深部高應(yīng)力巷道錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

張偉合 蘇麗君 劉 偉 胡久彬 馮旭東

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272102； 2.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

1 概述

我國(guó)的深部煤炭資源儲(chǔ)量豐富，70%煤炭資源位于地表600 m以下，其中超過(guò)千米埋深的煤炭資源占總儲(chǔ)量的50%以上，大型煤礦開(kāi)采深度也在以每年8 m～12 m的速度向下開(kāi)挖[1]。由于淺部資源的開(kāi)采量逐漸枯竭，資源開(kāi)發(fā)逐漸走向地球深部，千米深井支護(hù)工程成為關(guān)注焦點(diǎn)，深部巷道圍巖受到高地應(yīng)力和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的影響，深部資源的開(kāi)采面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面，進(jìn)入超千米深度后，巖石力學(xué)行為表現(xiàn)出淺部巷道工程中少見(jiàn)的大變形、強(qiáng)流變等特征[2,3]，深井巷道開(kāi)挖后，圍巖體中在高應(yīng)力下形成的塑性滑動(dòng)面，經(jīng)歷“損傷擴(kuò)容→剪切滑移破壞→碎脹大變形”而失穩(wěn)[4]，需要對(duì)巷道工程采取因地制宜的支護(hù)方案[5]，以控制高應(yīng)力下的圍巖大變形；另一方面，深部巖芯原“質(zhì)”原“位”取樣困難，基于實(shí)驗(yàn)室理論研究提出的支護(hù)方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)巖體的保真模擬，導(dǎo)致深部巷道變形機(jī)理的理論研究滯后于工程技術(shù)的發(fā)展，多數(shù)支護(hù)方案存在不合理性，出現(xiàn)巷道支護(hù)困難、維修費(fèi)用高且經(jīng)常重復(fù)返修的現(xiàn)象。針對(duì)深部高應(yīng)力巷道支護(hù)，常采用的研究手段是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值模擬和工程實(shí)踐相結(jié)合的方法[6-8]。

近年來(lái)，深井巷道事故的發(fā)生嚴(yán)重制約井下的生產(chǎn)和安全，我國(guó)深部高應(yīng)力巷道賦存環(huán)境差異巨大，影響圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵因素各不相同，需要進(jìn)一步完善高應(yīng)力巷道支護(hù)控制技術(shù)[9]。傳統(tǒng)的支護(hù)是利用錨桿大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)剛度與強(qiáng)度，控制圍巖體擴(kuò)容變形[10]，但無(wú)法保證深部巷道圍巖的大變形控制，需采取多種支護(hù)方案聯(lián)合支護(hù)的手段[11-13]。本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析了錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護(hù)機(jī)理的合理性，為超千米深部巷道支護(hù)提供了一個(gè)成功的工程案例。

2 深部高應(yīng)力巷道支護(hù)技術(shù)

以山東礦區(qū)某礦-1 350 m水平開(kāi)拓巷道為工程背景，其開(kāi)拓方式采用斜井多水平的開(kāi)拓方式，集中運(yùn)輸巷道有多個(gè)階段，水平運(yùn)輸大巷采用水平布置，聯(lián)合開(kāi)拓也是采用上下組煤的方式，石門(mén)作為每個(gè)煤層間的主要聯(lián)系方式。礦井地質(zhì)條件較為復(fù)雜，含煤地層區(qū)內(nèi)石盒子組厚度0 m～154.5 m，平均厚度為36.27 m，巖性一般為雜色粘土巖及中細(xì)砂巖，A組和B組巖性以粉砂巖、砂巖、粘土巖和灰?guī)r為主，夾煤層，總厚平均為329.45 m。C組厚度47.90 m，巖性以雜色粘土巖、砂巖和灰?guī)r為主，抗壓強(qiáng)度為32.3 MPa～79.3 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為55.8 MPa；粘土巖及泥質(zhì)較軟，一般吸水易膨脹，井巷工程揭露時(shí)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。粉砂巖及灰?guī)r硬度大，強(qiáng)度高，巖性好。煤系基底為厚約800 m的奧陶系石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r，完整性好，硬度大，力學(xué)強(qiáng)度高。抗壓強(qiáng)度為46.0 MPa～74.7 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為62.7 MPa。

大巷永久支護(hù)體系由錨網(wǎng)噴和U型鋼聯(lián)合支護(hù)組成(見(jiàn)圖1)。巷道開(kāi)挖后，全斷面掛5 000 mm×1 100 mm由φ10號(hào)鐵絲編織而成的經(jīng)緯網(wǎng)，噴射厚度為30 mm的C20混凝土后，開(kāi)始進(jìn)行錨網(wǎng)噴一次支護(hù)，采用錨盤(pán)壓緊金屬網(wǎng)使其緊貼巖面，使用規(guī)格為φ22×2 400 mm的MSGLD-335型等強(qiáng)全螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿，設(shè)置錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，錨桿外露長(zhǎng)度約為50 mm。一次支護(hù)施作完畢后在全斷面頂部及兩肩窩處使用4根MSGLD-600型等強(qiáng)全螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿進(jìn)行二次加強(qiáng)支護(hù)，錨桿規(guī)格為φ22×2 400 mm，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm；錨桿均用2根MSK28/35樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，錨桿托盤(pán)規(guī)格為200 mm(長(zhǎng)度)×200 mm(寬度)×12 mm (厚度)。使用三節(jié)對(duì)稱式直腿半圓拱U29型鋼可縮U棚支架作加強(qiáng)支護(hù)，排距為1 000 mm。

為驗(yàn)證錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護(hù)的可行性，需要對(duì)比深部巷道工況一(無(wú)支護(hù))和工況二(有支護(hù))條件下的圍巖變化情況，采用FLAC3D建立大型三維數(shù)值分析模型，對(duì)不同工況深部巷道圍巖變形結(jié)果進(jìn)行模擬，獲得2種工況下的底板和兩幫位移，如圖2所示。

深部巷道頂板的下沉量最大，為482 mm，兩幫內(nèi)擠量次之，下沉量為464 mm，最大變形量發(fā)生在底部。在有支護(hù)條件下，巷道圍巖的變形縮小為無(wú)支護(hù)條件下圍巖變形量的一半，表明錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護(hù)方案有效控制了深部高應(yīng)力巷道圍巖的大變形。

3 工業(yè)性試驗(yàn)效果分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可作為評(píng)價(jià)巷道支護(hù)工程應(yīng)用效果的判斷依據(jù)，在井下大巷共設(shè)置了2個(gè)監(jiān)測(cè)面，繪制深部巷道圍巖變形曲線如圖3所示。

圖3巷道表明，圍巖大變形階段主要發(fā)生在支護(hù)前期，巷道變形總體趨勢(shì)呈現(xiàn)先快后緩的變化特點(diǎn)，在支護(hù)后15 d圍巖變形劇烈增長(zhǎng)，15 d～90 d的位移增量保持在10 mm以內(nèi)，占總位移量10%以下；后期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明深部巷道變形得到收斂，圍巖基本保持穩(wěn)定。

從位移總量上來(lái)看，巷道頂板的下沉量最大，兩幫內(nèi)擠量次之，底板膨起量最小。從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，噴層無(wú)開(kāi)裂、脫落現(xiàn)象，巷道斷面規(guī)整，圍巖變形得到了很好的控制，該工程案例采用的聯(lián)合支護(hù)方案能夠滿足安全生產(chǎn)的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在有錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護(hù)條件下，圍巖變形量減小一半，采用等強(qiáng)全螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿對(duì)頂板和肩窩進(jìn)行錨網(wǎng)噴二次加強(qiáng)支護(hù)和U型鋼支護(hù)可預(yù)防巷道冒頂、片幫。

2)巷道支護(hù)后15 d內(nèi)圍巖變形劇烈增長(zhǎng)，巷道頂板的下沉量最大，兩幫內(nèi)擠量次之，底板膨起量最小，30 d后圍巖變形基本收斂，15 d～90 d的位移增量保持在10 mm以內(nèi)。

3)巷道經(jīng)歷初期的較大變形后，變形增量迅速減小，圍巖變形趨于穩(wěn)定并得到有效控制，表明錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護(hù)方案具有較好的適用性。