大深度礦井圍巖破壞分析及支護工藝研究

李 鵬

（山西鄉寧焦煤集團臺頭前灣煤業有限公司，山西 鄉寧 042100）

隨著煤礦綜采作業深度的不斷增加，井下巷道圍巖處于高應力集中區域，在進行巷道掘進時打破了原有的應力平衡狀態，使圍巖集聚的應力釋放出來，同時在開采擾動和地壓沖擊的作用下使圍巖的特性發生轉變，從脆性轉向塑性，且具有更高的流變特性，極易導致巷道圍巖的變形、垮塌，嚴重影響了巷道掘進的速度和安全性。傳統的以錨、網、索為主的支護方案無法滿足大深度礦井下巷道的支護安全性需求。

在前人研究的基礎上，結合大深度礦井的實際地質情況，本文對巷道圍巖破壞的因素進行了簡單的分析，在此基礎上提出了以改善圍巖狀態為主，以高應力錨桿支護為輔的聯合加強控制方案，通過注漿加固技術將破碎的圍巖結合起來，提升其自身結構強度和穩定性，通過高預應力、高強度錨桿支護的方式進一步提升巷道在地壓沖擊作用下的穩定性，不僅簡化了支護結構、提升了支護效率，而且極大的提升了巷道圍巖的穩定性，根據實際應用表明，新的支護方式能夠將頂板變形量降低65.5%以上，將巷道兩幫變形量減少64.1%，對提升大深度礦井掘進作業的安全性具有十分重要的意義。

1 圍巖破壞原因分析

以大深度礦井為研究對象，其綜采深度約1260 m，利用井下小孔徑水壓致裂地應力監測裝置，對井下巷道內的地應力情況進行監測，結果表明井下各測點的應力均大于30 MPa，在各監測點的應力分布中以水平應力分布為主，構造應力場分布較為廣泛，圍巖均處在高應力分布條件下。利用鉆孔測試的方案對井下巷道圍巖的結構強度進行分析，結果表明深井內的圍巖強度波動較大，這主要是由于賦層越深巖層的變化越明顯，因此導致圍巖內的應力作用分布極不均勻，井下巖石多呈破碎狀，使穩定性極差。綜上分析大深度礦井圍巖破壞的主要原因是井下圍巖破碎度高、結構強度弱，在高應力作用下極易出現失穩現象。巷道圍巖取樣分析如圖1所示[1]。

圖1 井下圍巖采樣結果

2 井下聯合支護

針對井下圍巖破壞原因，并依據主動支護的原則[2]，充分考慮井下巷道支護效率和經濟性的需求，提出了采用高強度錨桿支護+井下注漿加固的方案。

在進行頂板支護時錨桿選用高強度的錨桿，其規格為Φ22 mm×2400 mm，在進行錨固時采用樹脂加長錨固的方案，整個錨固的長度不低于1800 mm，利用W型鋼板作為側幫防護，利用加密的鋼筋護網作為上側防護，各個錨桿之間的排距按照800 mm來布置，每排錨桿的設置數量為10～16個，錨桿固定時的預緊力為150 kN。

為了提高支護效率，錨索安裝時的錨索孔和注漿孔共用，注漿完成后再設置錨索，提高施工效率。錨索選擇規格為Φ22 mm×4300 mm的高強度預應力剛絞線，一根19股布置結構，每根錨索采用樹脂藥卷進行錨固，錨固的長度不低于1800 mm，各個錨索之間的排距設置為800 mm，每排錨索的設置數量為5根，錨索固定時的預緊力設置為250 kN，設置完成后對錨索進行全尺寸錨固。

在進行底板支護時，同樣采用錨固+注漿支護的形式[3]。為了減少井下物料種類、提高作業效率，錨索同樣選用規格為Φ22 mm×4300 mm的高強度預應力剛絞線，一根19股布置結構，為了進一步提升抗變形能力，在錨索的端部設置了繩套，在錨固區域下側設置固定結構提高巷道底板對錨索的固定力。底板上的錨索孔同樣和注漿孔共用，直徑為50 mm，在固定時，首先利用樹脂錨固劑進行固定，對錨索進行張緊力設置，然后對全段進行水泥注漿錨固，各個錨索的距離按1000 mm×1000 mm布置，錨索均應和底板垂直。

在進行錨固的過程中，需要充分的考慮注漿料的流動性和凝固速度，經過多次試驗驗證，最終選擇硅酸鹽水泥作為注漿料，水灰比按0.7∶1.0，注漿時的壓力設置為13 MPa，注漿時采用分層注漿方案，確保漿液能夠充分滲入到圍巖裂縫內并完成凝固[4]。該聯合支護方案具有結構簡單，強化效果好、支護效果好的優點，巷道井下綜合支護方案如圖2所示。

圖2 井下巷道綜合支護圖（mm）

3 應用效果分析

為了對該綜合支護方案的應用效果進行驗證，在相同的巷道內，分別對無支護、單純注漿加固及高強度錨桿支護+井下注漿加固的應用效果進行對比分析，結果如圖3所示。

圖3 不同支護效果情況下圍巖變化情況

由圖3可知，在無支護的情況下，井下巷道內頂板的最大形變量約為782 mm，采用注漿加固后巷道頂板的最大變形量約為445 mm，采用高強度錨桿支護+井下注漿加固的情況下巷道頂板的形變量僅為270 mm，由此可知，比無巷道支護情況下的變形量降低了65.5%。

在無支護的情況下，井下巷道內兩幫的最大形變量約為778 mm，采用注漿加固后巷道兩幫的最大形變量約為460 mm，采用高強度錨桿支護+井下注漿加固的情況下巷道兩幫的最大形變量僅為280 mm，由此可知，比無巷道支護情況下的變形量降低了64.1%。

4 結論

針對大深度礦井地壓沖擊大、巷道變形嚴重的現狀，在對井下圍巖破壞原因進行分析的基礎上，提出了一種新的支護工藝，根據實際應用表明：

1）大深度礦井圍巖破壞的主要原因是井下圍巖破碎度高、結構強度弱，在高應力作用下極易出現失穩現象。

2）以硅酸鹽水泥作為注漿料，水灰質量比按0.7∶1.0設置，注漿時的壓力按13 MPa設置，注漿時采用分層注漿方案，能夠最大程度上確保漿液充分滲入到圍巖裂縫內并完成凝固。

3）新的支護方式能夠將頂板形變量減少65.5%以上，將兩幫形變量減少64.1%，對提升大深度礦井掘進作業的安全性具有十分重要的意義。