风氧化浅埋软岩巷道变形机理及支护研究

孟 敏

(霍州煤电集团 晋北煤业有限公司, 山西 静乐 035100)

在矿井开采过程中存在各种各样复杂的地质条件，对安全开采形成严重威胁。其中，浅埋煤层在地表降水及日晒风化等作用下围岩内部裂隙加速发育形成较为破碎的软弱岩体，当巷道布置位于这些较为软弱的岩体中时，巷道的支护存在着极大的难度[1]. 近年来，诸多学者对软岩巷道支护做了大量的研究，传统的支护方案有：通过高强度预应力端头锚固锚索加固巷道顶部岩体结构，高强度锚索通过悬吊作用将较为不稳定的巷道表面岩体悬吊于较为稳定的巷道深部，提高围岩强度使得回采过程中工作面巷道具有相对稳定的结构，保证回采工作安全[2]；还可以通过注浆加固提高围岩强度，注浆液体经过高压动能渗入围岩已有的结构软弱面，注浆液体凝结后强度较高能保证围岩中原有的裂隙不再二次发育，使得巷道形成相对稳定的结构。破碎软岩支护方式有很多种，对于特殊的工程条件有不同的实用性，在工程实践操作中需充分考虑地质环境、经济成本及支护效果[3].

以晋北煤业公司井下一采区5-101回采工作面巷道为研究背景，分析回采过程中巷道变形破坏特征及原有支护方案，提出使用矿用中空注浆锚索在顶板内注入添加有机材料的改良注浆液体加固围岩，保证巷道稳定,为矿井安全生产提供最为合理的支护方案。

1 工程背景

霍州煤电集团晋北煤业公司一采区5-101工作面，所采煤层为5#煤，赋存厚度3.8～5.1 m，平均厚度4.7 m为中厚煤层。工作面距离最近的村庄430 m，上覆存在30 m厚的黄土层及50 m厚的基岩，上覆盖厚度较小，受地表降水下浸及风化作用，所掘进巷道上部岩层弱化较为严重。该工作面走向长度150 m，倾向长度150 m，在矿井设计时可采储量142 700 t，设计回采率可达94%. 巷道直接顶为4 m厚的灰黑色泥岩，岩层中结构裂隙较为发育，巷道基本顶为灰黑色灰岩，岩层中含有植物根茎化石和方解石，总厚度2.5 m，属于中硬类岩石，岩层中结构裂隙和直接顶一样较为发育。巷道直接底为含植物化石的泥岩，质地较软呈灰黑色，厚度约2 m. 工作面涌水量10～20 m3/h，来自顶板上方裂隙涌水，对工作面影响较大，工作面下方奥灰水位较低，对工作面没有威胁。所研究巷道断面尺寸4.5 m×2.6 m，原始支护方案为锚杆锚索+金属网支护，因煤层赋存较浅顶板岩体风化严重，锚索支护采用钢绞线端头锚固，锚固部位岩体松动锚固支护效果不佳，巷道破坏严重。

2 锚杆锚索支护巷道破坏分析

2.1 巷道破坏特征

在5-101工作面掘进初期，采用锚索锚杆加金属网的支护方案对所采工作面运输与回风顺槽进行支护，由于巷道上方围岩风化严重加之透水软化，锚索在锚固后5天内脱落率达40%，金属网内岩石破碎，破碎块直径小于30 cm，金属网下沉面积达70%，顶板最大下沉量超过20 cm，设置于巷道内的顶板离层仪在距该工作面所开切眼50 m处，均超出了顶板下沉安全数值。

2.2 巷道围岩破坏因素

在回采工作面及巷道顶板破坏区域内选取破坏后煤及岩石样本对围岩破坏因素进行研究，观察工作面顶板岩体及煤体的破坏可知，由于煤层赋存较浅，在地表降水及日晒风化的共同作用下巷道围岩裂隙较多，上部降水沿着岩体裂隙下渗软化岩体，使得工作面围岩难以支护，综合分析该运输巷道破坏因素主要有以下几个方面：

1) 上覆盖较浅致使岩体风化变软。由于工作面埋深仅为80 m左右，其中还包含约30 m的黄土层，土层较为疏松致使岩体有充分的氧化条件，经过长期地表风化侵蚀，在巷道开挖后顶板出现大量裂隙，顶板岩体破碎块直径小于20 cm，裂隙最大宽度超过2 mm，破碎的围岩通过普通的锚杆锚索无法形成稳定的拱梁支护结构，巷道支护难度较大。

2) 结构面导水软化围岩。地表降水不仅可以侵蚀上覆表土层，使得水土流失逐年加剧，煤层埋深不断变小，降水还会沿着岩体结构面下浸，长时间不断的侵蚀使原有的结构面更加软弱。工作面涌水量达10～20 m3/h，岩体中原有的裂隙在涌水作用下不断增大，破碎的岩体之间出现松动现象，完整的岩体不断吸水，内部还会遇水膨胀产生新的裂隙。

3) 煤体自身遇水软化。工作面巷道沿顶板布置，巷道一侧为所采煤层，当巷道开挖后上方顶板含水进入工作面软化煤体，巷道两帮的支撑力减小，巷道破坏更容易发生。工作面回采所得煤块直径均小于15 cm，其中粉末状煤炭占所采煤总体积的40%，较软的煤层也会导致顶板矿压显现剧烈，给支护增加难度。

3 巷道支护方案研究

5-101工作面回采巷道在掘进过程中时常遇到受风氧化的围岩和煤层，围岩极为松动，当巷道掘进机高功率运行时产生的采掘动压会直接扰动顶板岩层，掘进形成的巷道形状本身难以规则且支护时围岩极易松动，对矿井安全生产产生极大威胁。

巷道原有的支护方案为锚杆锚索加金属网支护，支护方案见图1，巷道两帮及顶板采用d22 mm，长度1.5 m的左旋螺纹钢锚杆，两帮间排距700 m×1 000 mm，顶板间排距为840 m×1 000 mm，由于顶板围岩较为破碎，因此仅在巷道顶部间隔1 600 mm布置两根锚索，且排距设置为3 000 mm，在锚索强度足够的情况下尽可能减少锚索钻孔对围岩的破坏。因原支护方案锚索锚固点为巷道上部6.35～7.3 m，顶板该段岩性为裂隙较为发育的细粒砂岩，在较大预紧力及破碎顶板的共同作用下，所开挖的运输巷道50 m范围内出现大量漏顶现象。

图1 预应力钢绞线锚索支护方案图

由于顶板破碎岩体块直径小于20 cm，裂隙宽度达2 mm，对于极为破碎顶板的支护通常采用注浆加固的方式稳定巷道围岩。在该巷道顶板锚杆两排中间设置注浆孔，见图2. 该孔的深度与锚杆孔深度相同，采用42.5普通硅酸盐水泥，水灰比1∶1进行刚性注浆加固。在巷道50～60 m对该支护方案进行试验，因为锚杆孔深度有限，仍然无法改变锚索锚固脱落的现象。

图2 锚杆排间刚性注浆孔布置图

原锚索支护与顶板刚性材料注浆从根本上无法解决支护中锚索锚固点破碎,锚固失效问题，综合矿井实际生产状况并参考同类型工作面巷道支护方案,提出采用中空矿用锚索注浆加固的方式提高顶板更深处的围岩承载能力。注浆采用SKZ22-1/1860中空矿用注浆锚索，中空锚索可直接作为注浆孔，有利于注浆液体扩散，该锚索d22 mm，由于注浆液体充填锚索全长锚固，抗压强度可达1 860 MPa. 对于顶板较深处注浆，采用42.5普通硅酸盐水泥加8%的ACZ-Ⅱ注浆添加剂作为注浆液体，注浆水灰比0.8～1.5，根据注浆压力变化适当调整。在有机添加剂的作用下，注浆液体扩散较为充分，中空锚索有机材料注浆的效果图见图3，注浆液体可以扩散至锚索锚固段，可有效地解决锚索滑脱问题。

图3 中空锚索注浆加固扩散范围图

4 支护方案作用机理及效果分析

4.1 支护方案作用机理

采用中空锚索有机材料注浆加固的方式，主要是通过注浆改变岩体的力学性能，提高其支护效果。其支护机理主要包括以下几点：

1) 防止风化及地表水侵蚀。

当注浆液体沿着顶板原有的裂隙进行封堵充填后，可有效地隔绝空气继续进入顶板裂隙氧化结构面，同时防止地下水下渗侵蚀岩体，对围岩强度继续降低有阻碍作用。

2) 多层组合拱结构支护体系。

注浆液体沿着中空锚索扩散，在巷道顶板0～8 m内有效充填，巷道顶板形成多个组合拱体，包括锚索预紧力压缩拱和注浆端头扩散拱，不同层次的组合拱体使顶板承载范围更大。

3) 提高围岩自身支护体强度。

将注浆液体注入顶板后，原有的破碎松散岩体形成较为稳定的胶结整体，岩体整体抗拉抗压强度都会有所提高，围岩自身形成稳定的支护结构。

4) 提高支护结构的整体强度和平衡性。

中空注浆锚索为全长锚固，在锚固初期依靠施加于锚索的预紧力可有效控制围岩初期变形，在注浆体凝固之后锚索和注浆体形成联合支护整体，共同承载，避免应力集中，提高了支护结构的整体强度和平衡性。

5) 支护体受力平衡，避免应力集中导致局部破坏。

注浆加固后顶板形成一个稳定的结构体，来自上方的顶板压力直接传递至巷道两帮，通过巷道两帮卸载及载荷传递，支护体范围变大，巷道围岩塑性变化受到抑制，巷道趋于稳定。

4.2 支护效果分析

在5-101运输巷道现场，应用原始钢绞线锚索支护、顶板锚杆排间刚性材料注浆、中空锚索改良材料注浆3种支护方案进行试验，同时监测该巷道顶板中心点位移，不同的支护体系下顶板位移对比见图4.

图4 不同支护方案顶板下沉量对比图

通过图4对比可知，使用钢绞线锚索支护时巷道顶板破碎位移量可达23 cm，还伴有漏顶现象出现，通过锚杆排间刚性材料注浆可控制顶板表面围岩破坏，顶板变形量为18 cm，在中空锚索改良材料注浆加固下，巷道顶板最大位移量控制在7 cm的范围内，巷道变形得到控制。

5 结 论

1) 5-101工作面顶板破碎主要是因为钢绞线锚索锚固点处于破碎风化岩体内，锚固段脱落导致支护效果不佳。

2) 采用普通锚杆排间刚性材料注浆加固顶板，注浆范围仅为1.5 m深的锚杆支护范围，无法从根本上解决锚索锚固脱落的问题。

3) 在中空锚索改良材料注浆支护方案下，不仅解决了锚固段围岩破碎无法固定锚索的问题，同时加固了整个支护范围，形成完整的支护体系，将顶板变形量控制在7 cm的范围内，实现矿井安全生产。