陶二煤礦深部大斷面軟巖巷道支護技術改革

丁其全

（冀中能源邯鄲礦業(yè)集團金地公司，河北省邯鄲市，056002）

邯鄲礦業(yè)集團陶二煤礦二水平-711北翼運輸大巷掘進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)象嚴重，雖經翻修，仍不能完全控制巷道圍巖變形，大多數(shù)巷道前面掘進后面翻修，嚴重影響了巷道的掘進速度和礦井的安全生產。為從根本上解決-711 北翼運輸大巷支護問題，必須對巷道支護方式及相關施工工藝進行研究，探索出一套合理的支護方式及支護參數(shù)。

1 巷道地質條件及原有支護方式

-711北翼運輸大巷賦存于1＃煤層上方頂板巖石中，距1＃煤層垂距為25m，巷道賦存區(qū)域基本為泥質類巖石結構，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，支護采用錨網梁-噴-錨索支護，選用?22mm×2400mm 的高強螺紋鋼錨桿，桿體屈服強度為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 盤條網支護，錨桿間排距為800mm×800mm。頂部配合錨索補強支護，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，順巷道3列布置，間排距1600mm×1600mm。

噴射混凝土厚度120mm，混凝土強度等級為C20。初噴30～50mm，復噴后達到設計要求。

2 現(xiàn)有支護評價

2.1 現(xiàn)場觀測現(xiàn)象

在所觀察范圍內，盡管巷道的變形很大，但很少發(fā)現(xiàn)錨桿破斷現(xiàn)象，說明錨桿支護系統(tǒng)設計不盡合理，沒有達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）巷道底臌嚴重，巷道腰線以下位置變形大，導致噴漿層開裂、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）巷道經過兩次修復，所使用的支護材料、強度及長度沒有很大變化，這導致第二次修復巷道支護的控制范圍并沒有超過第一次支護材料控制圍巖的范圍，兩次支護的受力在一個平面上，對巷道圍巖的控制起不到應有的作用。

（4）巷道修復嚴重影響了施工進度，提高了生產成本，增加了施工中的不安全因素，影響了經濟效益。

為了改進巷道目前的支護狀況，首先必須保證錨桿、錨索支護系統(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 初次支護形式評價

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

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，由于托盤設計不合理以及缺少相對應的球型墊圈等配件，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孔徑比較大，出現(xiàn)部分錨桿托盤懸空現(xiàn)象，鋼筋網貼頂不密實，這樣圍巖一旦發(fā)生碎漲，就出現(xiàn) “網兜”或錨桿托盤被 “拉入”的現(xiàn)象，從而造成錨桿支護系統(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，原施工巷道對基礎的處理強度不夠。

3 -711北翼運輸大巷支護系統(tǒng)有限元分析

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

3.1 初始階段

初始階段即巷道開挖后和支護前這一階段，應力和變形在巷道圍巖中形成一個環(huán)狀的高應力圈。根據(jù)應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。支護體的范圍應該為安全系數(shù)大于1.2，頂板和幫錨桿長度應在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。在合理支護系統(tǒng)的支護下，圍巖應該在短時間內穩(wěn)定下來。然而，如果沒有支護或支護不合理，圍巖變形將進入第二階段——松散流動圈向內部擴展。

圖1 安全系數(shù)分布

3.2 松散破碎圈擴展

巷道開挖后，圍巖內部形成一個松散流動圈。隨著時間的增加，在無支護或支護不合理的條件下，松散流動圈將向深部擴展直到應力達到新的平衡。這時，兩幫側的松散區(qū)達到9m，所以一旦松散區(qū)擴散，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 （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，從而進一步擴大松動圈半徑，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 （松動圈的范圍進一步擴大到11 m）。可以看出，如果支護不合理，等到松散流動圈形成并發(fā)生擴展和流變擴展后，再進行維修是相當困難的。正確的支護方式應該是初期選用合理的支護系統(tǒng)，把松散流動圈控制在最小的范圍內。

4 -711北翼運輸大巷支護系統(tǒng)設計

結合現(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，材質為HB600高強鋼作為錨桿的桿體，桿體破斷力為260kN，間排距700mm。對泥巖等流變性圍巖應保證有足夠的安裝應力。根據(jù)經驗和有限元分析，錨桿的安裝應力為60kN，根據(jù)現(xiàn)場實驗，錨桿安裝預緊力矩保持在400N·m，以保證初始松散流動區(qū)不進一步擴散。

由于巷道的部分變形，在錨桿長度和安裝應力合適的條件下，錨桿支護系統(tǒng)將發(fā)揮其應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、網格尺寸為80mm×80mm 的焊接金屬網控制圍巖表面。巷道掘進后及時噴射50 mm 厚混凝土封閉圍巖，等巷道變形穩(wěn)定后再進行復噴至設計厚度。

為提高巷道的服務年限，適應地質條件的變化，采用快裝 “鳥窩”讓壓錨索作為輔助支護。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，巷道滯后掘進頭60m 進行注漿。

5 支護設計評價

對新支護設計進行了現(xiàn)場工業(yè)試驗，同時進行了礦壓觀測，設測站兩組，分別進行了頂?shù)装逡七M量、兩幫移近量觀測。觀測結果顯示，兩幫最大移近量為166mm，巷道穩(wěn)定時間約25d，而原支護兩幫最大移近量為682mm。現(xiàn)有支護方案頂?shù)装遄畲笠平繛?10 mm，巷道穩(wěn)定時間約為25d，原支護頂?shù)装遄畲笠平繛?86mm。采用新方案后，巷道維護狀況得到明顯改善，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，達到設計錨固力的70%，尚有抵御巷道圍巖應力空間，表明錨桿選用較為合理。

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

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