陳蠻莊煤礦深井軟巖巷道支護技術研究與實踐

趙 浩

（山東能源肥城礦業集團，山東 菏澤 274300）

0 引言

深井巷道支護是采礦界公認的難題，隨著開采深度的不斷增加，我國東部煤礦相繼進入了深井開采階段，由于原巖應力水平不斷提高，當采深超過圍巖軟化臨界深度后，圍巖將產生大范圍的塑性區、破碎區，因此深井高應力復雜條件下的頂板災害和巷道支護已成為當前和今后長期影響煤礦安全生產和效益的重大技術難題，并伴隨著礦井采深的持續增加而越發突出和嚴重。

肥城礦業集團陳蠻莊煤礦開采深度大于900 m，隨著開拓延伸，圍巖控制難度逐漸增加，尤其是3800采區軌道下山受開采深度、圍巖弱結構、高圍巖巖石特性、巖層傾角大、巖層節理發育等多重因素影響，圍巖松散破碎程度進步加劇，巷道持續出現變形情況，嚴重制約礦井生產接續，生產成本增加。

1 3800軌道下山生產地質條件

陳蠻莊煤礦3800采區軌道下山巖層整體為單斜構造，巖層傾角18°～26°之間，平均23°，巷道為穿層全巖巷道，局部揭露3下1及3下2煤層。巷道整體布置在3上煤底板以下7～40 m之間，平均23.5 m，直接頂為f=2～3的泥巖，基本頂為f=3～4的粉砂巖。其主要物理力學指標見表1。

表1 3800軌道下山圍巖力學指標

2 3800軌道下山變形原因分析

1）3800軌道下山開采深度為-836～-1145 m，巷道埋深較大，原巖應力高，且圍巖結構存在滑面接觸、垂直裂隙發育，盡管巖層強度高但其整體性較差；與此同時巷道掘進后受大埋深、大傾角影響，圍巖表面應力釋放明顯，導致巷道表面成形差（巷道表面不平整），支護相對困難。

2）巖層傾角較大，巷道圍巖應力分布及變形特征呈現出明顯的非均稱性，導致圍巖結構與支護體之間不協調變形，極易呈現圍巖結構關鍵部位首先破壞，引發巷道整體失穩的變形破壞特征（見圖1）。

圖1 大傾角作用下圍巖呈現非對稱變形模擬圖

3 巷道支護形式確定

3.1 支護形式

綜合巷道原巖應力高，圍巖穩定性差，服務年限長等特點，在圍巖穩定性較好情況下采用錨網索噴支護；圍巖較破碎或圍巖穩定性較差情況下采用綜合錨注支護形式，即在錨網索噴支護的基礎上，對巷道底板及壁后進行注漿，提高巷道支護強度。

3.2 支護參數

3800軌道下山頂板層理狀發育，煤巖層層理之間多為滑面接觸，拉應力區極易使層面之間產生離層；隨著后期錨桿受力的增大，拉應力也逐漸增大，影響范圍也將逐步增大，拉應力區的離層一旦溝通，將出現較大巷道變形，此時其控制難度大（見圖2）。通過綜合分析、研究，對3800軌道下山巷道支護按照“梯度支護”原理進行設計，即采用“錨桿+短錨索+長錨索”的方式進行支護。通過短錨索控制錨桿支護離層或者裂隙的擴展，對巖層擠壓加固；長錨索通過懸吊作用，保證支護體的長期穩定。

圖2 錨桿錨固段及一定范圍內拉應力作用圖

3.2.1 錨桿

巷道頂幫錨桿均采用Q600號鋼制作的高強預應力左旋無縱筋錨桿，在粉砂巖中錨桿力可達到120 kN，根據巷道開掘寬度5.5 m，錨桿錨入相對穩定巖層深度不低于0.7 m，取錨桿長度為2.8 m；根據錨桿錨固力要求并結合施工地點條件，取錨桿直徑為22 mm；同時根據錨桿錨固力、松動圈厚度（H=1.5 m），錨桿間排距為0.8 m（L1）×0.8 m（L2），按照懸吊理論對安全系數K進行驗算:

式中：F為錨桿錨固力，F=120 kN；H為圍巖松動圈厚度；r為巖石容重，r=25 kN/m3；L1、L2為錨桿間排距0.8 m×0.8 m。

錨桿托盤采用錳鋼制作的蝶形托盤，托盤尺寸為長×寬×厚=200 mm×200 mm×15 mm，托盤弧高為25 mm。

圖3 “梯度支護”設計原理

3.2.2 錨索

3800軌道下山巷道頂幫均施工錨索，錨索取直徑21.6 mm的1×19芯鋼絞線制作錨索，鋼絞線強度1 860 MPa，錨索具體參數如下：

確定錨索長度：

式中：L為錨索總長度；La為錨索深入到穩定巖層的錨固長度，m；Lb為需要懸吊的不穩定巖層厚度，取1.3 m；L c為托盤及錨具的厚度，取0.12 m；Ld為需要外露的漲拉長度，取0.25 m

按G B86-1985要求，錨索固定長度La按式（3）確定：

式中：K為安全系數，取K=2；dl為錨索鋼絞線直徑，取21.6 mm；Fa為鋼絞線抗拉強度，N/mm3（1 860 MPa，合1 860 N/mm3）；Fc為錨索與錨固劑的粘合強度，取10 N/mm3。

則L=2.0+1.3+0.12+0.25=3.67 m，根據計算并結合“梯度支護”原理，短錨索長度取4.3 m，長錨索長度取6.3 m，錨索間排距為1 800 mm×1 600 mm。錨索托盤采用錳鋼制作的蝶形托盤，托盤尺寸為長×寬×厚=300 mm×300 mm×160 mm，托盤弧高為35 mm。

3.3 錨桿差異化錨固

高強錨桿采用一塊MSC K a2335型超快錨固劑和一塊MS M2350型慢速錨固劑進行錨固，前端超快型樹脂錨固劑在安裝攪拌開始后首先凝固，起到夾持錨桿桿體、阻止桿體旋轉、打開螺母阻尼塞的作用；后部慢速樹脂錨固劑凝膠時間較長，在對錨桿施加預應力后，再凝膠錨固，可以起到讓錨桿達到錨固力，防止錨桿失錨的作用，同時能夠充分錨桿抗與讓的作用。

3.4 錨網

采用有柔性、抗腐蝕、有強度的菱形編織網替代原冷拔鋼筋網，并采用勾連工藝（即錨網均為兩邊敞開、兩邊閉合,相鄰錨網敞開一邊與另一錨網閉環便可以相互勾聯），提高錨網護表強度與護表能力，并將錨桿打設于錨網勾聯處，使整個巷道的錨桿與金屬網聯結成一個有機整體。

3.5 圍巖穩定較差情況下全斷面注漿加固

3.5.1 全斷面注漿加固的主要作用如下

1）在高應力作用的巷道掘進后，表面應力釋放產生的裂隙，通過注漿加固恢復表面圍巖強度。

2）在裂隙或者離層導通時，通過注漿加固能夠實現錨網索支護系統的全長錨固，一旦后期受采動影響，將能保證支護系統的長期穩定。

3）底板注漿加固能有效緩解巷道底鼓，同時通過注漿體對層理及裂隙的注漿加固充填，能起到隔水作用，可有效預防水對深部圍巖的弱化破壞。

4）對于軟巖或者高應力巷道來講，裂隙或離層發育經歷“完整-裂隙導通-彌合”的過程，水的影響裂隙的彌合速度會進一步加快，所以在裂隙或者離層產生導通時進行注漿加固非常重要。

3.5.2 確定注漿加固參數

注漿管采用無縫鋼管（4分管，壁厚3 mm）加工，注漿管規格為φ21 mm×3 000 mm，為保證施工方便，準備部分φ21 mm×1 000 mm的短注漿管，以便在巷道十分破碎時使用（見圖4）。

圖4 3 m注漿管布置圖

注漿工藝：打設底板注漿孔安裝注漿管→底板注漿加固→打設頂板及兩幫注漿管→頂板及兩幫注漿加固。

注漿管采用無縫鋼管（4分管，壁厚3 mm）加工，注漿管規格為φ21 mm×3 000 mm（見圖5）。

圖5 3m注漿管結構圖

1）打設底板注漿孔，安裝注漿管。先采用φ21 mm×3 000 mm注漿管進行一次復注，按排距2 000 mm、間距1 600 mm布置；打注漿管時，注漿管一次打裝完成，打孔深度為5 m。注漿管垂直巖底板施工，兩側注漿管垂直傾角45°。

注漿管加工時應注意以下幾點：①滾絲長度至少50 mm；②下部1.5 m注漿管，尾部斜切，同時加工2個垂直交錯的布置小孔，φ6 mm左右；③連接套直徑可根據鉆孔大小選取，小于鉆孔直徑2 mm。

采用環氧樹脂材料+麻繩方式封孔，采用2級封孔：第1級位于連接套下部（下部注漿管端部），第2級在距離上部注漿管端部100 mm位置，封孔長度大于300 mm，進鉆孔中，并搗實。

2）底板注漿加固。注漿時，仍采用自下山下端向上端（或分段）進行，且遵循先中間兩邊的注漿順序。

3）打設兩幫和頂板注漿孔，安裝注漿管。待底板注漿結束后再進行兩幫和頂板注漿。采用φ21 mm×3 000 mm注漿管進行第一次復注，按排距2 000 mm、間距1 600 mm布置；打孔深度可根據注漿量和注漿壓力根據現場實際進行現場調整（根據實際情況定為3.5 m）；注漿管一次打裝完成，每施工完1根注漿管，必須及時封孔。注漿管垂直巖壁施工，兩底角注漿管垂直傾角45°。

4）兩幫和頂板注漿加固。在注漿過程中，如遇周圍有漏漿現象，應及時采用水泥（加適量減水劑）漿體封堵；如果相鄰注漿管孔漏漿，則安裝球閥封堵。注漿的終壓控制在5 MPa。

5）注漿效果檢測。復注結束后每10 m布置1個檢測斷面，對注漿效果進行檢查，如發現注漿不充實在附近10 m范圍內進行復注。

巷道圍巖穩定性較差時，采用全斷面錨網索噴和注漿加固技術，巷道承載結構為多層組合拱（即巷道表面的錨網噴組合拱、高強高預緊力錨桿加固組合拱、錨索加固組合拱以及注漿擴散形成的混凝土加固拱），各組合拱之間相互作用，能承載高徑向應力荷載，保證巷道圍巖支護體系的長期穩定性，見圖6。

圖6 全斷面錨網索噴+注漿加固原理圖

4 效果檢驗

未驗證支護效果，在3800軌道下山優化支護段每50m設置了1組巷道表面位移觀測點，巷道位移測試儀器采用S MK-1型鋼環式收斂計，觀測周期安排：自巷道成型、安設測點日期起每天觀測1次，7天后每3天觀測1次，1個月后每周觀測1次，通過觀測巷道表面位移觀測，支護收縮量合適，巷道支護2個月后，巷道表面位移量趨于穩定（巷道頂板最大位移量75 mm，幫部最大位移量120 mm，底板最大位移量90 mm），優化后支護后支護強度滿足安全生產需要,有效控制了巷道變形。