破碎围岩巷道加固支护技术研究与实践

刘奇珍

（吕梁市煤炭工程质量监督站， 山西 吕梁 033000）

引言

动压及构造影响的破碎围岩巷道在我国煤矿开采中普遍存在且具有量大面广的特点。目前有50%以上采动巷道的支护与围岩变形不相适应，支护结构破损严重，已严重影响了巷道通风、行人和运输[1-4]，理论上和生产上都迫切要求解决该类巷道的围岩变形活动规律及其控制的问题。随着开采范围的扩大和采面的推进，很多原来采用“砌碹支护”、“锚喷支护”“U型钢支护”的开拓巷道如运输大巷等受到采面动压的影响发生了不同程度的破坏。如果采用原支护方式返修，为满足生产要求，需要频繁返修并影响生产，还导致支护成本急剧增加，为改变支护状况和降低支护成本，必须改用适合返修巷道的新型支护技术[5-6]。

1 巷道地质条件

某矿470m水平南翼大巷五采车场石门段穿越15煤底板，最初支护形式采用锚杆、砌碹联合支护，巷道净宽4.2m，净高3.5m。由于巷道压力显现严重，两帮及顶板变形很大，底鼓严重，碹体巷道严重收缩变形破坏，不能满足正常使用要求。

2 巷道围岩变形特征分析

为充分掌握巷道围岩破碎情况，采用钻孔窥视仪观测巷道围岩。图1为巷道顶板围岩不同深度钻孔窥视图。

由图1可知，0.2～0.5m位置，钻孔围岩破碎严重，呈松散颗粒状，钻孔坍塌成形困难。1.0～2.0m位置，钻孔成形情况有所好转，但钻孔壁凹凸不平，成形仍不规则，从更深处钻孔围岩状况分析来看，1.0～2.0m位置围岩破碎情况好转应该属于局部现象。2.4～2.8m位置钻孔成形极度不规则，围岩比较破碎，有较多较大裂隙，但破碎程度和0.2～0.5m位置处较轻。3.5m位置钻孔成形规则，但明显能看见钻孔壁上有较多裂隙，围岩仍遭到破坏。4.0m位置钻孔成形规则，钻孔壁光滑，无裂隙，可见4.0m位置处围岩完整未破坏。

图1 顶板围岩不同深度下钻孔窥视图

通过以上分析可知，巷道在3.5m范围内由围岩浅部至深部，围岩破碎情况逐渐减轻，到4.0m位置时围岩完整。因此，虽然不同的位置松动圈大小不同，但是从钻孔窥视图可知，巷道围岩松动圈范围大致在3.5m左右。

巷道掘进后，在高应力和采动影响下，巷道破碎范围较大。应力引起的浅部围岩初始破坏，围岩逐渐破碎，影响巷道原锚杆支护的着力基础，当锚杆逐渐失效后，锚固区围岩承载能力急剧降低，高应力向深部转移，转移过程中导致围岩破碎范围进一步增大，破碎范围内围岩呈软弱、松散、破碎状态，围岩自稳性差，极易冒顶和底鼓，而底鼓使两帮及顶板位移量加剧，持续时间长，支护结构失稳承载能力大幅降低，从而出现围岩变形断面收缩，导致巷道无法满足使用要求。

3 加固支护技术方案设计

根据前面的研究分析，确定了巷道的支护方案，即采用先对巷道围岩注浆加固巷道破碎围岩，然后采取锚杆支护和U型钢支护以及巷道关键部位加强支护等手段联合支护巷道以控制围岩变形。支护参数主要包括以下几个方面。

为了进一步地加固巷道破碎围岩，本次注浆采用的方式为浅部注浆和深部注浆相结合，浅部布置注浆孔，孔深1.5m，直径42mm，间排距1.2m×1.6m，注浆管Φ25mm×500mm；深部注浆孔孔深3.2m，直径42mm，间排距1.2m×1.6m，采用Φ25mm×3 000 mm注浆锚杆注浆加固，深孔与浅孔交错布置；在拱脚处这一巷道关键部位布置一深孔和浅孔，孔与水平方向成30°角。注浆孔布置如图2所示。

图2 注浆孔布置图（mm）

滞后深部注浆一段距离（15～20m），与内注浆锚杆隔排布置螺纹钢锚杆加强支护，锚杆间排距1.2m×1.6m，锚杆规格Φ22mm×2 400mm。并采用U29型钢棚，棚距为800mm。

4 工程应用

为某矿470水平南翼大巷五采车场段巷道在整修前，严重变形、断面收缩严重，已无法满足生产使用要求，且严重威胁工作人员的人身安全。整修并注浆加固后，巷道围岩稳定性明显改善。整修前后支护效果对比如图3所示。

图3 巷道整修前后效果对比

现场监测的巷道整体轮廓形状、尺寸基本没有变化，支架梁、腿没有出现弯曲、凸起迹象，底鼓变形量减小，未出现流变现象，巷道围岩处于稳定状态，工业试验后巷道断面收敛变形控制在3%。现场变形测试结果与数值计算模拟结果比较接近，它既可提供补强支护力，又可限制围岩发生流变，保证了地下工程设计断面和使用功能。表明注浆+锚杆+U型棚支护能够满足破碎软岩巷道修复治理的要求。

图4为注浆前后巷道顶板钻孔窥视图。由图中可以看出，在注浆前，顶板深处由于顶板离层，已产生破碎，导致巷道的自承能力减弱，如果这时仅仅依靠架棚支护，必然导致巷道继续破坏。注浆后，破碎围岩被黏结强度大的化学浆液黏结在一起，致使围岩的残余强度增加，从而围岩自承能力变大。

图4 注浆前后围岩效果对比

5 结论

针对巷道围岩变形破坏机理和变形破坏特征，提出采用注浆+锚杆+U型钢+关键部位加强支护的支护方案，并得到了以下结论：

1）通过对破碎围岩注浆加固并结合U型钢、锚杆支护等支护方式，增强巷道浅部围岩承载能力，提高对深部围岩的支护能力；

2）分析不同支护方案条件下，巷道顶底板、两帮位移可以得出，注浆加固能有效改善围岩力学性能，发挥自承能力；

3）注浆加固与锚杆支护技术相结合，提高破碎围岩的残余强度及变形能力，使破碎围岩锚固体具有较好的让压性能和较大的支护强度，巷道变形大幅减小；

4）对巷道关键部位（拱脚处）注浆加固能有效地控制巷道底鼓和两帮变形。