掘进巷道过陷落柱破碎围岩控制技术研究

武双忠

（山西汾西矿业集团柳湾煤矿， 山西 孝义 032300）

巷道掘进过地质构造期间如何确保围岩稳定是巷道掘进时需重点解决的问题[1-2]。当巷道掘进过陷落柱时，由于陷落柱内岩体往往呈现裂隙发育、易风化、稳定性差等特点，从而导致巷道掘进过程中容易出冒顶、顶板垮落等问题[3-4]。为此，众多的研究学者对掘进巷道过陷落柱破碎围岩控制技术展开研究，并提出注浆加固、架棚、喷浆、单点锚索等各种围岩支护方式，现场应用取得一定的成果[5～7]。文中就以山西某矿5301 运输巷掘进过TX1 陷落柱为工程背景，提出综合使用超前注浆+锚网索+架棚支护技术对陷落柱内破碎岩体进行控制，现场取得较好围岩控制效果。

1 工程概况

山西某矿5301 工作面设计开采3#煤层，煤层埋深为390 m，厚度5.8 m、倾角2°。3 号煤层顶底板以粉砂岩、砂质泥岩等为主。5301 运输巷用以采面通风、煤炭运输工作，巷道净宽×净高=5.0 m×3.3 m。5301 运输巷掘会揭露TX1、X181 陷落柱，其中TX1陷落柱（长轴42.8 m、短轴30.2 m），巷道掘进长度42.8 m；X181 陷落柱（长轴93.4 m、短轴92.4 m），预计影响巷道掘进距离为20 m，具体掘进巷道与陷落柱间位置关系见图1 所示。

图1 掘进巷道与陷落柱间位置关系图（m）

探测到TX1、X181 陷落柱均不含水且均不具备导水性，陷落柱内为泥质胶结砂岩、破碎，巷道掘进至陷落柱位置时容易出现顶板冒落风险，从而给巷道围岩控制以及掘进安全等带来威胁。为此，在5301 运输巷掘进过陷落柱时提出综合使用超前注浆+架棚+锚网带支护技术对陷落柱内破碎围岩进行控制。

2 巷道掘进过陷落柱破碎围岩控制技术

2.1 破碎围岩超前注浆加固

2.1.1 注浆加固钻孔布置

具体在5301 运输巷布置的超前加固钻孔参数见下页表1 所示，钻孔布置见下页图2。注浆加固钻孔需要控制巷道顶板、巷帮等位置破碎岩体。在运输巷掘进迎头位置布置1 号—5 号注浆加固钻孔，通过注浆将掘进迎头前方顶板破碎岩体进行加固，在掘进工作面前方破碎岩体稳定性；在运输巷内布置的6 号、8号钻孔分别对巷帮破碎围岩进行加固，通过注浆提高巷帮岩层稳定性以及抗变形能力；7 号钻孔对掘进前方破碎岩体进行加固，避免巷道掘进过程中迎头破碎岩体出现掉落问题；9 号—11 号钻孔对巷道底板岩层进行加固，不仅可以给巷道掘进创造较好底板条件而且可避免底板岩体在围岩应力作用下出现较大底鼓问题。在掘进迎头布置2 个检查钻孔，对注浆加固效果进行考察。

图2 钻孔布置图（mm）

表1 钻孔施工参数

2.1.2 注浆加固工艺

由于5301 运输巷掘进前方TX1、X181 陷落柱对巷道掘进影响较大，通过一次超前注浆难以有效对陷落柱内破碎岩体进行加固，同时也存在注浆时间长、施工难度高以及注浆加固效果难以保证等问题。为此巷道超前注浆采用分段式注浆方式，即钻孔施工、注浆等分段交替进行。依据掘进巷道以及陷落柱分布情况确定单次注浆长度为20 m、预留2 m 作为安全维护距离，因此单次注浆有效长度确定为18 m。钻孔注浆选择使用化学浆液，浆液由A、B 两种组分构成，浆液水灰质量比按照0.8∶1.0 确定。为实现注浆浆液在孔隙内有效扩散，选择使用高压注浆方式，注浆压力设定为10～15 MPa。

2.2 锚网索支护

在巷道掘进至陷落柱破碎带后采用锚网索支护方式对围岩进行永久支护。巷道顶板布置6 根高强锚杆（Ф22 mm×2 800 mm），按照900 mm 间距、1 000 mm排距布置，锚杆使用树脂锚固剂进行长锚固，锚固长度为900 mm，并使用钢筋托梁连接临近锚杆；顶板布置2 根锚索（Ф22 mm×6 300 mm），按照2 000 mm 间距、1 000 mm 排距布置。

巷帮锚杆与顶板一致，每侧布置3 根，间排距均设计为1 100 mm×1 000 mm。巷道顶板、巷帮均使用镀锌铁丝编制而成的钢筋网进行护表。具体锚网索支护设计见图3 所示。

图3 锚网索支护设计图（mm）

2.3 架棚支护

架棚棚梁使用12 号工字钢梁，长度4 300 mm；棚腿使用U25 钢，上棚腿、下棚腿长度分别为1 800 mm、2 000 mm，棚腿外扎角控制在35°～45°，柱窝深度控制在200 mm，棚腿与巷帮间距控制在450 mm 以内。架棚间间距为1 200 mm，并使用长度1 400 mm 背板将架棚与顶板、巷帮背实。

3 破碎围岩控制效果分析

5301 运输巷掘进通过TX1、X181 陷落柱后，对陷落柱影响范围内围岩变形进行检查。具体监测结果见图4 所示。

图4 围岩变形监测结果

从围岩变形监测结果看出，对陷落柱破碎岩体进行超前注浆、锚网索以及架棚支护后，巷道围岩在支护完成后的20 d 基本区域稳定，其中顶底板、巷帮变形量峰值分别控制在156 mm、142 mm。运输巷围岩变形量在安全范围内，不会给巷道正常使用威胁。

4 结论

1）巷道掘进遇陷落柱时面临现冒顶、围岩变形量大等问题，给巷道掘进以及围岩控制带来较大安全威胁。针对5301 运输巷掘进通过TX1、X181 陷落柱期间岩体破碎问题，提出使用超前注浆、锚网索、架棚等方式对围岩变形进行控制。

2）在陷落柱破碎岩体中进行超前注浆，可提高破碎岩体稳定性以及强度；使用锚网索支护充分发挥岩体自身承载能力，避免出现较大变形；采用架棚支护给巷帮、顶板一定作用力，减少围岩变形量。依据现场实际情况，对掘进过陷落柱时围岩支护参数进行设计。现场应用后，巷道顶板、巷帮变形量分别控制在156 mm、142 mm以内，可满足巷道掘进以及后续使用需要。