千米深井大變形軟巖巷道圍巖控制技術應用實踐

李冰冰 姜鵬飛 焦金寶 程利興 張群濤

(1. 中煤新集阜陽礦業有限公司，安徽省阜陽市，236153；2. 天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；3. 中煤新集能源股份有限公司，安徽省淮南市，232170)

隨著煤炭資源開采強度不斷提升，我國礦井逐步進入深部開采階段，隨之而來的高應力、圍巖松軟破碎以及巷道大變形等是現階段制約千米深井巷道支護的技術難題。鑒于此，國內學者進行了大量的研究，取得了一定的研究成果。李大偉、許興亮、趙海軍等通過理論分析與試驗研究，為正確認識巷道圍巖變形破壞機理提供了可靠的依據；李學華等通過研究得出軟巖巷道圍巖的大變形具有階段性與區域性，提出了分階段分區域支護技術；康紅普等通過研究沿空留巷大變形特征，指出高預應力、高強度、高剛度并具有足夠沖擊韌性的錨桿與錨索支護是比較適合深部沿空留巷的支護方式；方新秋等通過建立力學模型，研究了深井破碎圍巖巷道變形特征及影響因素，提出針對深井破碎圍巖巷道采用二次支護控制圍巖變形的方法；嚴紅、何富連等將深井大斷面煤巷圍巖的變形特征歸納為：巷道整體變形量大、變形持續時間長、敏感系數高及破壞針對性強；王衛軍等研究了采動應力和構造應力影響下巷道圍巖的大變形特征，指出強采動和復雜構造作用是造成巷道大變形失穩破壞的兩個主要原因。上述研究成果在一定程度上豐富和完善了深井軟巖巷道的支護技術，但針對不同的地質條件尚存在一定的局限性。

本文針對口孜東礦巨厚松散層、巷道埋藏深、圍巖巖性軟、地應力高等多種復雜地質條件的支護技術進行研究與實踐，提出了采用錨架充支護技術，解決了巷道大變形問題，對深井大變形巷道的圍巖控制提供了重要的技術指導。

1 工程概況

1.1 礦井地質條件

口孜東礦位于安徽省阜陽市穎東區楊樓鎮境內，設計生產能力5.0 Mt/a，服務年限60.2 a。礦井采用立井開拓，主、副、風井三井筒井深均超過千米，目前開采-967 m水平(第一水平)。

井田地處淮河沖積平原，煤系地層為石炭二疊系，覆蓋于煤系地層以上的新生界松散層，平均厚度591.60 m；礦井主要巷道揭露的巖層為泥巖、砂質泥巖及細砂巖，泥巖遇水膨脹，巷道變形極快，圍巖控制較困難，如北翼軌道石門原巷道掘進斷面為29.79 m2，變形后不到10 m2，累計底鼓量超過4 m。

1.2 地應力特征分析

在口孜東礦西翼矸石倉三岔口、西翼軌道大巷與單軌吊交換站等3處進行了地應力測試，分析測試結果并得出如下結論：

(1)原巖應力場以水平應力為主，最大水平應力的方向為NE110°～125°。

(2)水平應力大于垂直應力，最大水平主應力與垂直應力比值最高為1.533，說明該礦井巷道圍巖所承受的應力遠大于上覆巖層重量計算得到的應力值，因此較大的構造應力場必然對井下巖層的變形破壞方式及礦壓顯現規律會有很大的影響。

(3)實測的最大水平主應力為最小水平主應力的1.432～2.277倍，即說明該區域地應力具有明顯的方向性，因此，對巷道掘進的影響亦具有較為明顯的方向性。

(4)實測的垂直應力大致等于上覆巖層重量所計算的垂直應力，但最大主應力則遠大于上覆巖層重量所計算的垂直應力值，說明該區域內的構造活動比較強烈。

2 千米深井軟巖巷道圍巖控制技術探索

2.1 前期的支護探索

口孜東礦開采深度大，地質條件復雜，前掘后修、邊掘邊修、多次返修等現象屢屢發生，巷道支護困難，嚴重制約和影響礦井的安全生產。為有效解決深井大變形軟巖巷道支護難題，口孜東礦開展了一系列的支護探索與實踐，主要復合支護形式有：錨架注支護，即錨網索噴+U36型棚+噴漿、注漿；雙層錨網噴+注漿支護，即一次錨索網噴、注漿+二次錨桿網噴(拱基以上)、注漿；封閉式錨架支護，即錨網索噴+U36型鋼反底拱棚+壁后充填；鋼管混凝土支護，即一次錨網索噴支護，其次架空鋼管混凝土支架，然后對支架壁后進行充填，最后往支架內部灌注鋼纖維混凝土，同時對底板進行矸石回填。

2.2 不同支護方式圍巖破壞特征

錨網索噴支護巷道變形破壞情況如圖1所示。由圖1可以看出，在巷道底板整體發生擠出式底鼓，破壞方式為拉伸破壞，局部底鼓量達到1.5 m，且具有非常強烈的蠕變效應，底鼓周期短，累計底鼓量達到5 m，相當于整個巷道凈高。同時巷道頂板下沉跨落，幫部大面積鼓出。

通過接入外部電路測出測量電容上的電壓UM(t),根據式(3)求得E0(t),即為該點的電場。這就是電容傳感器測量電場的基本原理[8-14]。

鋼管混凝土支護巷道變形破壞方式如圖2所示。由圖2可以看出，破壞方式均為擠壓式破壞，以頂幫連接段和底拱段變形破壞為主。

經過前期的實踐得知，無論是錨網類復合支護，還是鋼管混凝土支護，在支護結構承載能力、施工速度以及支護效果等方面均存在一定缺陷，單純依靠上述支護方式均難以從根本上解決口孜東礦控制巷道圍巖大變形的技術難題。為此，經反復研究與總結，提出了采用了錨架充支護技術。

圖1 錨網索噴巷道變形破壞方式

3 錨架充支護技術

錨架充支護技術通過主被動支護的協調控制實現“讓”與“抗”的有機結合，錨網索噴是主動支護，套棚支護是被動支護，通過充填材料實現主被動的有機結合，巷道穩定性好，承載能力強。

3.1 錨架充支護參數

(1)錨網索噴。錨桿采用?22 mm×2500 mm的左旋無縱筋MG500高強螺紋鋼，間排距為800 mm×800 mm，錨固力不低于120 kN，全長錨固；錨網采用?6 mm×1000 mm×2000 mm，網孔規格100 mm×100 mm；錨索采用?21.8 mm鋼絞線加工，間排距1.2 m×1.6 m，頂部錨索長6.2 m，幫部錨索長4.1 m，預緊力不低于160 kN；噴射混凝土厚70 mm，強度等級C20。

圖2 鋼管混凝土支護下巷道變形破壞方式

(2)套棚支護。采用U36型鋼加工，棚間距650 mm；棚搭接長度700 mm，卡纜采用U36型鋼加工，每處均設三道搭接，卡纜螺栓力矩為300 N·m；棚與棚之間采用10#槽鋼加工的拉條固定，長度為1580 mm，設7道拉條，棚梁正中、側梁正中及巷道腰線上700 mm、腰線下300 mm各一道，U型卡采用?16 mm圓鋼加工。

(3)充填支護。先在棚梁外緣鋪設錨網，再在錨網外側鋪塑料布，施工時塑料布卷成卷從棚頂向兩邊鋪開；鋪隔斷管，每架設30架放1個隔斷管；施工時先將隔斷管充滿充填料，然后再對此30架進行充填，直至整個中層充填空間填滿。

充填材料為水泥、粉煤灰、石英砂及添加劑，混合料必須保持干燥，通過充填材料輸送系統進行輸送，直至在工作面站進行與水混合；混合料與水混合后，坍落度要合適，具有較好的流動性；充填后，初凝時間為30～60 min。

3.2 錨架充支護技術要求

(1)區分平巷充填和斜巷充填的技術要點。平巷起步充填時，每隔20架U型棚需用矸石袋堆積嚴實，防止跑漿；斜巷充填時，將充填管放入棚梁上方，濕料流動性較好，相比于平巷，斜巷充填更為密實，且充填距離幾乎不受限制。

(3)充填料輸送過程中確保物料及壓風的干燥。從地面站筒倉至井下移動工作面站加水攪拌前，中間經過各級中轉站必須保證壓風的干燥，避免物料潮濕堵塞管路。

(4)保證濕料流動性的同時又要確保其凝固后的強度，確保其在5 h后混凝土強度達到5 MPa，12 h后強度達到10 MPa，24 h后強度達到15 MPa，48 h后強度達到20 MPa。

3.3 充填質量檢測

(1)充填厚度檢測。套棚時，測量棚腿背面至巷道墻面間距離，確保預留充填厚度在250～350 mm之間。

充填凝固后，打孔進行測量，在試驗巷道段隨機選取檢測點，檢測點間距不大于40 m，并安排套棚施工單位每組檢測點用風錘打檢測孔，檢查孔數不少于3個。

(2)充填強度檢測。在錨架充支護施工現場隨機取濕料，并用鋼模制作成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊；在養護28 d后，進行壓力試驗，其受壓強度必須不小于20 MPa；每澆筑30～50 m，制取試塊不得少于2組，每組試塊不得少于3個，材料或配合比變更時，應另作一組。

4 錨架充支護效果分析

錨架充支護是錨網索噴支護、U型棚支護及充填料支護三種支護合為一體的支護方式，增強了巷道抵抗深部高應力的承載能力，保證了巷道支護結構的整體穩定性。前期應用于口孜東礦西翼軌道大巷，隨后錨架充技術成熟后，在口孜東礦中央采區軌道上山和膠帶機上山等主要采區準備上山修復時進行了應用，效果良好。

4.1 錨架充巷道統計

口孜東礦實施錨架充支護以來，截至2018年5月底共施工錨架充巷道4838 m，其中掘進巷道2973 m，巷修巷道1865 m，統計情況見表1和表2。

表1 口孜東礦錨架充支護掘進巷道情況統計表

表2 錨架充支護巷修巷道情況統計表

4.2 巷道返修率降低

采用錨架充支護技術后，巷道返修率由最高時的8.3%下降至2015年的5%，巷道返修率大大降低，目前巷道嚴重返修率已下降至2.26%，見表3。

表3 口孜東礦危巷情況統計表

同時，巷道返修狀況得以較大程度的改善，礦井巷修隊伍人員數量也由原來的2100余人減少到500人左右，并大大降低了井下工人的勞動強度。

4.3 經濟效益分析

其他支護與錨架充支護技術一次性投入支護成本及返修周期如下：

雙層錨網噴+注漿支護成本：11903元/m，1年返修；錨架注支護成本：19645元/m，1年返修；鋼管混凝土僅支護材料成本：21724元/m，2年返修；錨架充支護技術成本：20255元/m，暫未發生破壞返修情況。

錨架充技術實施至今已成功支護4838 m巷道，較雙層錨網噴+注漿支護、錨架注支護和鋼管混凝土支護分別節約1.04億元、2.35億元和0.86億元，平均節約1.42億元。

錨架充技術應用后提高了巷道掘進速度，避免了大巷返修，保障了開采水平及工作面銜接，新增煤炭產量157萬t，新增銷售額47257萬元，新增利潤11814萬元。

5 結語

針對口孜東礦千米深井巷道圍巖大變形的支護技術難題，提出采用錨架充支護技術并成功應用于實踐，得出以下結論：

(1)錨架充技術不但掘進巷道支護效果好，而且對于采區主要上山的支護效果同樣顯著，適用性強。

(2)錨架充支護通過主被動支護“讓”與“抗”的有機結合，增強了巷道支護體的承載能力與整體穩定性，在很大程度上解決了千米深井軟巖巷道的大變形問題。

(3)采用錨架充支護技術后，巷道返修率顯著降低，巷道返修人員減少3/4以上，提高了巷道掘進速度，避免了大巷返修，保障了開采水平及工作面接替，支護效果好，經濟效益顯著。