金能煤业穿层巷道围岩变形及锚注喷联合控制技术

任泽明

（霍州煤电集团金能煤业有限公司，山西 忻州 035100）

受地层赋存条件和矿井开拓部署需要，巷道掘进时会面临着穿层现象。由于不同岩层自身结构和承载能力的差异性，当巷道穿过软硬岩层交替的界面时，巷道易在软弱岩层部位出现变形破坏，甚至诱发围岩整体结构失稳。因此，不少专家学者对穿层巷道围岩变形失稳规律进行研究，提出了相适应的控制技术[1-5]。金能煤业东翼集中回风上山担负中一采区回风任务，根据地质资料显示，东翼集中回风上山在掘进过程中将揭露细粒砂岩、砂质泥岩、煤层等不同岩层，在穿层过程中围岩易出现大变形现象。因此，以东翼集中回风上山掘进揭露不同岩层为工程背景，通过分析不同工况条件下穿层巷道围岩变形规律，开展穿层巷道围岩变形及锚注喷联合控制技术研究与应用，为类似巷道围岩控制提供借鉴。

1 工程概况

东翼集中回风上山开口位置为+980 m 轨道大巷，巷道设计直墙半圆拱形断面，宽度5.0 m，墙高1.15 m，设计长度1306 m。巷道掘进层位属于二叠系下统山西组2#煤，2#煤厚0.6～0.4 m，煤层含0～4 层夹矸，结构复杂，煤层倾角7°～28°。煤层基本顶为砂质泥岩，厚度6.37 m，深灰色，水平层理，质硬；直接顶为泥岩，厚度4 m，浅灰色；直接底为砂质泥岩，厚度2.6 m，深灰色，松软；基本底为细粒泥岩，厚度9.6 m，浅灰色，坚硬。东翼集中回风上山开口位置位于基本底岩层细粒砂岩，以12°倾角向上掘进，巷道掘进时主要揭露细粒砂岩、砂质泥岩、煤层等岩层。

2 穿层巷道围岩变形规律

基于东翼集中回风上山生产地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件，建立穿层巷道数值计算模型，模拟分析不同工况条件下巷道围岩变形规律，如图1。GK1 为巷道位于细粒泥岩中，GK2 为巷道位于细粒泥岩、砂质泥岩中，GK3 为巷道位于砂质泥岩、煤层中，GK4 为巷道位于煤层中。

由图1（a）、（b）分析可知，巷道在穿层过程中不同工况下（GK1～GK4）顶板下沉量分别 为45 mm、147 mm、272 mm、255 mm，呈“GK1＜GK2＜GK4＜GK3”的 规 律；肩 角 变 形 量分 别 为40 mm、144 mm、237 mm、215 mm，呈“GK1＜GK2＜GK4＜GK3”的 规 律；底 鼓 量 分别 为71 mm、105 mm、196 mm、232 mm，呈“GK1＜GK2＜GK3＜GK4”的 演 化；帮 部 移 近 量分 别 为56 mm、66 mm、201 mm、225 mm，呈“GK1＜GK2＜GK3＜GK4”的规律。整体看，巷道位于细粒泥岩时，其围岩变形最小；巷道由细粒泥岩揭露穿层至砂质泥岩时，巷道顶板及肩角位置变形量显著增加；巷道由砂质泥岩揭露穿层至煤层时，巷道围岩变形均呈增加趋势；巷道沿煤层掘进时，顶板变形量相对减小，底鼓量相对增加。

3 穿层巷道锚注喷联合控制技术

基于穿层巷道围岩变形规律分析，巷道位于细粒泥岩层位时，围岩变形量相对较小，巷道由细粒泥岩依次揭露至砂质泥岩、煤层时，巷道围岩变形显著增加。因此，东翼集中回风上山围岩应采用分区域控制技术。

1）细粒砂岩段巷道

巷道采用锚杆+锚索+注浆锚杆+金属网+喷射混凝土支护。混凝土喷层采用二次喷射，巷道掘进后，及时喷射混凝土，混凝土喷层厚度70 mm，强度C20。然后进行锚杆+锚索+注浆锚杆+金属网支护，锚杆直径20 mm、长度2200 mm，间排距800 mm×800 mm，每排布置12 根；锚索直径22 mm、长度7500 mm，间排距1400 mm、1600 mm×1600 mm，每排布置3 根；注浆锚杆直径25 mm、长度2500 mm，间排距1600 mm×1600 mm，每排布置5 根；金属网采用直径6 mm 钢筋焊接的钢筋网，规格800 mm×800 mm，网格规格100 mm×100 mm。锚网索支护完成后，进行第二次复喷混凝土。二次复喷喷层厚度80 mm，强度C20。巷道支护断面如图2（a）。

图2 东翼集中回风上山支护断面图（mm）

2）穿层及砂质泥岩、煤层段巷道

巷道采用锚杆+锚索+注浆锚杆+金属网+喷射混凝土支护。混凝土喷层采用三次喷射，巷道掘进后，及时喷射混凝土，混凝土喷层厚度30 mm，强度C20。然后进行锚杆+锚索+金属网，锚杆直径20 mm、长度2200 mm，间排距800 mm×800 mm，每排布置12 根；锚索直径22 mm、长度7500 mm，间排距1400 mm、1600 mm×1600 mm，每排布置5 根；金属网采用直径6 mm 钢筋焊接的钢筋网，规格800 mm×800 mm，网格规格100 mm×100 mm。锚网索支护完成后，进行二次复喷混凝土，复喷厚度70 mm，强度C20。复喷后施工注浆锚杆，注浆锚杆直径25 mm、长度2500 mm，间排距1600 mm×1600 mm，每排布置5根。注浆锚杆施工完成后，进行第三次复喷混凝土，三次复喷厚度50 mm，强度C20。巷道支护断面如图2（b）。

4 工程应用

将穿层巷道锚注喷联合控制技术应用于东翼集中回风上山，监测了掘进时期（细粒砂岩段和砂质泥岩段）的巷道顶板离层和围岩变形，如图3、图4。

图3 东翼集中回风上山顶板离层情况

图4 东翼集中回风上山围岩变形情况

图3 给出了东翼集中回风上山掘进时期的顶板离层钻孔窥视情况。由测试结果可知，当东翼集中回风上山掘进揭露的顶板为细粒砂岩时，试验巷道掘进过程中未出现裂隙发育和离层情况，表明掘进对试验巷道围岩扰动影响较小。当东翼集中回风上山掘进揭露的顶板为砂质泥岩时，试验巷道掘进过程中，顶板岩层裂隙较为发育，且局部出现离层，巷道支护后，离层现象得到改善。

图4 给出了东翼集中回风上山掘进时期围岩变形情况。由图可知，细粒砂岩段巷道掘进15 d 内，巷道围岩发生快速变形，之后巷道变形逐渐稳定。巷道掘进稳定后，顶底板相对移近量为298 mm，两帮移近量为223 mm。砂质泥岩段巷道掘进35 d内，巷道围岩发生快速变形，之后巷道变形逐渐稳定。巷道掘进稳定后，顶底板相对移近量为309 mm，两帮移近量为225 mm。砂质泥岩段巷道掘进稳定时间较长，变形相对较大。整体看，东翼集中回风上山掘进期间围岩变形可控，表明了穿层巷道锚注喷联合控制技术的合理性和优越性。

5 结论

以金能煤业东翼集中回风上山地质条件为工程背景，采用数值模拟和现场试验的方法，模拟分析了不同工况条件下巷道围岩变形规律。基于此，开发了穿层巷道锚注喷联合控制技术。技术应用后，监测了东翼集中回风上山掘进时期（细粒砂岩段和砂质泥岩段）的巷道顶板离层和围岩变形。砂质泥岩段巷道掘进稳定时间较长，变形相对较大。整体看，东翼集中回风上山掘进期间围岩变形可控，表明了穿层巷道锚注喷联合控制技术的合理性和优越性。