马兰矿10608 低抽巷松散软弱围岩控制技术研究

张 超

（西山煤电集团有限责任公司马兰矿， 山西 古交 030200）

我国是以煤炭为主要消费能源的产煤大国，煤炭支撑着国民经济的快速发展，随着煤炭开采强度的持续增加，国内中东部浅埋、易采煤层已逐渐开采殆尽，煤炭开采面临的条件日益复杂化[1]。长期以来，矿井瓦斯事故一直是矿井灾害中发生频率、伤害程度最大的[2]。目前，瓦斯抽采成为我国高瓦斯矿井、煤与瓦斯矿井工作面开采前的首要工作，其中工作面布置低抽巷进行瓦斯作为一项治理瓦斯的手段应用较为广泛[3]。

随着煤炭开采条件的恶化，深井巷道、软岩巷道围岩大变形情况日益突出[4,5]，其中，软岩巷道具有自稳时间短、持续、快速大变形等特点，巷道维护相对困难。而低抽巷围岩稳定能够有效保障其持续安全抽采瓦斯，保障工作面安全正常生产，因此，矿井对底抽巷断面尺寸要求、围岩表面收敛情况都有着明确规定和要求[6]。马兰矿10608 低抽巷围岩松散软弱，易大变形，为保障试验巷道服务期间，其断面尺寸、变形发育情况满足瓦斯抽采要求，本文以10608 低抽巷松散软弱围岩为研究对象，通过分析软岩巷道变形规律，揭示软岩巷道失稳及稳定控制路径，开发马兰矿10608 低抽巷松散软弱围岩控制技术，研究成果可为类似条件巷道围岩控制提供借鉴。

1 工程背景

马兰矿位于山西古交（见图1），位于低山区，整体呈西南高、东北低，年产400 万t。10608 工作面回采山西组02 煤层，平均厚度2.00 m；上部存在0.2 m伪顶；直接顶为粉砂质泥岩，遇水易变软，厚度在2.2～4.7 m 之间，平均3.4 m；基本顶为强度较大的粉砂岩，平均厚度3.1 m；基本底为2.6 m 的细砂岩，瓦斯含量较高，为此，马兰矿计划布置低抽巷进行10608 工作面瓦斯抽采，10608 低抽巷布置在松散软弱围岩，属软岩巷道，断面宽4.8 m，高2.8 m。

图1 马兰矿地理位置图

2 软岩巷道变形规律特征

软岩巷道包括工程软岩巷道和地质软岩巷道，该类巷道围岩具有明显的流变现象，易失稳，支护不当极可能导致巷道大变形，在提出软岩巷道围岩控制技术之前，首先进行分析软岩巷道的变形特征，下页图2 给出了几条软岩巷道现场变形照片，从图2中可以看出软岩巷道围岩变形情况十分严重。

下面总结了几条软岩巷道变形特征：

1）自稳时间短。巷道掘出后，若不及时进行支护，几个小时、甚至几十分钟巷道就开始失稳。

2）持续、快速大变形。软岩巷道具有变形时间长、速度快、变形大等特点，普遍存在持续变形时间高达半年以上、变形量高达1 m 以上、变形速度高达50 mm/d 以上。

3）底鼓剧烈。剧烈底鼓诱发巷道两帮出现台阶式变形，顶板冒落，最终导致巷道失稳灾变，因此软岩巷道底板支护尤其关键。

4）不适用刚性支护。由于变形量大，围岩自身承载能力低，刚性支护易损坏。

由于刚性结构支护的不适用，预应力锚杆（索）支护成为目前软岩巷道柔性支护的首选。

图2 软岩巷道现场变形照片

3 软岩巷道控制技术

3.1 软岩巷道稳定控制原则

1）协调变形原则。协调支护结构承载变形与围岩变形完整性，降低碎胀变形量，适应巷道来压时的应力变化。

2）一体化原则。支护结构-围岩一体化，通过优化设计支护参数，促使支护-围岩形成整体承载结构，一体化承载。

3）局部强化原则。现场工程应用时，局部薄弱区域，如断层、褶曲等构造附近，采用加强支护，避免局部诱发巷道整体灾变。

3.2 软岩巷道稳定控制思路

1）强化软岩岩体承载性能。围岩注浆强化。采用水泥浆液（水灰比为1.0∶1.5）注浆提高软岩岩体承载性能，形成高强度锚固体，降低岩体碎胀变形能力，选择急增阻高承载中空注浆锚索实现锚注一体化，水泥浆液通过注浆芯管，渗透软岩巷道围岩裂隙，黏结松动围岩，改善巷道围岩条件，显著提高其自承能力，能够减少围岩锚固力的衰减，实现一次强化围岩。

2）高强度护表+“三高锚杆”+预应力锚索。“三高锚杆”（高强度、高刚度、高预紧力）进一步强化思路1）中形成的高强度锚固体，高强度护表材料约束巷道浅部围岩碎胀变形（片帮、顶板局部脱落的现象），限制破裂岩体的剪切滑移变形，实现二次强化围岩；预应力锚索将巷道浅部围岩高强度锚固体与深部岩体锚固成一体，实现多次强化支护。

3）混凝土厚喷层防风化+支护结构合理补偿。混凝土厚喷层50 mm 封闭围岩，进行巷道矿压显现观测，进行局部加强支护，采用大直径锚索+三高锚杆及时修复所损坏的支护结构，避免巷道出现大变形现象。

3.3 控制技术

马兰矿10608 低抽巷松散软弱围岩控制技术主要包括围岩注浆强化、高强度护表+“三高锚杆”+预应力锚索加强支护、混凝土厚喷层封闭岩层3 部分组成，具体如下：

3.3.1 围岩注浆强化

采用水泥浆液（水灰比为1.0∶1.5）注浆，注浆孔直径30 mm，长度2 m，间排距1.4 m×1.8 m，急增阻高承载中空注浆锚索规格L4.3 m×Φ22 mm，配规格150 mm×150 mm、厚15 mm 蝶形托盘，顶板间排距1.4 m×1.6 m。

3.3.2 高强度护表+“三高锚杆”+预应力锚索

1）顶板支护。锚杆规格为L2.2 m×Φ22 mm 左旋高强锚杆，间排距0.8 m×0.8 m，配规格150 mm×150 mm、厚15 mm 蝶形托盘，采用6 mm 双筋梯子梁链接；锚索规格为L6.3 m×Φ21.6 mm，采用2-1-2 布置，间距2.2 m，排距0.8 m，配规格300 mm×300 mm、厚20 mm 蝶形托盘，采用M 型钢带连接（厚3 mm），钢筋网10 号钢筋编制而成，规格4.8 m×1.0 m 搭接而成。

2）两帮支护。锚杆规格为L2 m×Φ22 mm 左旋高强锚杆，间排距0.8 m×0.8 m，配规格150 mm×150 mm、厚15 mm 蝶形托盘，采用6 mm 双筋梯子梁链接；锚索规格为L4.3 m×Φ21.6 mm，间距1.2 m×1.6 m，配规格300 mm×300 mm、厚20 mm 蝶形托盘，采用M 型钢带连接（厚3 mm），钢筋网10 号钢筋编制而成，规格3.0 m×1 m 搭接而成。

3）底板支护。锚杆规格为L2.2 m×Φ22 mm 左旋高强锚杆，帮部一排，距底板0.2 m，角度15°，底板一排，距底角0.2 m，间排距0.8 m，角度45°。

3.3.3 混凝土厚喷层50 mm 封闭围岩

4 控制效果分析

马兰矿10608 低抽巷松散软弱围岩控制技术应用后，进行了巷道表面位移收敛情况观测，图4 给出了巷道表面位移收敛与时间的变化曲线，从图中可以看到试验巷道变形可分为迅速变形（平均变形速率2～3 mm/d）、缓慢变形（平均变形速率低于0.5 mm/d）两个阶段，其中巷道掘出后迅速变形约20 d 后，巷道变形进入缓慢变形阶段，巷道左帮最大移近量约41 mm，右帮最大移近量约44 mm，顶板最大移近量约33 mm，底板最大移近量约5 757 mm，总体来看，巷道底鼓相对严重，但试验巷道在服务期内并未出现大变形，满足底抽巷服务要求，巷道围岩稳定控制效果较好。

图3 巷道支护断面（mm）

图4 巷道表面移近量

5 结论

1）分析得到了软岩巷道变形规律特征：自稳时间短，持续、快速大变形，底鼓剧烈，刚性支护易损坏等特点。提出了软岩稳定控制三个原则：协调变形原则、一体化原则、局部强化原则。基于此，形成了软岩巷道稳定控制思路：强化软岩岩体承载性能；高强度护表+“三高锚杆”+预应力；锚索混凝土厚喷层防风化+支护结构合理补偿。

2）开发了马兰矿10608 低抽巷松散软弱围岩控制技术：围岩注浆+中空注浆锚索强化围岩形成高强度锚固体；高强度护表+“三高锚杆”+预应力锚索二次强化围岩，促使浅部-深部岩体一体化；混凝土厚喷层封闭围岩防风化+支护结构合理补偿。目前，该控制技术已成功应用于马兰矿10608 低抽巷，矿压监测显示，试验巷道松散软弱围岩控制效果良好，可为类似软岩巷道、低抽巷围岩控制提供参考。