期間頂板穩(wěn)定性降低[1-3]；同時(shí)揭煤的區(qū)域消突措施進(jìn)一步增加了煤巖體裂隙，使得掘進(jìn)巷道前方形成一定范圍的破裂區(qū)[4-7]。穿煤區(qū)域碎裂特性的頂板以及物理力學(xué)性能較差的松軟煤幫，在圍巖應(yīng)力復(fù)合作用下，導(dǎo)致頂板易離層、冒落，幫部易片幫，增加了掘進(jìn)期間巷道幫頂?shù)目刂齐y度[8，9]，若支護(hù)方式不合理，不僅影響巷道施工進(jìn)度，還易發(fā)生巷道頂板大面積垮冒事故，甚至引起瓦斯超限或煤與瓦斯突出[10-12]。故如何在穿煤層過碎裂頂板區(qū)施工期間采取有效支護(hù)對策，保證施工安全，提高施工效率，及時(shí)控制巷道圍巖變形，成為制約現(xiàn)場高效穿煤層施工的關(guān)鍵問題之一。

周橋[13，14]等提出破碎圍巖中采用超前錨桿預(yù)加固可有效控制圍巖，并對超前錨桿與破碎圍巖作用機(jī)理、超前錨桿參數(shù)的選擇進(jìn)行研究，得出了超前錨桿加固外插角參數(shù)的選擇原則與范圍；張亮[15]等根據(jù)復(fù)合頂板松軟煤層巷道變形機(jī)理找出了其變形破壞原因，提出了在巷道掘進(jìn)過程中的支護(hù)對策并對回采巷道進(jìn)行了合理支護(hù)設(shè)計(jì)；孫廣京[16]等針對軟弱破碎頂板巷道支護(hù)困難的問題，提出了“幫頂?shù)滓惑w”的整體性控制理念，采用“雙層金屬網(wǎng)+噴射混凝土+預(yù)支撐囧形棚架+可縮性縱向連接器”組合圍巖控制技術(shù)，在現(xiàn)場取得了成功應(yīng)用；張農(nóng)[17]等在薄層狀煤巖體中巷道采用頂幫錨架注、拱腳連續(xù)鎖腿約束及底板鉆錨注等方法實(shí)施巷道全斷面加固，有效控制了巷道圍巖變形；劉海東[18]等針對頂板破碎圍巖巷道成型難，容易出現(xiàn)頂板鏤空、離層及下沉等問題，采用“錨護(hù)噴注”一體化支護(hù)技術(shù)，成功控制了巷道圍巖變形；要擇強(qiáng)、張懷奇[19，20]等在巖巷穿煤層施工期間采用架錨噴注的聯(lián)合支護(hù)方式實(shí)現(xiàn)了頂板的安全管理；槐衍森[21]等采用綜合注漿方法加固破碎巖體，提高了圍巖承載能力，增強(qiáng)其可錨性后通過錨索網(wǎng)支護(hù)實(shí)現(xiàn)了破碎煤巷頂板的安全控制。

本文以潘三礦-730～-960m聯(lián)絡(luò)巷為工程背景，對深井條件下巷道穿厚煤層碎裂頂板區(qū)圍巖變形特點(diǎn)、變形機(jī)理以及控制原理進(jìn)行深入分析，進(jìn)一步闡述了注漿加固、超前錨桿、頂板錨網(wǎng)以及架噴支護(hù)在控制破碎頂板區(qū)頂板圍巖過程中的相互作用機(jī)制，研究得出了斜巷下山揭穿煤層過碎裂頂板區(qū)的有效支護(hù)對策，提出“超前預(yù)支護(hù)+內(nèi)錨外架聯(lián)合控頂+鎖腿控幫+噴注補(bǔ)強(qiáng)+底板控水卸壓”聯(lián)合的組合控制技術(shù)，形成了錨固體與注漿圍巖互相強(qiáng)化，強(qiáng)控頂、輔以控幫治底的聯(lián)合支護(hù)體系，以有效控制巷道穿煤層過碎裂頂板區(qū)圍巖破壞。

1 工程條件分析

1.1 工程概況

-730～960m聯(lián)絡(luò)巷為潘三礦二水平開拓系統(tǒng)巷道，設(shè)計(jì)標(biāo)高為-730～-958m，以21.5°下山施工，總長度730m。該巷構(gòu)造地質(zhì)條件簡單，煤巖層整體呈單斜狀，煤(巖)層產(chǎn)狀為180～210°∠1～5°；水文地質(zhì)條件簡單，煤系地層砂巖裂隙水為該巷的主要充水因素。

巷道施工過程中穿5-1煤、4-2煤、4-1煤，然后進(jìn)入4-1煤底板施工，與深部進(jìn)風(fēng)井清理斜巷聯(lián)絡(luò)巷貫通。穿煤段巷道標(biāo)高為-880～910m，長度100m，其中穿5-1煤段40m?，F(xiàn)場實(shí)測各煤層瓦斯含量及壓力如下：5-2煤瓦斯含量6.4m3/t、瓦斯壓力1.5MPa，4-2煤瓦斯含量8.7m3/t、瓦斯壓力2.8MPa，4-1煤瓦斯含量9.27m3/t、瓦斯壓力3.1MPa。巷道先施工穿5-1煤揭煤段，施工完畢后，停止本巷道掘進(jìn)，從巷道內(nèi)撥門施工揭4-1煤瓦斯治理巷，在揭4-1煤瓦斯治理巷施工穿層鉆孔對4-1煤進(jìn)行區(qū)域消突，然后預(yù)抽評價(jià)合格后恢復(fù)本巷道施工，揭穿4-1煤。各煤層頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 -730～960m聯(lián)絡(luò)巷揭煤段巷道

穿煤段巷道設(shè)計(jì)凈斷面為寬×高=5200mm×4100mm，采用聯(lián)合支護(hù)形式。內(nèi)層為錨網(wǎng)支護(hù)，采用MG400左旋無縱肋螺紋鋼錨桿配合金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿規(guī)格為?22mm×2400mm，間排距800mm×600mm，金屬網(wǎng)為10#鐵絲網(wǎng)；外層支護(hù)為U型棚+噴漿，U型棚采用36U型鋼加工制成，噴漿厚度150mm，混凝土標(biāo)號C20。

1.2 工程特點(diǎn)分析

巷道穿層施工，圍巖破碎，加之受掘進(jìn)擾動(dòng)，圍巖應(yīng)力復(fù)雜，穿5-1煤揭煤施工段變形特點(diǎn)如下：

1)穿5-1煤施工期間，頂板處于軟弱煤巖層中，完整性差，局部片幫、漏頂，采取傳統(tǒng)的超前錨桿(撞楔)后，頂板情況出現(xiàn)改善，但由于頂板破碎，炮后仍有局部地點(diǎn)掉頂，頂板控制難度大。

2)永久支護(hù)段巷道肩窩處首先出現(xiàn)漿皮炸裂，隨后頂板也出現(xiàn)不同程度的裂縫，經(jīng)過一段時(shí)間后，漿皮裂縫貫通，個(gè)別地點(diǎn)大塊漿皮掉落，肩窩處U型棚內(nèi)折，U型棚損壞失穩(wěn)。

3)巷道幫部U型棚棚腿中部內(nèi)擠，出現(xiàn)彎扭等不同程度的不規(guī)則變形，現(xiàn)場實(shí)測單側(cè)最大變形量達(dá)到了350mm，棚腿變形嚴(yán)重地點(diǎn)U型棚棚腿與幫部圍巖分離，棚子出現(xiàn)“跪腿”現(xiàn)象，外鼓呈現(xiàn)“く”形狀。

4)巷道大面積底鼓，挖底仍不能緩解底鼓的局面，底板鼓起呈現(xiàn)中間高、兩邊低的形態(tài)，巷道幫部水溝和行人臺(tái)階被嚴(yán)重破壞而無法使用，同時(shí)底鼓導(dǎo)致U型棚棚腿底角內(nèi)移，嚴(yán)重處巷道幫部呈現(xiàn)倒“八”字型。

2 圍巖變形失穩(wěn)控制對策

2.1 圍巖破壞范圍探測

為了探究巷道圍巖破壞范圍，采用鉆孔窺視儀對揭5-1煤段巷道圍巖進(jìn)行窺視，共布置3個(gè)監(jiān)測斷面，斷面間距為12m。每個(gè)斷面布置5個(gè)窺視孔，窺視孔孔徑為32mm，分別位于巷道頂板、兩幫和兩肩窩處，如圖2所示，各窺視斷面圍巖破碎范圍統(tǒng)計(jì)見表1。

圖2 巷道斷面圍巖破壞范圍(m)

表1 各窺視斷面圍巖破碎范圍統(tǒng)計(jì) m

從窺視結(jié)果可以看出，巷道圍巖松動(dòng)圈范圍約3m左右，破壞范圍肩窩>頂板>幫部。同時(shí)窺視過程中發(fā)現(xiàn)巖體破壞程度與巖性相關(guān)，細(xì)砂巖僅存在少量裂隙，煤體多部分處于破碎狀態(tài)，而砂質(zhì)泥巖破壞程度介于兩者之間，局部呈現(xiàn)極破碎狀態(tài)，破碎程度煤體>砂質(zhì)泥巖>細(xì)砂巖。

2.2 圍巖變形失穩(wěn)原因分析

1)穿煤施工段巖層以砂質(zhì)泥巖為主，圍巖強(qiáng)度低，完整性差，加之穿煤段施工的消突鉆孔，使得原本強(qiáng)度不高的煤體更加破碎；進(jìn)而導(dǎo)致了錨桿與圍巖整體耦合性差，錨桿錨固點(diǎn)不可靠，錨固性能不能充分發(fā)揮。巷道開挖后，錨桿不能有效改變圍巖的受力狀態(tài)，與圍巖形成有效承載結(jié)構(gòu)，共同承載。

2)內(nèi)層錨網(wǎng)支護(hù)功效的弱化導(dǎo)致圍巖松動(dòng)圈不斷擴(kuò)大，錨桿支護(hù)失去有效生根點(diǎn)，內(nèi)層錨網(wǎng)支護(hù)失效；同時(shí)肩窩變形導(dǎo)致外層U型棚承載能力受到極大的影響，其承載效能不能有效發(fā)揮，只在棚頂對圍巖提供較小的支撐力，導(dǎo)致巷道頂板破壞范圍再次擴(kuò)大。

3)U型棚棚腿僅采用外扎角和挖底角的方式形成底部固定支撐點(diǎn)，當(dāng)巷道底板鼓起時(shí)，底角固定點(diǎn)也相對位移，導(dǎo)致棚腿同步位移，同時(shí)頂板圍巖的失效導(dǎo)致幫部巖體的失效，幫部位移不斷增加，最終形成倒“八”字或跪腿現(xiàn)象。

4)由于空幫、空頂、肩壓等原因，支架受力不均，在較小的載荷下發(fā)生變形失穩(wěn)，降低了其整體承載能力，削弱了U型棚的被動(dòng)支護(hù)阻力，圍巖擴(kuò)容膨脹，發(fā)生進(jìn)一步的破壞。尤其是在肩窩和穿層煤巖交界面位置，更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速U型棚的破壞。

綜上所述，控制碎裂頂板區(qū)圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)在于提升圍巖自身的承載強(qiáng)度，強(qiáng)化內(nèi)層錨網(wǎng)支護(hù)效果，控制其松動(dòng)圈范圍的擴(kuò)大，進(jìn)而改善外架U型棚受力狀況，增強(qiáng)其承載能力，做到內(nèi)錨有效、外架可靠。

2.3 碎裂頂板圍巖控制機(jī)理及對策

碎裂圍巖頂板提高自身承載能力前首先要實(shí)現(xiàn)破碎圍巖的二次承載[16]。所謂二次承載是指通過采取適當(dāng)?shù)拇胧?，改變破碎巖體的性能，使其具備一定的承載特性，并在一定時(shí)間內(nèi)能保持自穩(wěn)。破碎圍巖二次承載可通過圍巖改性、圍巖應(yīng)力優(yōu)化以及形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)[22，23]。

注漿可實(shí)現(xiàn)圍巖的改性，降低巖體內(nèi)部的松散破碎程度，實(shí)現(xiàn)破碎圍巖的加固。漿液充填至破碎巖體的節(jié)理裂隙內(nèi)，通過其自身粘結(jié)力將破碎圍巖進(jìn)行膠結(jié)，增強(qiáng)其膠結(jié)程度，實(shí)現(xiàn)破碎區(qū)煤巖體的加固。同時(shí)提高巖體的內(nèi)摩擦角和黏聚力，可有效阻止高應(yīng)力狀態(tài)下巖體內(nèi)部的擴(kuò)容破壞，如圖3所示。注漿還有效減少了圍巖松動(dòng)圈范圍，保障了錨桿錨固點(diǎn)的可靠性，增強(qiáng)破碎圍巖的可錨性，防止錨桿支護(hù)范圍內(nèi)巖層的整體位移。

圖3 注漿前后巖體力學(xué)性質(zhì)

超前錨桿通過錨固力和預(yù)緊力可改變破碎巖體的應(yīng)力狀態(tài)，與破碎圍巖形成梁結(jié)構(gòu)，在后期破碎巖體運(yùn)移過程中，沿巷道周邊的梁隨之運(yùn)動(dòng)，最終形成淺層拱殼結(jié)構(gòu)，使破碎巖體具備一定承載能力。在注漿的作用下，超前錨桿不僅起到超前支護(hù)作用，還相當(dāng)于在圍巖中增加預(yù)應(yīng)力筋，很大程度上增加了圍巖的強(qiáng)度和整體性；同時(shí)為了提高超前錨桿的整體效果，在其尾部施工加固錨桿配合木墊板，形成組合金屬骨架，實(shí)現(xiàn)頂板的超前管理。

如圖4所示，組合金屬骨架的超前支護(hù)使得圍巖破碎范圍降低，增強(qiáng)了圍巖的整體穩(wěn)定性。同時(shí)組合金屬骨架的密集眼孔給爆破提供預(yù)裂面，使巷道成型更符合安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，保證巷道斷面的平整，使U型棚支護(hù)接觸面均勻。超前注漿將迎臉后方頂板永久復(fù)合支護(hù)作用下的組合金屬骨架與迎臉前方圍巖粘結(jié)成一個(gè)整體，也將迎頭即將施工的金屬骨架錨桿與后方永久復(fù)合支護(hù)連為一體，加強(qiáng)了迎頭前方巷道圍巖的整體性、完整性、穩(wěn)定性，為即將施工的骨架加固錨桿提供了更為有效的錨固條件，進(jìn)一步提高了組合金屬骨架超前管理頂板的能力。

圖4 金屬骨架與注漿聯(lián)合加固頂板(mm)

2.4 碎裂頂板區(qū)圍巖控制對策

基于碎裂頂板區(qū)圍巖破壞原因、控制機(jī)理以及潘三礦-730～960m聯(lián)絡(luò)巷的工程實(shí)際，提出以“超前預(yù)支護(hù)+內(nèi)錨外架聯(lián)合控頂+鎖腿控幫+噴注補(bǔ)強(qiáng)+底板控水卸壓”聯(lián)合的組合控制技術(shù)，該技術(shù)的支護(hù)機(jī)制為：①超前預(yù)支護(hù)包括注漿和組合金屬骨架，超前預(yù)支護(hù)能夠提高圍巖整體性、改善其承載性能、降低巷道松動(dòng)圈破壞范圍，一定程度上控制頂板離層，加強(qiáng)頂板控制，確保永久支護(hù)之前頂板的完整性。②金屬網(wǎng)、錨桿提供主動(dòng)護(hù)表力控制頂板，改善圍巖受力狀態(tài)，在超前預(yù)支護(hù)的情況下，錨桿的錨固性能和抗變形能力充分發(fā)揮，控頂效果好；而棚架具有較高的支護(hù)阻力，在內(nèi)錨讓壓的情況下，提供側(cè)向約束力，限制圍巖的擴(kuò)容變形，改善破碎巖體的穩(wěn)定性。③幫部圍巖塑性區(qū)的發(fā)育會(huì)影響頂板的穩(wěn)定性，因此本著幫頂一體，控頂固幫的理念，施加幫部鎖腿錨桿，提高U型棚棚腿的抗變形能力，進(jìn)而增強(qiáng)U型棚整體的承載強(qiáng)度。④噴漿封閉圍巖表面，防治其風(fēng)化松散，提供了一定的側(cè)向約束力，改善了圍巖的受力狀態(tài)，同時(shí)形成后期注漿的止?jié){層，配合采用錨索注漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，增強(qiáng)深部巖體的完整性，強(qiáng)化其主動(dòng)承載性能，同時(shí)封堵導(dǎo)水通道，防止巖體遇水軟化，限制巷道圍巖再次破壞。⑤作為無支護(hù)的臨空界面，底板成為壓力釋放的突破口，為了保障巷道整體使用效果，在巷道底板中間位置開設(shè)卸壓槽，兼做排水溝，同時(shí)增大卸壓槽尺寸，確保卸壓變形后斷面能夠滿足排水使用。

3 工程實(shí)踐

3.1 碎裂頂板區(qū)圍巖控制方案

根據(jù)碎裂頂板區(qū)圍巖控制對策，結(jié)合類似條件下的巷道圍巖控制方案，采用工程類比法，綜合提出碎裂頂板區(qū)圍巖控制方案如下：

1)超前預(yù)支護(hù)：①采取循環(huán)壓茬式注久米納超前加固頂板及兩幫。如圖5所示，每茬施工注漿孔5個(gè)，1#孔位于頂板正中向下200mm位置，與巷道頂板夾角10°向上施工；2#、3#孔位于1#孔兩側(cè)向下位置，與1#孔間距1800mm；4#、5#孔位于巷道左右拱基線處，與2#、3#孔間距1800mm，與巷幫夾角30°，鉆孔水平傾角16°，若幫部完整穩(wěn)定，可不施工4#、5#孔。注漿孔孔徑均為32mm，孔深3600mm，注漿壓力5MPa。②超前注漿后套棚前，按照間距200mm、沿掘進(jìn)方位、與巷道頂板10°夾角，施工金屬骨架(?22mm×2400mm錨桿，配用1卷K2550樹脂錨固劑)，骨架外露不超過300mm，外露部分采用雙股10#扎絲綁扎固定在后方永久支護(hù)的金屬網(wǎng)片或錨桿上。然后垂直于頂板按間距600mm施工加固錨桿，配用150mm×500mm木墊板(垂直于掘進(jìn)方向放置)，壓在金屬骨架外端，將其固定在頂板上，形成組合金屬骨架。

圖5 碎裂頂板區(qū)圍巖控制方案(mm)

2)內(nèi)錨外架聯(lián)合控頂：①內(nèi)層支護(hù)金屬網(wǎng)規(guī)格為5200mm×800mm，搭接處壓茬200mm，采用雙股14#鐵絲聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)間距不大于100mm；錨桿規(guī)格為Φ22mm×2400mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×600mm，采用一卷K2550和一卷Z2880型錨固劑進(jìn)行錨固，錨固力120kN，扭矩200N·m。②U型棚采用36U型鋼加工，棚距為600mm，U型棚之間采用8#槽鋼拉條固定，一拉3棚，每棚4道，U型棚卡欄扭矩不小于200N·m。

3)控幫補(bǔ)強(qiáng)：每側(cè)U型棚棚腿各施工2個(gè)鎖棚錨桿，錨桿規(guī)格為?22mm×2400mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，采用一卷K2550和一卷Z2880型錨固劑進(jìn)行錨固，錨固力120kN，扭矩200N·m。同時(shí)在兩架U型棚之間施工注漿錨索，注漿錨索規(guī)格為?22mm×4300mm中空鋼絞線，每排5根，間排距為2600mm×1200mm，注漿錨索在巷道噴漿后進(jìn)行注漿，注漿滯后掘進(jìn)迎頭距離不超過50m；巷道噴漿厚度為150mm，混凝土標(biāo)號C20。底板卸壓水溝采用混凝土澆筑，厚度為100mm，混凝土標(biāo)號C10，水溝凈斷面尺寸為寬×深=500mm×450mm。

3.2 工程效果分析

巷道圍巖變形量：在現(xiàn)場布設(shè)2個(gè)測站監(jiān)測巷道圍巖變形收斂情況，編號為1-1#、1-2#，測站間距30m；經(jīng)現(xiàn)場觀測約20d后巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，巷道累計(jì)變形量如圖6所示。0-1#，0-2#為原揭煤段巷道測站觀測結(jié)果。

圖6 圍巖控制效果對比

由圖6可知，現(xiàn)方案較原方案圍巖控制效果好，頂?shù)装迤骄平坑?98mm降低至246mm，圍巖變形量降低58.9%；兩幫移近量由509mm降低至188mm，圍巖變形量降低63.1%。

鉆孔窺視：為驗(yàn)證注漿漿液對深部巖體的膠結(jié)效果，分別在1-1#和1-2#測站施工鉆孔進(jìn)行窺視，窺視孔孔深5m。窺視過程中明顯見注漿痕跡，破碎巖體重新膠結(jié)，提高了巖體的完整性。圍巖松動(dòng)圈范圍減小，僅孔口0.6m范圍內(nèi)局部巖體破碎，如圖7所示。

圖7 鉆孔窺視結(jié)果

4 結(jié) 論

1)現(xiàn)場調(diào)研分析了巷道變形特點(diǎn)，結(jié)合圍巖松動(dòng)圈測試，得出了巷道圍巖變形失穩(wěn)原因：破碎巖體降低了內(nèi)層錨網(wǎng)的支護(hù)性能，未能與圍巖形成統(tǒng)一承載體，圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)大及變形不均勻致使U型棚支護(hù)性能降低，支護(hù)阻力不足，圍巖擴(kuò)容膨脹，發(fā)生進(jìn)一步的破壞。

2)控制碎裂頂板圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)在于提升圍巖自身的承載強(qiáng)度，通過超前預(yù)注漿和組合金屬骨架可以實(shí)現(xiàn)破碎圍巖改性、圍巖應(yīng)力優(yōu)化，形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)破碎巖體的二次承載，強(qiáng)化內(nèi)層錨網(wǎng)支護(hù)效果，做到內(nèi)錨有效、外架可靠。

3)針對穿厚煤層碎裂頂板區(qū)圍巖變形特點(diǎn)，基于碎裂頂板圍巖控制機(jī)理及對策，提出了以“超前預(yù)支護(hù)+內(nèi)錨外架聯(lián)合控頂+鎖腿控幫+噴注補(bǔ)強(qiáng)+底板控水卸壓”聯(lián)合的組合控制技術(shù)；現(xiàn)場開展了工程實(shí)踐，取得了較好的支護(hù)效果。