顶板及围岩破碎巷道一体化支护技术研究

安鹏飞

（晋能控股煤业集团安全生产指挥中心，山西 大同 037000）

近年来，煤矿开采深度逐渐增大，巷道围岩松散破碎导致的开采困难成为了限制煤矿开采质量提升的主要问题之一，世界范围内相关人员对此进行了细致的研究。文献[1-3]主要研究深部软岩巷道损坏原因和控制原理，得出结论锚杆大量布置在破碎程度严重的围岩中是造成巷道承载力失效的关键因素，破碎的围岩使得锚杆难以实现支护功能，无法提供足够的强度，后承载力下降，对此提出“高强、完整、减压”的理念。王连国等人对深部极高应力极软岩层巷道的破坏原因进行了研究，设计出锚注支护体系；
张文等人在理论层面对软弱破碎巷道破坏原因和围岩支护进行了研究，设计出“锚喷+化学注浆”联合支护的方式；
刘洪涛等人根据弹性理论中布辛涅斯克方程以及莫尔强度理论，设计出一种新型的锚固串结构，实际应用效果较好。顶板破碎围岩导致巷道整体难以成型，会出现顶板镂空、离层、下沉、冒顶或者垮塌等现象，降低了巷道掘进的效率，危害施工人员的施工安全。所以，分析顶板破碎巷道围岩支护技术对巷道掘进工作有着重要影响。本文基于晋能控股煤业集团某矿18311工作面进行研究，针对顶板破碎巷道围岩支护技术进行改进，设计出一种“锚护喷注”一体的巷道围岩加固技术并展开分析。

18311工作面倾斜长度210 m、走向长度1 050 m，工作面开采8号煤层，煤层均厚3.5 m，平均倾角5°，属于近水平开采。煤层老顶是由5.0 m厚的石灰岩构成，岩层呈深灰色，含有少量黏土质，有节理；
直接顶是由2.5 m厚的泥岩构成，岩层呈灰黑色，质较软；
直接底由3.3 m厚的砂质泥岩构成。

泥岩自身质地较软导致煤层直接顶容易出现脱落垮塌现象，给回采巷道的掘进过程中的互顶工作带来了较大的困难，极易产生顶板镂空现象，巷道整体难以成型，顶板离层以及下沉量超过相关指标，特别是工作面运输巷部分区域回采过程中老顶岩层裂隙逐渐增大，给支护工作带来了极大的困难；
如果选区的支护方式不恰当，很容易产生冒顶事故，因此需要设计一种科学合理的支护方式；
在工作面回采巷道中，运输巷围岩情况最差，因此选取其作为研究对象。

在18311工作面运输巷顶板各处进行钻孔，详细观测运输巷顶板岩层的完整度，观测结果如图1所示。

图1 巷道顶板裂隙发育探测结果

根据观测结果可知：运输巷顶板直接顶破碎情况严重，2.5 m厚的泥岩几乎都处于破碎状态，泥岩和粉砂岩交界区域有离层出现，5.0 m厚的粉砂岩近半出现严重的裂隙情况，顶板松动圈大约为5.0 m。

现有的运输巷支护方案相关参数：顶板锚索数量2根，尺寸Φ22 mm×4 300 mm，相邻锚索间距2 500 mm、排距1 000 mm；
顶板锚杆数量6根，尺寸Φ20 mm×2 400 mm，相邻锚索间距850 mm、排距1 000 mm；
两帮锚索布置一致，均为3根，尺寸Φ20 mm×1 800 mm，相邻锚索间距1 000 mm、排距1 000 mm。现有支护方案下，运输巷直接顶在掘进过程中常常出现垮塌现象，导致巷道整体成型困难，局部区域顶板离层量和下沉量过大，对于巷道的掘进效率和施工人员的安全有显著影响。

根据实地调查结果可知，运输巷支护困难、巷道破坏严重的主要原因如下：

1）巷道围岩强度低。相关数据显示，巷道围岩由泥岩以及粉砂岩组成，抗压强度依次是30.6 MPa和39.5MPa，抗压强度较低给支护工作带来了较大的难度。

2）顶板破碎岩体范围大。根据钻孔观测结果可知，运输巷顶板直接顶破碎严重，2.5 m厚的泥岩几乎全部处于破碎状态，顶板松动圈大约为5.0 m，顶板岩体破碎范围较大。

3）不合理巷道支护参数。4.3 m锚索过短，导致其难以完全固定在岩层之中，支护效果大打折扣；
对于巷道顶板破碎情况严重以及成型困难等情况，未进行护顶加强或改善围岩结构等相关措施。

为了优化巷道围岩结构、提升巷道围岩的抗压强度以及承载能力，确保工作面掘进和回采的效率以及施工人员的安全，提出了“锚护喷注”一体的巷道围岩加固技术，采用超前注浆、巷道喷浆、加长锚索以及滞后注浆联合使用的方式进行围岩加固。注浆加固主要针对局部岩体的破碎进行加固，超前以及滞后注浆是通过高压将浆液送入破碎岩体缝隙中，采取挤压、充填、胶结和封堵的方式，使得加固后的岩体具有强度高、抗渗透性好和稳定性强等特点。采用注浆加固破碎岩体和“锚喷”支护联合使用的方式，能够最大程度发挥锚杆的支护作用，降低冒顶现象的产生，提升支护结构的抗压能力、整体性以及承载能力。

1）超前注浆。针对直接顶在掘进过程中的垮塌、顶板冒顶以及巷道整体难以成型等问题，采用超前注浆的方式，在掘进迎头顶板补打倾斜注浆管，保证浆液能够充分渗透进入破碎岩体内部，提升岩体结构的整体性，补打的倾斜注浆管也能够在起到挑顶、护顶的作用。注浆管同顶板间的夹角为20°、尺寸Φ15 mm×6 000 mm，每排5根，相邻注浆管间的间距为1 000 mm、排距为2 000 mm。注浆材料选用A、B双组份速凝无机材料，注浆压力为4 MPa，速凝无机材料缩短了注浆成型的时间，提升了巷道的掘进效率。

2）巷道喷浆。注浆要求具有较好的封闭性，巷道直接顶泥岩质地柔软并且极易脱落，采取表面喷浆的方式，降低滞后注浆跑浆现象的出现，提升注浆的护表能力降低顶部岩层风化。混凝土厚度在50～100 mm之间，强度不得低于C20。

3）加长锚索。针对现有方案使用锚索长度过短，难以完全固定在岩层中，导致支护效果无法充分发挥的情况，调整锚索的长度，使得锚索能够避开松动圈，固定在硬度较大的岩层中。根据实地测试结果能够发现，顶板松动圈大约为5.0 m，综合分析锚索的固定岩层以及外露长度，将现有4.3 m锚索更换为6.3 m锚索。

4）滞后注浆。对于超前注浆过程中出现的浆液扩散不充分，并且在巷道掘进过程中伴随围岩裂隙的发育而扩张的现象，使用注浆锚索滞后注浆的方式，优化巷道围岩的结构。将原有的锚索布置方式更换为一排普通锚索和一排注浆锚索交替布置的方式。注浆材料选取525号硅酸盐水泥及添加剂，水灰比例2∶1，注浆压力在3～4 MPa间，注浆工作滞后掘进工作面迎头10～20 m。

新方案下的支护参数为：顶板锚索数量2根，尺寸Φ22 mm×6 300 mm，相邻锚索间距2 500 mm、排距1 000 mm；
采取一排普通锚索和一排注浆锚索交替布置的方式。顶板锚杆数量6根，尺寸Φ20 mm×2 400 mm，相邻锚索间距850 mm、排距1 000 mm。

两帮锚索布置一致，均为3根，尺寸Φ20 mm×2 000 mm，相邻锚索间距间1 000 mm、排距1 000 mm。将锚杆支护同W型钢带、菱形钢筋网以及配套托盘联合使用，确保顶板锚杆预紧力超过300 N·m，两帮锚杆预紧力超过300 N·m，普通锚索张拉力超过200 kN，注浆锚索张拉力超过150 kN。新方案下的巷道支护参数如图2所示。

图2 巷道支护参数（单位：mm）

对于巷道掘进过程中的表面位移以及顶板离层进行实时监测，相关监测结果以及围岩控制效果如下页图3、图4所示。

图3 巷道检测结果

根据监测结果不难发现：巷道两帮移近量148 mm，顶底板移近量89 mm，顶板以及两帮变形量显著减小；
0～2.4 m浅部岩层离层量下降为3 mm左右，根据结果可知顶板泥岩岩体的破碎现象得到了较好的改善，顶板总离层量为13 mm，离层量显著减小；
根据钻孔观测结果不难看出，注浆充分，围岩整体性增强，胶结性较好，由此可知注浆加固效果明显，破碎顶板稳定性提升；
根据实地观测结果可知，巷道整体性较好，顶板平整，围岩得到了较好的控制。

1）针对巷道顶板破碎严重，巷道整体成型困难以及变形量超标等情况，选取运输巷作为研究对象。采取钻孔观测的方式，观察顶板岩层的完整度，得出结论基本顶泥岩破碎严重，顶板松动圈大约为5.0 m；
护顶困难，巷道变形失稳的主要原因是巷道围岩强度不足、顶板破碎岩体面积大以及巷道支护参数选取不合理。

图4 围岩控制效果

2）为了优化巷道围岩结构，提升围岩的抗压强度和承载能力，提升工作面掘进和回采的效率，提出“锚护喷注”一体化的支护技术，采取超前注浆、巷道喷浆、加长锚索以及滞后注浆联合使用的形式对围岩进行加固。

3）采取数值模拟的方式进行支护校验，校验结果显示当前的方案下，顶底板相对移近量304 mm，两帮相对移近量500 mm，顶板和两帮应力集中现象较为明显，塑性区范围较大；
采取优化后的支护方案，巷道顶底板相对移近量115 mm，两帮相对移近量112 mm，应力集中区域、塑性区范围以及变形量明显下降，得出结论“锚护喷注”一体化的巷道围岩加固技术能够满足既定目标。

4）根据实时监测结果不难看出：两帮移近量148 mm，顶底板移近量89 mm，0～2.4 m浅部岩层离层量下降至3 mm，顶板总离层量为13 mm，顶板、两帮的变形量以及顶板离层量都有明显的下降，根据钻孔观测和实地检测的结果可知，注浆加固成效明显，巷道围岩得到了较好的控制。