大埋深、高地應力、斷層帶聯(lián)合協(xié)同支護技術(shù)的應用

文/徐書航 張素磊

平煤股份十一礦-593北石門是一條主要運輸巷道，地質(zhì)條件復雜，由于巖性較差，圍巖出現(xiàn)松散、軟弱的特性，再加上巷道處于斷層附近礦山壓力大等因素，嚴重影響了巷道的穩(wěn)定性，出現(xiàn)頂板下沉，底鼓，尖頂，兩幫內(nèi)擠等破壞現(xiàn)象，以致要進行大量的維修，從而大大增加了維修費用。經(jīng)過分析研究，采用錨網(wǎng)噴+錨索+36U型鋼支架+注漿聯(lián)合協(xié)同支護，取得了良好的效果。

一、地質(zhì)條件

-593北石門巷道地質(zhì)條件復雜，埋深大，平均埋深720m，垂直方向地應力達到18MP，且巷道穿過張莊逆斷層，所在巖層主要包括有砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖和煤等，由于巖性較差，圍巖出現(xiàn)松散、軟弱的特性，其中粉砂巖、泥巖遇水極易膨脹、破碎。

二、原支護及復修方式存在的問題

原設(shè)計斷面為半圓拱形，斷面凈寬4400mm，凈高 3700mm，初始采用 Φ20×2000mm等強錨桿配鋼笆網(wǎng)，噴漿支護。由于巷道失修嚴重，先后進行了4次返修。分別用29U型鋼支護；錨噴+注水泥漿支護；錨網(wǎng)噴+錨索支護；36U型鋼支護。但效果均不明顯，經(jīng)過4～5個月后巷道兩幫收縮及底鼓現(xiàn)象已經(jīng)顯現(xiàn)，巷道頂?shù)装迨諗苛窟_到1700mm，巷道兩幫收斂達到1000mm，失修嚴重。

通過現(xiàn)場調(diào)查，目前平煤股份十一礦深部巷道使用維護過程中存在的主要問題是：

1.支護強度不夠，且難以形成支護的整體性。

2.錨桿支護未形成有效的主動支護。

3.采用錨噴+錨索支護，由于錨桿、錨索依次受力，形不成協(xié)同支護。錨桿由于預應力小、錨索預應力很大，造成開挖初期錨索獨自受力，在淺部開采時該問題不突出，但在深部開采時，錨索將由于不能承受大變形而破斷；依次錨桿滯后錨索受力，錨桿、錨索不能形成合力，支護效果大大降低。

4.采用U型支護，圍巖強度得不到有效加強，當巷道周邊的應力超過巖體的長期強度極限時，巖石將呈現(xiàn)塑性變形，變形并不隨時間而衰減，隨著巷道圍巖的應力釋放，出現(xiàn)的應力降低圈周邊巖石逐漸松動，向巷內(nèi)移動變形，由于支護阻力較小，而導致破碎圍巖的碎脹。支架在圍巖地壓作用下，承受側(cè)壓力和不均勻的載荷，產(chǎn)生彎曲力矩造成支架達到屈服極限后破壞。

三、大埋深、高地應力軟巖巷道支護方案及支護參數(shù)確定

1.協(xié)同聯(lián)合支護方案

協(xié)同支護是指在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)和支護類型的基礎(chǔ)上，在支護設(shè)計中，分析各支護構(gòu)件之間的相互影響、相互作用關(guān)系，以及圍巖荷載在它們之間的相互轉(zhuǎn)移關(guān)系，充分考慮支護體的材料性能、支護性能以及對圍巖支護作用范圍的相互協(xié)同性，以保證各支護體相互補充，互相協(xié)調(diào)，共同作用，合理發(fā)揮各種支護構(gòu)件的工作性能，實現(xiàn)主動支護，并產(chǎn)生1＋1≥2的“團隊”作用。

（1）通過注漿將破壞區(qū)的圍巖膠結(jié)成整體，提高巖體粘聚力和內(nèi)摩擦角，強化巖體的力學性能。

（2）采用錨網(wǎng)噴+錨索：選擇合適的錨桿、錨索與預應力協(xié)同支護。采用錨桿、錨索組合支護，關(guān)鍵就是協(xié)同作用（同步承載和剛度匹配）。按目前的施工機具，高性能錨桿的安裝預應力僅為20～30kN，因而錨索的預應力一般不應超過80～100kN，才能形成同步承載。

通過對錨桿、錨索的不同預應力匹配進行數(shù)值模擬，得知對錨桿施加40kN的預應力與錨索120～140kN的預應力協(xié)同性較好，而錨桿60kN的預應力與錨索140～160kN的預應力產(chǎn)生協(xié)同性較好。

（3）與36U型鋼形成協(xié)同支護。深部巷道圍巖支護必須選擇合理的支護時機并選擇與之相適應的支護剛度進行協(xié)同支護。單一的U型鋼支護，在高應力作用下（尤其是動壓）易產(chǎn)生較大的變形和局部失穩(wěn)，如果圍巖破壞后的殘余強度很低，則會導致巷道圍巖自承能力大大下降，巷道處于不穩(wěn)定（失穩(wěn)）狀態(tài)。所以，單一的U型鋼支護不適合大松動圈巷道的支護，必須采用其他支護方式或與其他支護方式聯(lián)合使用形成協(xié)同支護。

因此本方案采用錨網(wǎng)噴+錨索+36U型鋼支架+注漿聯(lián)合協(xié)同支護。

2.支護參數(shù)

帶肋螺紋鋼錨桿Φ22×2400mm，間排距700×700mm，網(wǎng)采用Φ6mm鋼筋焊接網(wǎng)，錨索Φ17.8×7500mm、Φ17.8×4500mm，兩種規(guī)格，間排距 1400×1400mm，每排7根；注漿采用Φ19.05mm鋼管長度2500mm，孔排距4m，五個孔的分布為頂板中心一個孔，垂直于頂板，兩幫距底板0.6m處各布置一個向下30°的孔，兩幫距底板2m處垂直于兩幫布置兩個孔；36U型鋼支架規(guī)格為4574×3700mm，棚距 600。

3.施工工藝

施工順序為：人工擴幫拉底至設(shè)計尺寸，錨網(wǎng)加錨索噴漿，架36U型鋼支架支護，噴漿封閉，注漿。

（1）注漿材料。選用德國巴斯夫公司的產(chǎn)品美固364。

（2）注漿設(shè)備。ZBQS-12/10雙液壓泵。

（3）注漿工藝。美固364是一種快速反應的雙組分膠結(jié)固化劑，需用專用的注漿設(shè)備泵送注入煤巖體裂隙內(nèi)。要求雙液注漿泵注漿壓力5～15MPa，保證兩組分按照體積比1∶1充分混合；在需要進行加固區(qū)域的煤巖壁上布孔，根據(jù)煤巖體的巖性、破碎程度、裂隙發(fā)育程度、裂隙發(fā)展方向，結(jié)合美固364自身的特性，決定在煤巖壁上注漿孔的深度、方向、間排距；將注漿管塞入注漿孔，并把注漿管和注漿孔之間的空隙用水泥封好，封孔越深越嚴實越好；如果注漿壓力超過15MPa或者煤巖壁漏漿嚴重則表明該區(qū)域已經(jīng)注好，需要換孔進行下一輪注漿，每個孔注漿量最好不超過400kg。

（4）注意事項。注漿泵要放置平穩(wěn)，且位于支護、通風良好的地方；注漿材料要置于注漿泵附近，并保證沒有積水的地方；風管與注漿泵連接必須采用安全接頭，并保證連接牢固、可靠；連接吸管與輸液管，并保證A組分與B組分的吸管與輸液管分別正確連接在A、B化學缸上；檢查兩組流量是否相同，并通過調(diào)節(jié)閥使A、B組分的流量達到1∶1的要求。

四、礦壓觀測及支護效果分析

每間隔30～40m設(shè)立一個測站，每站設(shè)立不少于2組測點，每組測點間距不超過15m，每組分別在頂、底、兩幫中部布設(shè)測點測量。通過對巷道圍巖變形情況監(jiān)測結(jié)果，進行整理得出：三個月內(nèi)巷道頂板收斂120mm，兩幫收斂量為135mm，底板變形量為145mm，巷道圍巖得到了有效控制，該段巷道采用該技術(shù)后未出現(xiàn)巷道失修現(xiàn)象，達到了較好支護效果。

此次十一礦-593北石門在大埋深、高地應力修復巷道中采用錨網(wǎng)噴+錨索+36U型鋼支架+注漿聯(lián)合協(xié)同支護后，巷道沒有變形，區(qū)域頂板和兩幫未進行維修，聯(lián)合協(xié)同支護效果明顯，大大降低了巷道的維修量。