陶二煤礦深部大斷面軟巖巷道支護(hù)技術(shù)改革

丁其全

（冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)金地公司，河北省邯鄲市，056002）

邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶二煤礦二水平-711北翼運(yùn)輸大巷掘進(jìn)過程中圍巖變形非常劇烈，頂板和兩幫遭受破壞，巷道底臌現(xiàn)象嚴(yán)重，雖經(jīng)翻修，仍不能完全控制巷道圍巖變形，大多數(shù)巷道前面掘進(jìn)后面翻修，嚴(yán)重影響了巷道的掘進(jìn)速度和礦井的安全生產(chǎn)。為從根本上解決-711 北翼運(yùn)輸大巷支護(hù)問題，必須對巷道支護(hù)方式及相關(guān)施工工藝進(jìn)行研究，探索出一套合理的支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)。

1 巷道地質(zhì)條件及原有支護(hù)方式

-711北翼運(yùn)輸大巷賦存于1＃煤層上方頂板巖石中，距1＃煤層垂距為25m，巷道賦存區(qū)域基本為泥質(zhì)類巖石結(jié)構(gòu)，節(jié)理比較發(fā)育，易發(fā)生碎漲變形，巷道整體穩(wěn)定性比較差。大巷斷面尺寸5.2m×4.0m （寬×高），半圓拱形，支護(hù)采用錨網(wǎng)梁-噴-錨索支護(hù)，選用?22mm×2400mm 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，桿體屈服強(qiáng)度為335MPa，桿體破斷力為210kN，頂部使用由?14 mm 圓鋼制作的4.4m梯子梁，幫部使用由?12mm 圓鋼制作的1.6m 梯子梁，頂板掛1250mm×950mm 盤條網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距為800mm×800mm。頂部配合錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，選用?17.8mm×8000mm 的鋼絞線錨索，配合一塊400mm×400 mm 的大托盤和一塊130 mm×130 mm 的小托盤支護(hù)，順巷道3列布置，間排距1600mm×1600mm。

噴射混凝土厚度120mm，混凝土強(qiáng)度等級為C20。初噴30～50mm，復(fù)噴后達(dá)到設(shè)計要求。

2 現(xiàn)有支護(hù)評價

2.1 現(xiàn)場觀測現(xiàn)象

在所觀察范圍內(nèi)，盡管巷道的變形很大，但很少發(fā)現(xiàn)錨桿破斷現(xiàn)象，說明錨桿支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計不盡合理，沒有達(dá)到有效控制頂板變形的目的。

（1）托盤選用不合理，400mm×400mm 的大托盤容易出現(xiàn)翹角現(xiàn)象，造成托盤受力面積較小，同時出現(xiàn)部分鎖具穿過托盤現(xiàn)象。

（2）巷道底臌嚴(yán)重，巷道腰線以下位置變形大，導(dǎo)致噴漿層開裂、脫落。巷道頂板形狀由半圓拱形變成近三角形，頂部噴漿層開裂、脫落。

（3）巷道經(jīng)過兩次修復(fù)，所使用的支護(hù)材料、強(qiáng)度及長度沒有很大變化，這導(dǎo)致第二次修復(fù)巷道支護(hù)的控制范圍并沒有超過第一次支護(hù)材料控制圍巖的范圍，兩次支護(hù)的受力在一個平面上，對巷道圍巖的控制起不到應(yīng)有的作用。

（4）巷道修復(fù)嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，提高了生產(chǎn)成本，增加了施工中的不安全因素，影響了經(jīng)濟(jì)效益。

為了改進(jìn)巷道目前的支護(hù)狀況，首先必須保證錨桿、錨索支護(hù)系統(tǒng)能充分受力發(fā)揮作用，其次是選擇合理的注漿措施，保證巷道的長期穩(wěn)定。

2.2 初次支護(hù)形式評價

在短時間內(nèi)巷道圍巖會發(fā)生劇烈變形，頂板破壞，兩幫移近量大，底臌嚴(yán)重，圍巖在各個方向都產(chǎn)生了較大的松散破碎圈。然而在圍巖變形破壞過程中，錨桿支護(hù)系統(tǒng)受力增加不明顯，這說明錨桿支護(hù)系統(tǒng)根本沒起到有效的支護(hù)作用。

錨索托盤采用一塊400 mm×400 mm 的大托盤配合一塊130 mm×130 mm 的小托盤的形式，由于托盤設(shè)計不合理以及缺少相對應(yīng)的球型墊圈等配件，在錨索受力較大時出現(xiàn)鎖具損壞托盤現(xiàn)象。

由于巖巷成形不太好，且所采用的焊接鋼筋網(wǎng)孔徑比較大，出現(xiàn)部分錨桿托盤懸空現(xiàn)象，鋼筋網(wǎng)貼頂不密實，這樣圍巖一旦發(fā)生碎漲，就出現(xiàn) “網(wǎng)兜”或錨桿托盤被 “拉入”的現(xiàn)象，從而造成錨桿支護(hù)系統(tǒng)失效。現(xiàn)場所采用的托盤面積偏小。

軟巖巷道易出現(xiàn)底臌現(xiàn)象，原施工巷道對基礎(chǔ)的處理強(qiáng)度不夠。

3 -711北翼運(yùn)輸大巷支護(hù)系統(tǒng)有限元分析

根據(jù)-711北翼運(yùn)輸大巷巖石力學(xué)參數(shù)測試，建立有限元模型。根據(jù)圍巖變形的3個階段，初步分析了圍巖應(yīng)力和變形。

3.1 初始階段

初始階段即巷道開挖后和支護(hù)前這一階段，應(yīng)力和變形在巷道圍巖中形成一個環(huán)狀的高應(yīng)力圈。根據(jù)應(yīng)力分布計算出的圍巖安全系數(shù)如圖1所示，可以看出，初始階段的松散流動圈的范圍 （安全系數(shù)小于1.2）頂板1.9 m，兩幫2.2 m，底板2.4m。支護(hù)體的范圍應(yīng)該為安全系數(shù)大于1.2，頂板和幫錨桿長度應(yīng)在2.8m 以上。

之后發(fā)生兩幫和頂?shù)装逡平@一階段延續(xù)不長。在合理支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)下，圍巖應(yīng)該在短時間內(nèi)穩(wěn)定下來。然而，如果沒有支護(hù)或支護(hù)不合理，圍巖變形將進(jìn)入第二階段——松散流動圈向內(nèi)部擴(kuò)展。

圖1 安全系數(shù)分布

3.2 松散破碎圈擴(kuò)展

巷道開挖后，圍巖內(nèi)部形成一個松散流動圈。隨著時間的增加，在無支護(hù)或支護(hù)不合理的條件下，松散流動圈將向深部擴(kuò)展直到應(yīng)力達(dá)到新的平衡。這時，兩幫側(cè)的松散區(qū)達(dá)到9m，所以一旦松散區(qū)擴(kuò)散，很難維修。

圖2 安全系數(shù)分布圖

3.3 流變階段

由于泥巖中的高泥質(zhì) （含有膨脹性礦物成分），特別是在含水或空氣濕度影響條件下，巷道會發(fā)生明顯的流變現(xiàn)象，從而進(jìn)一步擴(kuò)大松動圈半徑，增加圍巖的變形量。圖2是流變變形后的安全系數(shù)分布圖。較深區(qū)域是松散圈的范圍 （松動圈的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大到11 m）。可以看出，如果支護(hù)不合理，等到松散流動圈形成并發(fā)生擴(kuò)展和流變擴(kuò)展后，再進(jìn)行維修是相當(dāng)困難的。正確的支護(hù)方式應(yīng)該是初期選用合理的支護(hù)系統(tǒng)，把松散流動圈控制在最小的范圍內(nèi)。

4 -711北翼運(yùn)輸大巷支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)場觀測及有限元分析及現(xiàn)場施工條件，選擇錨桿長度2.8 m，直徑20 mm，材質(zhì)為HB600高強(qiáng)鋼作為錨桿的桿體，桿體破斷力為260kN，間排距700mm。對泥巖等流變性圍巖應(yīng)保證有足夠的安裝應(yīng)力。根據(jù)經(jīng)驗和有限元分析，錨桿的安裝應(yīng)力為60kN，根據(jù)現(xiàn)場實驗，錨桿安裝預(yù)緊力矩保持在400N·m，以保證初始松散流動區(qū)不進(jìn)一步擴(kuò)散。

由于巷道的部分變形，在錨桿長度和安裝應(yīng)力合適的條件下，錨桿支護(hù)系統(tǒng)將發(fā)揮其應(yīng)有的作用并承受圍巖的變形載荷。然而，圍巖變形有一部分是不可控制的，所以錨桿系統(tǒng)必須有控制讓壓能力。根據(jù)所選用的錨桿強(qiáng)度，控制讓壓力為120～150kN。每套錨桿采用2 卷樹脂，其錨固長度要達(dá)到1.0m 以上，錨固力大于250kN，托盤規(guī)格為200 mm×200 mm×10mm，采用鋼筋直徑為6mm、網(wǎng)格尺寸為80mm×80mm 的焊接金屬網(wǎng)控制圍巖表面。巷道掘進(jìn)后及時噴射50 mm 厚混凝土封閉圍巖，等巷道變形穩(wěn)定后再進(jìn)行復(fù)噴至設(shè)計厚度。

為提高巷道的服務(wù)年限，適應(yīng)地質(zhì)條件的變化，采用快裝 “鳥窩”讓壓錨索作為輔助支護(hù)。頂板錨索長度為8m，錨索直徑為20mm，頂錨索間排距1.4m×1.4m，幫部錨索長度為4.2m，錨索直徑為17.8 mm，采用300 mm×300 mm×12mm的高強(qiáng)球型托盤，幫錨索間排距1.0 m×1.4m，另外在兩幫底角處各加一根幫錨索，以控制底角變形，距離底板350mm 左右，傾角25°。

為提高圍巖的整體性和巷道的長期穩(wěn)定性，對圍巖進(jìn)行注漿加固，漿液選擇水泥-水玻璃混合漿液，頂、幫注漿孔深度為4m，間排距為1.6m×3.0m，底板注漿孔深度為8 m，間排距為2.5 m×3.0m，巷道滯后掘進(jìn)頭60m 進(jìn)行注漿。

5 支護(hù)設(shè)計評價

對新支護(hù)設(shè)計進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗，同時進(jìn)行了礦壓觀測，設(shè)測站兩組，分別進(jìn)行了頂?shù)装逡七M(jìn)量、兩幫移近量觀測。觀測結(jié)果顯示，兩幫最大移近量為166mm，巷道穩(wěn)定時間約25d，而原支護(hù)兩幫最大移近量為682mm。現(xiàn)有支護(hù)方案頂?shù)装遄畲笠平繛?10 mm，巷道穩(wěn)定時間約為25d，原支護(hù)頂?shù)装遄畲笠平繛?86mm。采用新方案后，巷道維護(hù)狀況得到明顯改善，各自的移近量分別占到原有移近量的1／3 左右，巷道自穩(wěn)時間較短。

通過對巷道表面觀察，混凝土噴漿表面沒有明顯開裂現(xiàn)象，沒有斷錨現(xiàn)象發(fā)生，通過對個別錨桿拉力監(jiān)測，其最大值為182kN，達(dá)到設(shè)計錨固力的70%，尚有抵御巷道圍巖應(yīng)力空間，表明錨桿選用較為合理。

工業(yè)試驗表明，新設(shè)計支護(hù)方案能夠適應(yīng)陶二煤礦深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)，各項參數(shù)均較為理想。

［1］ 侯朝炯，馬念杰.煤層巷道兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡區(qū)的探討 ［J］.煤炭學(xué)報，1989 （4）

［2］ 魏高峰.滑移線在塑性變形中的應(yīng)用 ［J］.山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2000 （4）

［3］ 柏建彪，侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究 ［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006（2）

［4］ 康紅普，王金華等.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007

［5］ 董方庭，姚玉煌，黃初等.井巷設(shè)計與施工 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004

［6］ 國兆乾.錨注支護(hù)技術(shù)在復(fù)雜應(yīng)力結(jié)構(gòu)高流變巷道底板加固中的應(yīng)用 ［J］.中國煤炭，2009 （5）

［7］ 曹增金.淺談錨注支護(hù)技術(shù)在軟巖動壓巷道維修與加固中的應(yīng)用 ［J］.礦業(yè)論壇，2011