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软岩回采巷道围岩变形控制技术研究

2024-06-12 37 上传者：管理员

摘要：为解决15203运输巷在软岩条件下围岩变形量大、控制难度高、原支护条件下围岩控制技术无法满足需要等问题，在分析围岩松动圈分布基础上，提出采用“长锚杆+金属网+混凝土钢管支架+喷浆”组合方式对巷道支护措施进行改进，并给出改进后巷道支护的参数，改进后的巷道支护方式具备支护强度高、便于施工等优点。工程应用后，15203运输巷顶底板、巷帮位移量分别控制在20.3 mm、44.8 mm以内，实现了对软岩巷道围岩变形的有效控制。

关键词：
15203运输巷
围岩变形
软岩回采巷道
软岩巷道
钢管混凝土支架
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深部区域巷道掘进时，在高地应力、采掘扰动等多因素影响下，巷道围岩容易出现变形量大、控制难度高等问题，特别是巷道围岩为软岩时围岩控制难度更为突出[1,2]。为此，众多的学者对软岩巷道围岩变形控制技术展开研究，并提出采用“锚网索+注浆+锚注+喷浆”、“锚网喷+长短锚索+深浅孔注浆”、“双壳支护技术”、“锚网索喷+钢架+底板锚注+注浆”等各种支护方式，现场应用均取得一定的成果[3,4,5,6]。由于不同矿井巷道所在区域地质条件存在有明显差异，在制定巷道围岩变形控制措施时，应结合现场实际条件设计。为此，文中以山西某矿15203运输巷掘进工程为背景，对巷道原支护条件下围岩变形情况进行分析，并结合围岩变形特征及现场地质条件，提出采用“长锚杆+钢筋网+混凝土+钢管混凝土支架”组合方式支护围岩，使软岩巷道围岩变形得到了有效控制。

1、工程概况

15203运输巷设计掘进长度为1 980 m, 采用ZEB-260综掘机沿着回采的15号煤层底板掘进，巷道断面为半圆拱型。15号煤层埋深均值为690 m, 煤层厚度3.5～6.9 m、均值5.6 m, 煤层赋存较为稳定，为全区可采煤层。15号煤层顶底板岩性以泥岩、砂质泥岩以及细粒砂岩等为主，巷道掘进区域地应力较高、围岩强度及承载能力较差，同时顶底板岩层遇空气、水等容易风化、膨胀变形，围岩有明显的软岩特性。具体15203运输巷位置如图1所示。

图1 15203运输巷位置示意

2、软岩巷道围岩支护技术

2.1 巷道原支护技术分析

15203运输巷原设计采用“锚网喷+U型钢”支护方式，具体巷道支护断面如图2所示。

图2 巷道原支护断面(单位：mm)

支护用的锚杆为规格Φ22 mm×2 250 mm的水泥砂浆锚杆，布置间排距为1 000 mm×1 000 mm; 锚杆端头垫片为普通钢盘，规格为200 mm×200 mm×10 mm; 巷帮靠近底板的2根锚杆从下到上分别向下偏斜30°、25°,其余的锚杆均垂直巷道拱顶及巷帮施工。巷道掘进完成后，喷洒厚度为100 mm、强度为C25的混凝土。支护用的U型钢为U36钢，布置排距为1 800 mm; 巷道顶板及巷帮全断面挂金属网，金属网规格为3 300 mm×1 300 mm, 由10号铅丝编制而成，网孔为50 mm×50 mm.

15203运输巷在原支护条件下围岩变形较为显著，具体布置测点对顶底板、巷帮变形情况进行跟踪监测，具体结果如图3所示。

图3 原支护条件下围岩变形监测结果

从图中看出，15203运输巷围岩变形随着支护时间增加而不断增大，且巷道围岩支护完成后长时间未能收敛；在监测期间，发现顶底板、巷帮最大位移量可达到896.3 mm、716.4 mm, 其中巷道底鼓量可达到385.7 mm.15203运输巷围岩变形量整体较大，无法满足后续行人、运输以及通风等需要，因此需对巷道采用的支护措施进行针对性改进，降低巷道围岩变形，以便实现软岩巷道变形有效控制。

2.2 巷道支护改进

2.2.1 巷道围岩松动圈测试

为掌握15203运输巷掘进后围岩松动圈分布情况、为巷道后续改进支护提供指导，提出在巷道内利用超声波对围岩松动圈进行测试。在运输巷拱顶、直墙以及底板布置钻孔，对围岩松动圈进行测试，具体结果如图4所示。

图4 围岩松动圈测试结果

测试结果表明，在巷道拱顶位置距离孔口至2.3 m范围内波速较低，分析主要是该范围内煤岩体裂隙发育，距孔口2.7 m以后，波速明显增大且逐渐稳定，说明该范围内岩体裂隙不发育，接近原岩状态，综合分析认为拱顶松动圈最大深度为2.7 m; 同理得到巷道直墙上松动圈最大深度为2.52 m; 巷帮靠近底板位置松动圈有所降低，最大为1.83 m.而15203运输巷原支护采用的Φ22 mm×2 250 mm的水泥砂浆锚杆端头锚固端位于围岩松动圈内，锚杆无法有效控制围岩变形；同时原支护采用的U型钢架棚及喷浆给围岩提供的支护作用力偏低，无法有效抵御地应力、采掘扰动等叠加应力。

2.2.2 支护改进

针对15203运输巷在原支护方案存在的问题，结合15203运输巷现场地质条件及围岩变形特征，提出采用“长锚杆+金属网+混凝土钢管支架+喷浆”组合支护方式对围岩进行支护，具体支护断面如图5所示。

图5 改进后运输巷支护断面(单位：mm)

具体支护参数为：

1) 长锚杆：锚采用规格Φ22 mm×3 000 mm的水泥砂浆锚杆支护，同时在巷道底板增设锚杆，从而有效控制底板变形，锚杆布置间排距仍为1 000 mm×1 000 mm; 金属网与原支护参数保持一致。

2) 钢管混凝土支架：钢管支架布置间距为1 800 mm、采用的钢管规格为Φ194 mm×10 mm, 在钢管内充填强度为C40的混凝土。

3) 喷浆：壁后喷射厚度100 mm的C25混凝土，支护完成后，喷射厚度50 mm以上、强度C25混凝土。

15203运输巷支护采用的钢管混凝土支架由钢管、充填混凝土组成，充填混凝土具有较大的抗压强度，可有效减少钢管的局部变形，同时钢管可约束混凝土变形；钢管混凝土支架具备有承载能力强、施工简单以及支护成本低等优点，具体钢管混凝土支架施工要求为[7,8]:

1) 钢管混凝土支架施工工艺：确定巷道内钢管混凝土支架施工位置—依次安装支架底弧段、两帮段以及拱顶段—调整支架位置确保满足设计要求—支架内注入混凝土。

2) 巷道内安装：将规格Φ194 mm×10 mm的钢管支架拆解、分段运输至15203运输巷指定位置；随后先卧底并安装底弧段，随后使用顶杆定位并架设两帮端，最后安装拱顶段。在钢管混凝土支架与巷道围岩间空隙使用背板充填密实，并预留环形让压缝。

3) 钢管内灌注混凝土：在巷道内钢管混凝土支架安装完成后，通过井下灌浆泵向钢管混凝土内注入混凝土，首先通过混凝土泵向钢管内泵送一定量清水用以浸润灌注管路、钢管内壁，随后再灌注混凝土；应连续不间断灌注混凝土，同时在混凝土中添加一定量的钢纤维，以便提升混凝土性能；灌注的混凝土强度为C40、水灰质量比控制在1∶1.

2.2.3 改进支护围岩控制效果

待改进支护完成后，布置测点对支护段顶底板、巷帮变形情况进行跟踪监测，具体监测结果如图6所示。

图6 改进支护后围岩变形曲线

从围岩变形监测结果看出，15203运输巷采用改进支护技术措施后，巷道顶底板及巷帮变形，随着支护时间增加逐渐趋于稳定，巷道围岩位移量整体较小；在监测周期内，顶底板最大位移量为20.3 mm、底板底鼓量为10.9 mm, 左帮及右帮位移量分别为24.3 mm、20.5 mm.15203运输巷围岩位移量在允许范围内，表明优化后的支护措施对软岩巷道围岩变形起到较好控制效果。

3、结语

1) 通过监测15203运输巷原支护(锚网喷+U型钢)条件下围岩变形情况，分析巷道原支护方案难以满足软岩巷道围岩控制需要，巷道围岩变形量较大的主要原因为：巷道围岩承载能力差且松软、支护用锚杆长度过短(锚杆锚固段位于围岩松软圈内)、U型钢架及围岩喷浆支护强度低等。

2) 结合15203运输巷现场条件，提出采用“长锚杆+金属网+混凝土钢管支架+喷浆”组合支护方式控制围岩变形，通过将锚杆长度增至3 000 mm, 确保锚杆锚固端位于深部稳定岩层中；通过混凝土钢管支架给巷道较大的支护作用力，减少围岩变形。现场应用后，15203运输巷围岩变形量大问题得以较好解决，表明改进后的支护措施可有满足软岩巷道围岩控制需要。

参考文献:

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文章来源:陈宁.软岩回采巷道围岩变形控制技术研究[J].煤,2024,33(06):46-48.