郭衛(wèi)衛(wèi) 柴肇云 康天合 楊永康

（太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西省太原市，030024）

軟巖動(dòng)壓巷道支護(hù)加固技術(shù)及其應(yīng)用＊

郭衛(wèi)衛(wèi) 柴肇云 康天合 楊永康

（太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西省太原市，030024）

針對(duì)屯蘭礦12206綜采工作面瓦斯尾巷嚴(yán)重變形破壞的問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析研究其破壞機(jī)理及控制對(duì)策，結(jié)果表明：富含黏土礦物的底板巖石在礦井水的楔劈作用下碎裂擴(kuò)容產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；動(dòng)壓巷道在回采過(guò)程中產(chǎn)生高應(yīng)力與剪切破壞；復(fù)雜動(dòng)壓及膨脹應(yīng)力耦合作用導(dǎo)致巷道表現(xiàn)出強(qiáng)烈的流變特性；加強(qiáng)支護(hù)并阻止水對(duì)底板巖石的弱化是解決該尾巷大變形的必然選擇；改性注漿加固技術(shù)，可成功解決軟巖動(dòng)壓巷道的支護(hù)難題。

軟巖 動(dòng)壓巷道 破壞機(jī)理 改性注漿

隨著煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，軟巖、動(dòng)壓及它們的復(fù)合巷道的有效支護(hù)已經(jīng)成為許多礦井亟待解決的一個(gè)難題。高瓦斯礦井為取得工作面瓦斯排放的良好效果，確保回采工作的安全正常，需要留設(shè)瓦斯尾巷。這種尾巷要為相鄰的兩個(gè)回采工作面服務(wù)，即作為上一個(gè)工作面的排放瓦斯尾巷和下一個(gè)工作面的進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷。因此，瓦斯尾巷要經(jīng)受兩個(gè)回采工作面的采動(dòng)影響。本文以西山煤電集團(tuán)屯蘭礦12206工作面瓦斯尾巷為例，分析軟巖動(dòng)壓巷道的破壞特征及機(jī)理，并實(shí)踐了改性注漿加固技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用改性注漿加固技術(shù)成功解決了瓦斯尾巷的穩(wěn)定性控制問(wèn)題，為類(lèi)似的巷道支護(hù)提供了借鑒。

1 試驗(yàn)巷道概況

12206工作面主要開(kāi)采2＃煤層，煤層傾角為1～9°，煤層厚度為3.07m。尾巷沿煤層布置，斷面形狀為矩形，寬3.2m，高3.0m。其直接頂為3.7m厚的砂質(zhì)泥巖與薄層狀煤相交互的頂板，巖性破碎松軟。直接底厚2～3m，由炭質(zhì)泥巖、煤、砂質(zhì)泥巖等組成?；镜诪榇笥?m的砂質(zhì)泥巖與粉砂巖。工作面地表位于屯蘭河和原平河之間，由于2＃煤層上部砂巖長(zhǎng)期受地表水的補(bǔ)給，含水豐富，頂板有淋水現(xiàn)象。

在第一個(gè)工作面采動(dòng)之前，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間，尾巷的變形量很小。當(dāng)工作面推過(guò)40m以后，變形量逐漸開(kāi)始增加；在推過(guò)60～130m時(shí)為變形劇烈期；當(dāng)推過(guò)200m以后，變形量達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定。在回采過(guò)程中，尾巷頂?shù)装逡平科骄鶠?.3～1.8m，部分地段甚至達(dá)到2.0m，巷道底臌明顯；兩幫平均移近量1.0～1.5m，部分地段甚至達(dá)到1.8～2.0m。

2 巷道破壞機(jī)理分析

2.1 巖性因素

瓦斯尾巷頂板巖性差，破碎松軟，降低了巷道的錨固效果。底板強(qiáng)度低，經(jīng)過(guò)力學(xué)測(cè)試，其抗壓強(qiáng)度僅為11.87MPa，對(duì)巷道支護(hù)極其不利；底板巖石黏土礦物成分含量高，通過(guò)對(duì)底板砂質(zhì)泥巖的X－射線衍射分析表明，礦物成分中黏土礦物成分較高，以高嶺石和伊利石為主，其含量分別達(dá)到了40%、25%，遇水易軟化，膨脹。

2.2 采動(dòng)影響

隨著工作面的不斷推進(jìn)，尾巷變形量逐漸增加，達(dá)到最大最終趨于穩(wěn)定。在工作面的推進(jìn)過(guò)程中，高支承壓力通過(guò)兩幫煤體傳遞給尾巷底板，使底板沿弱面滑移、剪脹，特別是在圍巖破碎地段，頂板彎曲下沉量大，底板明顯臌起，兩幫嚴(yán)重內(nèi)移。在工作面的回采過(guò)程中，大量頂板水由于采動(dòng)影響，通過(guò)頂板裂隙流入瓦斯尾巷。由于在回采過(guò)程中未采取合理的措施，導(dǎo)致該巷道底板長(zhǎng)期受頂板水的作用。

通過(guò)對(duì)尾巷變形的機(jī)理分析得出，在碎脹力、膨脹力和高支承壓力的綜合作用下，巷道圍巖產(chǎn)生了劇烈變形。

3 控制對(duì)策

瓦斯尾巷一般采用加套抬棚、補(bǔ)打點(diǎn)柱等被動(dòng)支護(hù)措施和加密錨索、錨桿等主動(dòng)支護(hù)措施。事實(shí)上，這些措施僅僅從加強(qiáng)支護(hù)的角度去補(bǔ)強(qiáng)圍巖，在一定程度上可控制圍巖的變形，但未能有效地阻止水對(duì)圍巖的弱化作用。對(duì)于瓦斯尾巷這類(lèi)軟巖動(dòng)壓巷道的合理支護(hù)，應(yīng)從提高其圍巖自承載能力并防止底板與水的接觸等方面去考慮。

硅烷偶聯(lián)劑是一類(lèi)同時(shí)具有無(wú)機(jī)基團(tuán)和疏水性的有機(jī)基團(tuán)的高分子化合物，其無(wú)機(jī)基團(tuán)可與軟巖表面顆粒物發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，在軟巖表面形成穩(wěn)定的疏水包覆層，可以有效地降低水對(duì)軟巖的弱化作用，避免底板遇水后的強(qiáng)烈膨脹，從而很大程度上控制了水對(duì)底板的弱化作用。

在注漿液中添加硅烷偶聯(lián)劑，可以有效防止水與圍巖的接觸，使巖體基本保持原有的物理性質(zhì)，同時(shí)漿液能夠封堵圍巖裂隙孔隙，防止圍巖風(fēng)化和水的弱化作用，提高圍巖整體性，同時(shí)可以為錨桿提供良好的著力基礎(chǔ)，提高錨固效果，因此提出了改性注漿配合加長(zhǎng)幫錨的支護(hù)方式。

4 工程實(shí)踐

為了測(cè)試改進(jìn)的支護(hù)方式對(duì)圍巖的實(shí)際控制效果，在瓦斯尾巷內(nèi)采用了3種支護(hù)方式進(jìn)行了試驗(yàn)并進(jìn)行了頂?shù)装逡平侩S工作面推進(jìn)距離的監(jiān)測(cè)。

（1）原支護(hù)方式。在寬3.2m、高3.0m的矩形巷道中，頂錨桿規(guī)格為?20mm×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距700mm×800mm，使用1卷K2455和1卷Z2455型樹(shù)脂錨固劑錨固，頂板錨網(wǎng)采用菱形金屬網(wǎng)，規(guī)格為3000mm×900mm，鋼帶采用W型鋼帶，規(guī)格為3000mm×210mm；幫錨桿采用A3鋼錨桿，規(guī)格為?16mm×1600 mm，間排距800mm×800mm，使用1卷K2455型樹(shù)脂錨固劑錨固，幫網(wǎng)采用規(guī)格為5000mm×1200mm的塑料網(wǎng)。錨索長(zhǎng)5200mm，間排距為1600mm×2400mm，使用1卷Z2455型和2卷K2455型樹(shù)脂錨固劑錨固。

（2）加長(zhǎng)幫錨支護(hù)方式。頂錨桿采用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，規(guī)格為?22mm×2400mm，間排距950mm×800mm，幫錨桿采用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，規(guī)格為?18mm×2400mm，間排距850mm×800mm，錨索“二一”三花布置，間排距1400mm×3200mm。

（3）加長(zhǎng)幫錨＋改性注漿支護(hù)方式。即在第2種加長(zhǎng)幫錨支護(hù)方式的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道進(jìn)行注漿加固。根據(jù)瓦斯尾巷的地質(zhì)力學(xué)條件，確定注漿壓力1～5MPa，每孔的注漿時(shí)間30～40min，漿液的有效擴(kuò)散半徑為2.5m，注漿孔布置見(jiàn)圖1。在地質(zhì)構(gòu)造段或圍巖破碎段，全斷面布置8個(gè)注漿孔，其中頂板2個(gè)，底板2個(gè)，兩幫各2個(gè)；在正常地段全斷面僅在底板布置2個(gè)注漿孔。注漿孔深2.4m，排距為3.2m。

圖1 注漿孔布置圖

5 效果分析

通過(guò)對(duì)巷道頂?shù)装逡平康谋O(jiān)測(cè)，得出3種方式支護(hù)段頂?shù)装逡平侩S工作面推過(guò)距離的變化曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 頂?shù)装逡平侩S工作面推過(guò)距離的變化曲線

從圖2中可以看出，當(dāng)工作面推過(guò)試驗(yàn)斷面20m時(shí)，3種方式支護(hù)段頂?shù)装逡平孔兓淮?，但變形量逐漸開(kāi)始增加；當(dāng)推過(guò)試驗(yàn)斷面90m時(shí)，采用原支護(hù)段，其頂?shù)装逡平窟_(dá)到276mm，采用加長(zhǎng)幫錨支護(hù)段，移近量為133mm，與原支護(hù)段相比減少52%，而采用加長(zhǎng)幫錨＋改性注漿支護(hù)加固段，移近量?jī)H為70mm，與原支護(hù)段相比減少75%；當(dāng)推過(guò)試驗(yàn)斷面200m時(shí)，原支護(hù)段頂?shù)装逡平窟_(dá)到1121mm，采用加長(zhǎng)幫錨支護(hù)段，移近量為650mm，與原支護(hù)段相比減少42%，而采用加長(zhǎng)幫錨＋改性注漿支護(hù)加固段，移近量?jī)H為287mm，與原支護(hù)段相比減少74%。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在尾巷這樣軟巖動(dòng)壓復(fù)合巷道內(nèi)，采用加強(qiáng)幫錨支護(hù)＋改性注漿的方式，可以有效地控制巷道圍巖的變形，能夠完全滿足安全生產(chǎn)的需要。

6 結(jié)論

（1）由于頂?shù)装鍘r性差，黏土成分高，受水作用時(shí)間長(zhǎng)，受動(dòng)載的影響大，因此在碎脹力、膨脹力和高支承壓力的綜合作用下，造成巷道頂板彎曲下沉量大，兩幫嚴(yán)重內(nèi)移，巷道明顯底臌。

（2）注漿對(duì)圍巖的改性作用在于注漿液在圍巖裂隙內(nèi)凝結(jié)后，可以填充結(jié)構(gòu)面，提高圍巖的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力，增強(qiáng)了圍巖的承載能力，同時(shí)為錨桿提供良好的著力基礎(chǔ)，提高錨固支護(hù)效果。

（3）提出的加長(zhǎng)幫錨＋改性注漿的支護(hù)方式成功地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)表明，這樣的支護(hù)方式能夠完全滿足安全生產(chǎn)的需要，并為類(lèi)似巷道的支護(hù)提供了借鑒。

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Supporting and strengthening technology and its application in soft rock dynamic gateway

Guo Weiwei，Chai Zhaoyun，Kang Tianhe，Yang Yongkang

（Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

For the severely deformation damage phenomenon of 12206working face methane tailing gateway in Tunlan mine，failure mechanism and control technologies were researched according to field measurements and theoretical analysis.The results showed that floor rock rich in clay was disintegrating dilatancy and produced expansion stress under the wedging action of mine water.Dynamic gateway produced high stress and shear failure in the mining process.Roadway displayed a strong rheological characteristic，because of the coupled function of complex dynamic pressure and expansion stress.Strengthening support and preventing the weakening to the floor rock from the water were the inevitable choice to solve large deformation of the tailing gateway.Using grouting modification reinforcement technology could succeed in solving supporting problem in soft rock dynamic gateway.

soft rock，dynamic gateway，failure mechanism，modified grouting

TD353

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51004075，50974093）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（20110491631）；山西省青年科技研究基金項(xiàng)目（2011021024－2）

郭衛(wèi)衛(wèi)（1987－），男，山西晉城人，在讀碩士研究生，主要從事軟巖及其改性方面的研究工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）