深井高地應力復合巖層巷道圍巖控制技術研究

范明建，任勇杰，段昌瑞，王德田

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院， 北京 100013；3.山東能源新汶礦業集團有限公司，山東 泰安 271000；4.淮南礦業(集團)有限公司， 安徽 淮南 232001；5.深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

深井高地應力復合巖層巷道圍巖控制技術研究

范明建1,2，任勇杰3，段昌瑞4,5，王德田3

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院， 北京 100013；3.山東能源新汶礦業集團有限公司，山東 泰安 271000；4.淮南礦業(集團)有限公司， 安徽 淮南 232001；5.深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

針對深部礦井高地應力巷道圍巖整體變形量大、持續時間長、局部破壞嚴重的圍巖控制難題，以深井大傾角、復合巖層巷道掘進為工程背景，在進行系統地質力學測試、圍巖變形破壞特征分析、支護形式選取與現場試驗的基礎上，對深井超高地應力巷道圍巖控制技術進行研究。通過優化錨桿支護參數、合理選擇護表形式與構件，實現了深部高地應力復合巖層巷道圍巖的一次主動支護，有效控制了深部高地應力巷道圍巖的長期持續變形，改變了深部巖巷“前掘后修、反復維修”的局面，取得了良好的現場應用效果。

深部礦井；高地應力；復合巖層；巷道圍巖控制

深部煤炭資源開采以其開采環境的特殊性、生產與地質條件的復雜性、工程災害的突發性和頻發性，成為國內外煤礦開采領域研究的焦點。多年來，專家學者和現場技術人員，在解決深部巷道圍巖控制與支護技術難題方面做了大量理論研究和實踐工作。[1-4]從巷道支護方式來看，包括俄羅斯、德國、美國、澳大利亞在內的世界主要深部煤炭開采國家，已由原來的“架棚支護、強力錨桿、組合錨桿(索)桁架”等單一支護形式，向“錨、網、索、帶、噴+封閉式剛性支架+架后巖體注漿”相結合、集支護與加固為一體的復合支護形式發展。目前，盡管俄羅斯和部分西歐國家在深部巷道圍巖多重高強聯合支護方面進行了較廣泛的研究，但因其支護工藝復雜、施工速度慢、支護成本高等原因，未能得到廣泛應用[5]。

目前，我國煤礦深部高應力巷道主要多以“錨網索+U鋼棚”聯合支護為主，部分礦井深部困難復雜巷道處于“前掘后修、反復維修、多次起底，套棚修復”的狀態，平均返修率達到70%以上。巷道掘進與維修成本最高達到2萬～3萬元/m。[6-7]近年來，隨著高強超高強支護材料的開發和部分施工機具的研制與引進，高預應力、強力錨桿錨索支護系統在多個礦區的深部高應力困難復雜巷道中得到了推廣應用并取得良好的支護效果與經濟技術效益[8-10]。

1 圍巖賦存條件

華豐煤礦-1180回風大巷掘進目的是形成礦井六水平生產系統，滿足六水平通風、行人、運輸、管線敷設的需要。巷道埋深1289～1296m，巖層為單斜構造，煤巖層傾角為32～33°，平均32°。巷道開口位于煤8底板，掘進過程中將揭露煤8至煤11之間的煤、中砂巖、粉砂巖、泥灰巖等多種煤巖層，主要標志層為二灰及煤9、煤10、煤11(圖1)。巖層厚度集中在2～6m之間，最大不超過10m，最小僅有0.2m，是典型的深部復合巖層穿層巷道。

圖1 -1180回風大巷所穿越巖層柱狀圖

采用單孔多參數耦合快速井下地質力學測試系統，對巷道圍巖地應力、圍巖強度和圍巖結構進行系統測試[11]。最大水平主應力、最小水平主應力、垂直主應力分別為31.19MPa、16.82MPa、31.85MPa，屬于高地應力區域。圍巖偏應力作用顯著，相互垂直的主應力差值最大達到17.11MPa。在超高地應力和大偏應力的作用下，大傾角復合巖層巷道開挖后，巖層間滑移和錯動現象顯著。圍巖強度原位測試曲線(圖2)波動幅度較大，雖然含有部分細砂巖和石灰巖，但層間弱面、節理、裂隙發育。巖體強度相對較低。泥質砂巖及夾層，平均強度值為40～60MPa，部分小煤夾層強度低于10MPa。-1180回風大巷集中了埋藏深度大、地應力水平高、偏載作用顯著、巖層傾角大、復合巖層巖性變化頻繁、層間節理裂隙發育、巖體強度低等多重復雜條件，為深部延伸巷道圍巖控制造成極大的困難。

圖2 頂板圍巖強度測試曲線及對應鉆孔柱狀

2 圍巖變形特征與支護參數問題分析

2.1 支護形式與變形特征

-1180回風大巷巷道斷面為直墻半圓拱形。巷道掘進斷面寬度為5500mm，墻高1700mm，拱高2750mm。原支護形式為“錨網噴+架棚”支護，錨桿五花布置，間排距為500mm×500mm，最后架設三節或五節對稱式直腿半圓拱U29型鋼棚，棚距800mm(圖3)。巷道在開挖7天(掘進30m)后，其頂底移近量達133.5mm，平均移近速度19.07mm/d；頂板下沉量為27.5 mm，下沉速度為3.93mm/d。底臌量為106mm，平均15.14mm/d。兩幫移近量為43.5mm，平均移近速度6.21mm/d。巷道圍巖呈現出“變形速度快、變形量大”的特點，多數巷道段出現前掘后修、反復維修的狀態，部分巷道在掘進期間需要進行三次以上的翻修工作，嚴重影響巷道的安全使用。

圖3 巷道原支護參數示意圖(單位：mm)

巷道圍巖變形破壞具有以下特征：①巷道整體變形量大、底臌嚴重，破壞范圍廣；②巷道變形持續時間長，無明顯穩定時間，蠕變特征顯著；③在超高地應力和較大偏應力作用下，巷道呈現顯著的非對稱性大變形；④由于巖層傾角較大，巷道拱頂下肩最先發生變形且破壞嚴重，下幫整體移近明顯；⑤巖層錯動顯著，多數拱頂下肩和下幫錨桿出現剪切破斷。

2.2 支護參數存在問題分析

通過觀察巷道圍巖變形破壞過程與現場施工狀況，結合煤礦巷道圍巖控制理論與錨桿支護技術的相關研究成果，-1180回風大巷在支護形式與參數選取方面存在以下問題。①護表構件強度低、承載能力弱、抗變形能力差，與強力錨桿支護系統不匹配。原支護選用普通W護板作為強力錨桿的附屬構件，對巷道表面進行支護，在巷道變形時最先出現破壞。該W護板由普通礦用W鋼帶裁剪而成，護板長度300～400mm、寬度280mm、厚度3～5mm。W護板雖然解決了拱形巷道難以安裝較長W鋼帶的難題，但其整體剛度較差，護板寬度方向極易發生變形。在高應力作用下，多數W護板出現四角外翻、沿寬度方向對折和拉穿、撕裂的現象，嚴重影響高強錨桿作用的發揮。②錨桿(索)錨固方式選擇不合理。深部高應力大傾角復合巖層巷道應盡量對錨桿(索)進行全長預應力錨固，以提高桿體的抗剪能力，減少因巖層滑移而造成的錨桿(索)剪斷機率。現場錨桿采用2支K2850的樹脂錨固劑加長錨固，井下測量錨桿自由段長度在1.2～1.4m之間。錨索采用4支Z2850錨固劑錨固，自由段長度3.8～4.0m。由于巷道圍巖為巖性變化頻繁的復合巖層，層間多存在軟弱夾層，在超高地應力和較大偏應力作用下極易出現層間滑動，極易造成錨桿(索)的彎曲和剪切破壞。③支護參數和支護強度選取均衡化，不能滿足關鍵區域的支護需要。大傾角巖層巷道圍巖在超高地應力和較大偏應力的作用下，巷道頂板下肩位置極易出現巖層間滑移和錯動，使巷道拱頂下肩和下幫圍巖最先出現較大變形與破壞，并逐步擴散到整個巷道斷面，造成巷道整體失穩。因此，應對易發生初期破壞的巷道關鍵位置進行強化支護。④對于深部超高地應力巷道，單靠“錨網索”支護方式難以實現對巷道圍巖的長期有效控制。已有的研究成果和現場揭露表明，深部高應力巷道圍巖內部分區破裂現象顯著[12-14]。巷道內部圍巖的分區破裂、原生的節理裂隙以及復合巖層間的軟弱夾層，導致巷道圍巖自身承載能力的降低和承載結構穩定性的劣化。對于深部超高地應力作用下的礦井永久巷道，應采取“集錨網索強力支護與注漿加固于一體”的圍巖綜合控制技術，恢復和改善巖巷圍巖的承載結構，提高圍巖承載能力，實現圍巖的長期穩定[15]。

3 深部巖巷支護理念與參數選取原則

目前，深部高地應力困難復雜巷道二次支護理論為多數礦井技術人員所認可。隨著巷道埋藏深度的逐步增加，復雜多變的煤礦開采地質與生產條件，使二次支護理論遇到了很大的挑戰。在埋深超過1200m的特深礦井超高地應力、強烈動壓影響、特殊地質構造影響等區域，巷道采用二次支護后仍出現嚴重的變形破壞問題。部分區域巷道甚至需要進行3～4次支護和修復，服務期間便陷入 “支護-破壞-修復-再破壞-再修復”的持續變形狀態。與此同時，以強調支護系統初期支護強度和剛度的“高預應力強力一次支護理論”在深部超高地應力、強烈動壓影響等困難復雜巷道中得到推廣和應用，并取得了良好的支護效果。

針對-1180回風大巷埋深大、地應力水平高、復合巖層、巖層傾角大等地質條件，在分析圍巖變形特征、原支護形式與參數選取存在問題的基礎上，提出以下巷道支護參數選取原則。①支護系統應具備與巷道圍巖應力環境相匹配的初期支護強度與剛度，確保能夠有效控制圍巖內部離層、滑移、錯動以及裂隙張開和新裂紋的產生，保持圍巖的整體結構不被破壞。②錨桿(索)應盡量做到全長預應力錨固，以增強桿體的抗剪切能力，防止因大傾角巖層錯動而造成的桿體破斷。同時，支護系統中的護表構件的強度和結構形式應與錨桿(索)強度相匹配，保證支護應力在巷道表面及圍巖內部的有效擴散，以實現錨桿(索)支護作用的充分發揮。③采取“全斷面強力支護與圍巖注漿加固相結合”的綜合圍巖控制方法，重視對大傾角復合巖層巷道拱頂下肩和下幫等關鍵部位的支護強度，避免因巷道關鍵部位支護失效而造成的由點到面、由局部到整體的大面積持續變形和破壞，必要時對巷道底板進行注漿錨索加固，在圍巖內部形成完整的、連續的、封閉式的高剛度承載結構。④支護系統具有韌性和抗沖擊能力，在高應力和動壓影響的作用下，允許圍巖具有一定的變形和整體位移能力，以適應深部高應力巷道圍巖大變形的特點。同時，巷道服務期間的總位移量應滿足生產需要，圍巖整體支護結構不應出現失穩和破壞。⑤支護形式與參數具有可操作性，便于井下施工，有利于提高巷道掘進速度和降低巷道綜合維護成本。

4 現場試驗與支護效果評價

根據-1180回風大巷現場條件和支護現狀，在地質力學測試、圍巖變形特征分析、支護參數選取原則合理確定的基礎上，采用“全斷面強力錨網支護與注漿加固為一體”的綜合圍巖控制方法(圖4)。巷道開挖并初噴完成后，進行錨網索支護。錨桿為直徑22mm，屈服強度不低于600MPa的高強抗沖擊螺紋鋼錨桿，樹脂全長預應力錨固，預緊力100k～120kN。高強度雙向四肋井型W鋼護板作為強力錨桿的附屬構件，實現錨桿高預緊力在圍巖中的有效擴散。錨索選用1×19股、直徑22mm煤礦專用鋼絞線，長度4.3m，端部錨固并施加預緊力后，對自由段注漿，實現錨索全長預應力錨固，鎖定張拉力200k～250kN。錨索托板設置注漿孔并預置注漿附件。對易發生破壞的巷道拱頂下肩和下幫圍巖，采取降低錨索排距的方式強化支護，拱頂下肩和下幫錨索排距0.9m，其它錨索排距1.8m。井型W鋼護板、錨索托板與Φ6.5mm高強度鋼筋網共同組成巷道圍巖的護表系統，對錨桿(索)施加初始預緊力的同時，也給鋼筋網一定的拉緊力，實現巷道全斷面高預緊力強力主動支護。在錨索安裝并施加預緊力后，通過預置注漿管，對錨索自由段和破碎圍巖體進行帶壓注漿，恢復圍巖的完整性和承載能力。

巷道掘進期間礦壓監測結果(圖5)顯示：巷道表面位移一般在距掘進迎頭50～60m范圍內趨于穩定。掘進期間，兩幫最大移近量97mm，為巷道寬度的1.76%。其中，上幫移近41mm，下幫移近56mm。巷道頂底板移近量較小，其中頂板下沉量8mm，底臌量68mm。頂板離層值一般集中在5～7mm之間。錨桿(索)受力增加幅度普遍較小，保持在30k～50kN之間。從不同位置處錨桿(索)最大受力值看，位于巷道下肩和下幫的錨桿(索)受力值普遍大于頂板中部和上幫的錨桿(索)。現場監測結果證明，巷道下肩和下幫是深部大傾角復合巖層巷道圍巖控制的關鍵區域。

圖4 巷道關鍵支護參數示意圖(單位：mm)

圖5 巷道礦壓監測結果與支護效果

5 結論

1)深部超高地應力大傾角復合巖層巷道單靠“錨、網、索+U型鋼棚”聯合支護，難以保證永久巷道圍巖的長期穩定。通過恢復和強化圍巖的完整性和承載能力，與高預應力強力錨桿支護系統共同組成具有高強度、高抗變形能力的、完整承載結構，實現對深部高應力巷道圍巖的有效控制，盡量做到巷道一次支護便能滿足生產的需要，避免二次支護和巷道維修。

2)錨桿(索)全長預應力錨固與圍巖注漿加固，是減少和避免大傾角復合巖層巷道因層間滑移、錯動造成錨桿(索)破斷的關鍵。全長預應力錨固提高了錨桿的剛度和抗剪強度，注漿加固恢復了圍巖的完整性和復合巖層間的膠結強度，減少了高地應力作用下大傾角巖層的位移量。

3)全斷面強力復合支護和關鍵部位強化支護，可避免因巷道局部破壞而造成的整個支護系統失效。“全斷面強力錨網支護與注漿錨索加固”為一體的綜合圍巖控制方法，有效控制了深部高地應力巷道圍巖的長期持續變形，改變了深井巖巷“前掘后修、反復維修”的局面，現場應用效果良好。

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Study on surrounding rock control technology of roadway with high in-situ stress and compound strata in deep coal mine

FAN Ming-jian1,2，REN Yong-jie3，DUAN Chang-rui4,5，WANG De-tian3

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Coal Mining and Design Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China； 3.Shandong Energy Xinwen Mining Group Co.，Ltd.，Tai’an 271000，China； 4.Huainan Ming Group Co.，Ltd.，Huainan 232001，China； 5.State Key Laboratory of Deep Coal Mining & Environment Protection，Huainan 232001，China)

According to the difficulties of roadway surroundings control with high in-suit stress in deep coal mine，such as large integrate deformation for long time，serious local broken and so on，the suitable supporting forms and scientific surroundings control methods of roadway were researched.The typical roadway with large-dip angle and compound strata was selected as engineering background in deep coal mine.Some main supporting design ideas were determined by systematic geo-mechanical on-site tests，analyzing the characteristics of surroundings deformation and its failure zones.The engineering practice proved that the optimized supporting manners and parameters could make roadway surroundings in stable state，reduce roadway repair tasks and achieve effectively supporting by once for roadway surroundings in deep coal mine.

deep coal mine；high in-situ stress；compound strata；roadway surroundings control

2014-07-24

國家科技支撐計劃項目資助(編號：2012BAB13B02)；淮南礦業集團科技項目計劃項目資助(編號：HNKY-JT-JS-(2011))

范明建(1981-)，男，山東滕州人，助理研究員，就職于煤炭科學研究總院開采分院，主要從事煤礦巷道礦壓與支護技術方面的研究與推廣工作。E-mail：fanmingjianccri@163.com。

TD353

A

1004-4051(2015)07-0095-05