深部巖巷錨噴支護技術參數確定與試驗研究

鄭冬杰，孫慶潤

（1.中赟國際工程有限公司，河南鄭州 450007；2.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南鄭州 450001）

長期以來，煤炭一直作為我國的主要消費能源之一，在能源生產、消費結構中所占比例在60%左右[1-2]。目前，我國中東部礦區已進入深部開采階段，據不完全統計，中東部礦區開采深度超過800 m 的煤礦有100 余個[3-4]，開采深度以每年10～25 m 速度增加[5-6]。由于煤礦開采深度的增加，煤巖體在高地應力、高地溫以及高滲透壓的長時間作用下，其內部組織結構、響應行為特征均發生了根本性變化，導致巷道出現了不同程度的非線性大變形[7-13]。自新奧法提出“充分發揮圍巖自身強度、促使圍巖與支護結構形成共同承載圈”的核心理念后，錨桿和噴射混凝土支護技術得到快速發展[14-20]，相關專家學者進行了大量研究，比如蘇永華等[17-18]研究了錨噴襯砌穩定可靠度對隧道圍巖穩定的影響；劉泉聲等[19]利用FDEM 軟件模擬了“錨噴+注漿”條件下巷道圍巖變形破壞特征，指出圍巖破裂、碎脹是巷道大變形的主要原因；文競舟等[20]提出了內、外復合拱理論，其中錨桿作為支護外拱，噴層與鋼架作為支護內拱，研究表明在軟弱破碎圍巖中支護內拱起主要承載作用。雖然錨噴支護理論和技術得到了快速發展，但目前仍缺乏錨噴支護參數對深部巷道變形控制的系統性分析，為此，以三河尖煤礦吳莊區運輸大巷為試驗巷道開展錨噴支護參數對深部巖巷圍巖變形控制作用的數值模擬研究，量化分析錨桿預緊力、密度、長度、錨固長度以及噴層厚度和強度對巷道變形的控制作用，提出1 種深部巖巷錨噴支護技術參數的確定思路和方法。

1 工程概況

試驗巷道位于三河尖煤礦吳莊區，巷道開掘并與-700 m 西大巷相連，巷道總長度為1 442.8 m，施工過程中穿過斷層H=100 m∠75°～80°、張莊斷層H＝20～140 m∠70°后，進入7#煤底板、9#煤頂板巖層進行施工，巷道主要揭露巖性為中-細粒砂巖，巷道揭露巖層上方為15.15 m 厚的粉-細粒砂巖，下方為1.77 m 厚的粉砂巖和3.35 m 厚的9#煤層。試驗巷道掘進斷面為半圓拱形巷道，斷面尺寸（寬×高）為5.0 m×4.0 m，巷道平均埋深約800 m，巖層綜合柱狀圖如圖1，各巖層基本力學參數見表1。

表1 巖層基本力學參數Table 1 Basic mechanical parameters of rock strata

圖1 巖層綜合柱狀圖Fig.1 Strata comprehensive column diagram

2 錨噴支護參數對深部巖巷變形的控制作用

為研究錨噴支護參數改變對深部巖巷變形的控制作用，根據試驗巷道生產地質條件和支護參數，建立大尺寸“錨桿支護+混凝土噴層”三維數值計算模型，同時，采用鄰近巷道現場實測獲得的圍巖變形作為已知特征值，校驗模型參數。

2.1 數值模型

根據試驗巷道生產地質條件，建立尺寸（長×寬×高）為60 m×30 m×60 m 的三維數值計算模型，已知巷道斷面尺寸（寬×高）為5.0 m×4.0 m，模型四周及底部固定位移，上部施加19.25 MPa 均布載荷等價于上覆巖層重力，數值計算模型如圖2。巷道開挖后施加錨桿支護，采用控制變量法計算分析錨桿參數和混凝土噴層參數對巷道變形的影響，具體計算路徑：模型初始應力平衡開挖巷道添加錨桿支護添加混凝土噴層力學平衡。

圖2 數值計算模型Fig.2 Numerical calculation model

2.2 錨桿參數對巷道變形的控制作用

1）錨桿預緊力對巷道變形的控制作用。不同錨桿預緊力下巷道圍巖變形情況如圖3。從圖3 中可以看出，預緊力為40 kN 時，巷道頂、底板及幫部最大變形量分別為118、427、213 mm，隨著預緊力的增加，巷道變形量持續減小，當預緊力為120 kN 時，巷道頂、底板及幫部最大變形量分別為69、217、88 mm，頂、底板及幫部最大變形量分別減小了41.5%、49.2%、58.7%，此時巷道變形得到有效控制，因此，在錨桿支護設計時，應盡量設計高預緊力錨桿支護，促使錨桿支護形成有效的主動承載結構。

圖3 錨桿預緊力與巷道圍巖變形關系圖Fig. 3 Relation between bolt preload and roadway surrounding rock deformation

2）錨桿間距對巷道變形的控制作用。不同錨桿間距下巷道圍巖變形情況如圖4。從圖4 中可以看出，錨桿間距為600～800 mm 時，圍巖變形量相對較小，當錨桿間距增加至900 mm 時，巷道整體變形量出現明顯增加，頂、底板及幫部最大變形量分別為72、224、108 mm，錨桿間距繼續減小至1 000 mm后，巷道變形出現大幅度增加。綜上表明，該地質條件下錨桿間距應確定在在600～800 mm 范圍內。

圖4 錨桿間距與巷道圍巖變形關系圖Fig.4 Relation between bolt spacing and roadway surrounding rock deformation

3）錨桿長度對巷道變形的控制作用。不同錨桿長度下巷道圍巖變形情況如圖5。從圖5 中可以看出，錨桿長度為1.6 m 時，頂、底板及幫部變形量分別為95、344、161 mm，圍巖變形量最大，錨桿長度增加至1.8 m 時，圍巖變形量明顯減小，此時頂、底板及幫部變形量分別為82、300、128 mm，錨桿長度繼續增加至2.0 m 時，圍巖變形量繼續減小，頂、底板及幫部變形量分別為69、217、88 mm，之后錨桿長度的繼續增加并不會減小圍巖的變形，錨桿長度為2.2 和2.4 m 時，巷道圍巖變形出現了小幅度的增加。綜上表明，該地質條件下錨桿長度應確定為2.0或2.2 mm 范圍內。

圖5 錨桿長度與巷道圍巖變形關系圖Fig.5 Relation between bolt length and roadway surrounding rock deformation

4）錨固長度對巷道變形的控制作用。不同錨固長度下巷道圍巖變形情況如圖6。從圖6 中可以看出，錨固長度400 mm 時，巷道圍巖變形的控制效果最差，頂、底板及幫部變形量分別為115、383、206 mm，錨固長度增加，圍巖的控制效果逐漸改善，錨固長度增加至800 mm 時，頂、底板及幫部變形量分別為84、248、136 mm，之后錨固長度繼續增加，巷道圍巖變形繼續減小，錨固長度繼續增加至1 200 mm時，頂、底板及幫部變形量分別為63、187、81 mm，錨固長度由400 mm 增加至1 200 mm，頂、底板以及幫部圍巖變形量分別減小了59.8%、51.2%、60.7%。綜上表明，該地質條件下錨固長度應不低于800 mm。

圖6 錨固長度與巷道圍巖變形關系圖Fig.6 Relation between anchorage length and roadway surrounding rock deformation

2.3 噴層參數對巷道變形的控制作用

1）噴層厚度對巷道變形的控制作用。不同混凝土噴層厚度下巷道圍巖變形情況如圖7。從圖7 中可以看出，僅采用錨桿支護時，巷道頂、底板及幫部變形量分別為69、217、88 mm，而采用錨噴支護時，當噴層厚度為60 mm 時，巷道頂、底板及幫部變形量分別為66、171、121 mm，巷道底板變形量顯著減小，而幫部變形量卻有所增加，當噴層厚度增加至80 mm 時，底板變形量繼續減小，幫部變形量也相對減小，當噴層厚度大于100 mm 時，圍巖變形量均小于錨桿支護時的變形量，當噴層厚度為120 mm時，巷道頂、底板及幫部變形量分別為62、155、80 mm，同比僅采用錨桿支護的頂、底板以及幫部圍巖變形量分別減小了10.1%、28.6%、9.1%。綜上表明，該地質條件下噴層厚度應不低于100 mm。

圖7 噴層厚度與巷道圍巖變形關系圖Fig.7 Relation between the thickness of shotcrete layer and surrounding rock deformation of roadway

2）噴層強度對巷道變形的控制作用。不同噴層強度下巷道圍巖變形情況如圖8。從圖8 中可以看出，噴層強度的增加可改善巷道變形的控制效果，當噴層強度為10 MPa 時，巷道頂、底板及幫部變形量分別為68、180、104 mm，巷道底板變形量顯著減小，而幫部變形量卻有所增加，當噴層強度增加至20 MPa 時，巷道底板變形量繼續減小，幫部變形量也開始減小，之后，隨著噴層強度的增加，巷道底板變形量持續減小，頂板和幫部變形量緩慢減小，當噴層強度為40 MPa 時，巷道頂、底板及幫部最大變形量分別為63、156、84 mm，同比僅采用錨桿支護的頂、底板以及幫部圍巖最大變形量分別減小了8.7%、28.1%、4.5%。綜上表明，該地質條件下噴層強度應不低于30 MPa。

圖8 噴層強度與巷道圍巖變形關系圖Fig.8 Relation between shotcrete layer strength and surrounding rock deformation of roadway

3 錨網噴支護技術與現場試驗

3.1 錨網噴支護技術與參數

基于錨噴支護參數對巷道變形的控制作用分析，可以確定巷道圍巖采用的錨網噴支護技術參數。

1）第1 次噴漿作業。在巷道初掘時期，初噴厚度為50 mm，初期可提供一定的臨時支護作用，混凝土材料選取C30 等級混凝土，具體參數如下：水泥∶黃砂∶石子比（材料配比）為1∶2∶2，水灰比為0.45，最大粒徑應小于20 mm，必要時可添加速凝劑和減水劑改善噴漿質量；噴漿作業時，工作風壓保持在0.4 MPa 以上，噴頭距受噴面距離在0.8～1.5 m 范圍內，噴射角度在80°～110°范圍內。

2）錨桿和金屬網支護。待噴層凝固后進行錨桿和金屬網支護，其中，錨桿型號BHRB500，規格φ20 mm×L2.0 m，間排距800 mm×800 mm，配套使用規格為140 mm×140 mm×10 mm 的碟形托盤，每根錨桿采用1 支CK-Z2370 樹脂藥卷錨固，預緊扭矩約300 N·m；錨桿采用φ14 mm 圓鋼焊接而成的鋼筋梯子梁連接；金屬網采用8#鐵絲編制而成，網口規格50 mm×50 mm，規格3 800 mm×1 100 mm。

3）第2 次噴漿作業。在掘進巷道穩定時期，巷道變形量區域穩定后，進行復噴，復噴厚度為50 mm，材料選用C30 等級混凝土，復噴時，噴層覆蓋網、鋼帶、錨桿托板等，具體噴漿參數參照第1 次噴漿作業，噴層總厚度約100 mm，復噴可及時封閉圍巖。巷道支護斷面如圖9。

圖9 巷道支護斷面Fig.9 Supporting section of roadway

3.2 現場試驗效果

采用確定的錨網噴支護技術與參數進行了工業性試驗，并進行了現場礦壓監測，監測結果顯示巷道服務期間，頂底板移近量約在276～333 mm 范圍內，兩幫變形量約在247～270 mm 范圍內，其中主要變形發生在巷道底板，同時，現場調研發現，試驗巷道噴層表面并未出現大范圍開裂現象，其巷道表面噴層光潔度和密實度較好，驗證了錨網噴支護技術與參數的合理性和可靠性。

4 結 語

1）系統研究了錨桿預緊力、間距、長度、錨固長度以及噴層厚度和強度對深部巷道變形的控制作用。研究表明：隨錨桿預緊力、間距、錨固長度的增加，巷道圍巖變形量得到有效控制，且受預緊力和錨固長度的控制更為顯著，而適宜的錨桿長度可以有效控制巷道變形，噴層強度和厚度較小時，噴層結構會導致巷道頂底板變形向兩幫轉移，當噴層強度和厚度達到一定時，噴層結構可改善巷道圍巖的控制效果。

2）基于錨噴支護參數對巷道變形的控制作用分析，確定了試驗巷道錨網噴支護技術和參數：錨桿型號BHRB500，規格φ20 mm×L2.0 m，間排距800 mm×800 mm，預緊扭矩300 N·m，1 支CK-Z2370 樹脂藥卷，混凝土噴層厚度和強度分別為100 mm、30 MPa，現場工業性試驗結果驗證了試驗巷道錨網噴支護技術和參數其合理性。