软岩顶板巷道掘进围岩协同控制技术研究

王之伟

（汾西矿业高阳煤矿， 山西 孝义 032300）

引言

当矿井掘进巷道顶板软岩时，由于岩体内本身承载能力及稳定性较差，从而导致巷道支护使用的锚杆、锚索等支护效果弱化；若采用以钢架棚为主的被动支护方式，支护体系与围岩未能形成有效承载单元，则容易导致巷道在掘进或者采面回采时出现垮落问题[1-3]。如何提高软岩顶板巷道围岩支护效果，成为此类地质条件巷道掘进时需要重点解决的问题。为此，部分研究学者对此类地质条件巷道围岩控制技术展开研究，其中李本奎等提出综合使用锚网索、钢架棚及高强混凝土，对泥岩入侵顶板巷道进行控制，确保了巷道后续使用安全；李延春等对泥质胶结软岩巷道变形量大、围岩承载能力不强等问题，从改善巷道围岩受力状态及提高围岩支护体系稳定性出发，针对性提出支护技术，实现了泥质胶结软岩巷道围岩稳定[4-6]。由于各区域煤层赋存条件存在显著差异，应针对矿井现场实际条件设计软岩巷道顶板围岩支护技术，方可为巷道后续使用创造良好条件[7]。本文以山西某矿15106 运输巷掘进为工程研究对象，对泥质胶结软岩巷道支护面临问题进行分析，并提出采用协同控制技术对围岩进行控制，现场取得较好应用成果。

1 15106 运输巷概况

1.1 地质概况

15106 运输巷沿着15 号煤层顶板掘进，巷道为矩形断面（净面积16.8 m2、净高4.0 m、净宽4.2 m），设计掘进长度1 590 m。15 号煤层为矿井现阶段主采煤层，煤厚均值4.08 m，受到区域地质构造影响煤层部分区域顶板为泥质石灰岩（夹杂黄泥）、泥岩及石灰岩，底板以石灰岩为主，具体15 号煤层顶底板岩性如图1 所示。根据邻近采面采掘揭露资料显示，在15106 运输巷掘进范围内巷道顶板为泥质石灰岩，同时顶板破碎、裂隙扩展，巷道两帮煤体强度降低。巷道在此条件下掘进时围岩变形显著，支护采用的锚杆索出现失效。

图1 15 号煤层顶底板岩性

1.2 岩性概况

对15106 运输巷顶板软岩段进行钻孔窥视，发现巷道顶板岩层不同程度出现黄泥夹层情况，顶板上方2.2～2.8 m 段较为破碎，3.1～3.7 m 位置纵向裂隙扩展，3.9～4.5 m 位置破碎。取样对顶板软岩进行分析，发现软岩顶板、煤体夹杂的黄泥中黏土成分占比分别达到64.5%、57.6%，黏土遇水容易崩解、膨胀变形，会进一步降低软岩顶板及煤体承载能力，具体围岩矿物质成分见表1。

表1 围岩矿物质成分含量 %

2 巷道软岩顶板段围岩协同控制技术

对15106 运输巷掘进至软岩顶板段围岩变形进行分析，发现顶板岩体被黄泥充填、裂隙发育、围岩承载能力差及现有支护体系不合理等是导致巷道围岩变形量过大的主要原因。为此，本文结合以往研究成果及类似情况下其他矿井巷道支护设计方案，提出采用围岩协同控制技术，具体是结合锚网索、钢架、喷浆方式对围岩进行控制。

2.1 协同控制技术参数

为实现15106 运输巷围岩高效控制，本文将锚网索、钢架、喷浆等支护技术相结合，实现围岩协同控制，并将巷道断面由矩形改为半圆拱形。在支护时，在锚网索主动支护体系基础上，采用可伸缩钢架（U 型钢）、表层喷浆，充分发挥主动支护、被动支护效果，并对表层围岩裂隙进行封堵，降低空气、水等对软岩弱化影响。围岩支护断面图，如图2 所示。

图2 围岩支护断面图（单位：mm）

2.1.1 锚网索支护

在巷道掘进完成后为降低围岩变形量并确保岩体稳定性，应及时采用高强度锚杆、锚索对围岩进行控制。通过锚网索及时支护，可改善围岩受力并避免局部位置出现应力集中，利于围岩形成结构相对完整的承载单元。同时给支护使用的锚杆、锚索提供较大的预紧力，可避免顶板软岩离层量增大。

顶板支护采用的锚杆为高强螺纹钢锚杆（Φ20 mm、长2 400 mm），锚杆间排距均为1 200 mm，预先施加300～500 N·m 预紧力矩，用树脂锚固剂锚固端头（锚固长度控制在600 mm）；支护用锚索为钢绞线（Φ17.8 mm、长 5 300 mm），按照间距 2 000 mm、排距2 400 mm 布置，锚索锚固端有效锚固长度增加至1 200 mm。

巷帮支护采用螺纹钢锚杆Φ20 mm×2 200 mm、钢绞线锚索Φ17.8 mm×4 300 mm 支护，分别按照间排距 1 200 mm、1 000 mm，1 200 mm、2 200 mm布置。

2.1.2 钢架棚支护

采用可伸缩钢架确保巷道断面，采用的U 型钢架具有较强的支护强度，可有效弥补锚网索主动支护刚度不足问题。采用的钢架棚材质为29U 型钢，钢架棚间距设计为1 000 mm，中间采用长为1 000 mm 的拉杆连接。

2.1.3 表层喷浆

对围岩进行表层喷浆后，可有效封闭巷道表面，降低空气、水等给顶板泥岩弱化影响。喷浆选择采用C25 混凝土，厚度控制在100 mm。

2.2 围岩控制效果分析

在15106 运输巷掘进期间对间隔100 m 位置分别布置2 个测站，对采用的协同控制技术方案现场应用效果进行分析。具体2 个测站获取到的巷道围岩变形监测结果如图3 所示。从图3 中看出，随着巷道围岩支护时间增加，巷道围岩变形量呈先逐渐增高后逐渐趋于平稳的趋势。测站在距离掘进迎头45 m 后，巷道围岩变形速度增加量明显降低；巷道围岩变形以两帮变形为主，顶底板收敛量相对较小。从监测结果看出，巷道支护完成后两帮最大变形量为73 mm（1 号测站两帮移近量），顶底板收敛量为27 mm（2 号测站顶底板移近量），围岩变形量整体较小，可满足巷道后续使用需要。

图3 围岩变形监测曲线

3 结语

15106 运输巷在软岩顶板段掘进时，受到顶板泥岩充填及裂隙发育等影响，巷道围岩变形量较大，给巷道后续使用带来较大制约。为维持巷道围岩稳定，提出将运输巷断面由矩形改为半圆拱形，并通过锚网索、钢架棚、喷浆等相互作用提高围岩控制效果。

根据15106 运输巷现场实际条件，对协同控制技术方案进行设计，并进行工程应用。结果表明，所提支护方案可实现软岩顶板巷道围岩有效控制，围岩变形量较原有支护方案降低90%以上，最终巷道两帮、顶底板变形量分别稳定在93 mm、37 mm。现场支护采用的协同控制技术方案充分发挥主动支护、被动支护优势，并可降低空气、水等对顶板泥岩的影响，提高围岩自身稳定性。