深井軟巖巷道強力一次性支護技術研究及應用

唐世界

(河南能源焦煤公司趙固二礦，河南 新鄉(xiāng) 453000)

隨著我國煤礦進入深部開采，礦井所面臨的地質(zhì)條件愈加復雜，需要解決的生產(chǎn)技術問題更加棘手。礦井的開拓巷道一般布置在巖層當中，圍巖屬性包含泥巖、砂巖砂質(zhì)泥巖等，有時巷道需布置在泥巖等軟弱巖層當中，深井軟巖巷道在高應力環(huán)境下易發(fā)生顯著變形，若巷道支護方案制定不合理，后期需投入大量的人力物力進行維護，嚴重影響礦井安全高效生產(chǎn)。為解決深井軟巖巷道變形顯著問題，專家學者開展了大量的工作研究高應力軟巖巷道圍巖破壞失穩(wěn)機理及變形控制機制，并取得了豐富的理論成果和實踐成果。

針對深井軟巖巷道變形顯著問題，康紅普等[1]分析研究了新汶千米深井軟巖巷道變形特征，提出了錨注聯(lián)合支護圍巖加固技術，能夠有效控制巷道圍巖變形；李為騰等[2]針對趙樓煤礦開采條件，研究分析了高應力環(huán)境下軟巖巷道支護體系作用機制，并提出通過拱架支護來抑制高應力軟巖巷道圍巖失穩(wěn)；余偉健等[3]研究分析高應力軟巖巷道的變形機理，提出了“錨桿、金屬網(wǎng)、噴漿、錨索、注漿和底板錨索”的綜合支護方式控制巷道圍巖變形；王襄禹等[4]提出了錨注結構承載力的計算公式，有利于預測錨注支護軟巖巷道變形情況；謝生榮等[5]為控制深部軟巖巷道變形，研究得出錨噴注強化承壓拱支護技術；康紅普等[6]認為錨桿預緊力是決定支護效果的關鍵因素，提出通過高預緊力、強力錨桿的使用，配合注漿加固，能實現(xiàn)對軟巖巷道大變形的有效控制；蔣敬平等[7]基于深井巷道軟巖大變形力學特性，探索研究了高強錨注支護作用機理，其研究認為通過高強全錨注支護可實現(xiàn)由傳統(tǒng)端錨向全錨的轉(zhuǎn)變，不僅增強了圍巖的承載能力，同時增大了支護系統(tǒng)的有效承載范圍；其他學者[8-10]針對高應力軟巖巷道支護進行了大量的研究工作，且治理成效明顯。

綜上所述，高應力軟巖巷道支護問題是影響礦井生產(chǎn)的難題之一，筆者針對14040工作面下順槽底抽巷圍巖變形情況，分析圍巖變形破壞原因，提出強力一次性支護技術控制軟巖巷道圍巖變形，數(shù)值模擬研究圍巖控制效果，并通過現(xiàn)場觀測驗證支護效果。

1 工程概況

1.1 研究背景

河南能源集團趙固二礦為煤與瓦斯突出礦井，目前正在回采14030綜采工作面，原設計在14040工作面順槽掘進過程中施工順層鉆孔消突，但經(jīng)主管部門審核認為不能實現(xiàn)完全消除突出風險，需根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》進行瓦斯治理，設計施工了14040工作面下順槽底抽巷，但存在采掘接替緊張問題，同時14040工作面下順槽底抽巷地質(zhì)條件復雜，因此需要在滿足巷道圍巖變形控制要求的前提下，提出一種快速高效的支護方案。

1.2 研究區(qū)域概況

1) 14040工作面下順槽底抽巷開采條件。礦井主采二疊系山西組二1煤層，該煤層為單一近水平煤層，煤層傾角為4°～10°，厚度為4.73～6.77 m，平均厚度為6.16 m。煤層直接頂由灰黑色砂質(zhì)泥巖和灰色泥巖組成，老頂為大占砂巖組成；煤層直接底為灰黑色砂質(zhì)泥巖和灰色泥巖，老底為L9灰?guī)r。14040工作面下順槽底抽巷掘進層位主要位于二1煤層底板與L9灰?guī)r附近，結構較簡單，為穩(wěn)定層位。14040工作面底抽巷綜合柱狀如圖1所示。

圖1 14040工作面下順槽底抽巷綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of bottom drainage roadway in 14040 working face

14040工作面下順槽底抽巷位于礦井四盤區(qū)中部，設計頂板標高-673.0～-765.2 m，總工程量2 539.15 m，位于14040工作面下順槽正下方。東北側(cè)為未開采的14040工作面，西南側(cè)為未開采的14050工作面，西北接西軌道大巷，如圖2所示。

圖2 14040工作面下順槽底抽巷位置示意圖Fig.2 Location map of bottom drainage roadway in 14040 working face

2) 14040工作面下順槽底抽巷原支護設計。14040工作面下順槽底抽巷原設計為半圓拱形斷面，支護形式為初噴50 mm+錨網(wǎng)索+U36鋼棚+復噴100 mm+注漿聯(lián)合支護，原支護設計如圖3所示。

圖3 14040工作面下順槽底抽巷原設計支護斷面圖Fig.3 Original design support cross section of bottom drainage roadway in 14040 working face

①一次支護：初噴50 mm+錨網(wǎng)索。 錨桿規(guī)格：Φ20 mm×3 200 mm，間排距：800 mm×800 mm，錨固長度≥1 000 mm，錨桿設計錨固力100 kN；錨索規(guī)格：Φ21.6 mm×6 250 mm，間排距：1 600 mm×1 600 mm，錨固長度≥2 000 mm，錨索預緊力不低于350 kN。

②二次支護：U36鋼棚+復噴100 mm+注漿。U36鋼棚為單棚，U鋼棚間距為中對中600 mm，架棚結束后進行復噴，噴砼厚度100 mm，強度為C25。采用深淺孔交替注漿方式(一排深孔，一排淺孔)，對巷道全斷面進行注漿，深孔孔深為4 000 mm，淺孔孔深度為2 500 mm，注漿管規(guī)格：Φ25 mm×2 000 mm，注漿孔間排距為1 600 mm×1 600 mm，巷道注漿終壓≥3 MPa，注漿水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，漿液配合比為水∶水泥=1∶0.6～0.8。

3) 原支護效果。現(xiàn)場礦壓觀測數(shù)據(jù)顯示，原支護方案下巷道掘成后一周內(nèi)，變形速率均值可達12～15 mm/d，峰值可達112 mm/d，觀測得到的頂?shù)装逡平窟_1.1～1.9 m，兩幫收斂量達0.8～1.5 m。通過對觀測數(shù)據(jù)的分析研究，發(fā)現(xiàn)巷道掘成后需經(jīng)歷32～56 d才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖條件較差時變形周期甚至長達半年。

2 巷道圍巖變形原因分析及控制技術

2.1 巷道變形原因分析

受巷道開挖后重新調(diào)整的應力作用，巷道圍巖沿徑向由內(nèi)而外形成破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，巷道支護后，在支護體和圍巖自身承載的作用下巷道圍巖可大致形成內(nèi)外兩個承載結構，如圖4所示，外承載結構即應力峰值區(qū)附近彈塑性煤巖體，包括小部分塑性區(qū)和彈性區(qū)的圍巖；內(nèi)承載結構即巷道淺部以錨固體、注漿體及支架等為主的支護結構，包括破碎區(qū)和大部分塑性區(qū)的圍巖。

圖4 深部軟巖巷道承載結構示意Fig.4 Bearing structure of deep soft rock roadway

根據(jù)彈塑性區(qū)應力連續(xù)方程可得到巷道塑性區(qū)及破碎區(qū)半徑見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Rs為破碎區(qū)半徑；R0為巷道半徑；Rp為塑性區(qū)半徑；σRp為彈塑性區(qū)交界面處的應力；C為巖體內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角；Q為巖體強度軟化模量；η為塑性軟化區(qū)圍巖擴容梯度。

14040工作面下順槽底抽巷開挖后，軟弱圍巖初始應力平衡狀態(tài)發(fā)生改變，使圍巖應力由三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚴芰Α?4040工作面下順槽底抽巷巷道底板和幫部圍巖為泥巖和砂質(zhì)泥巖，內(nèi)部天然發(fā)育節(jié)理裂隙，巖體承載能力差，且遇水易泥化膨脹；同時巷道平均埋深700 m，圍巖所承受的原巖應力水平較高。深部高應力環(huán)境條件下，圍巖發(fā)生塑性變形，宏觀表現(xiàn)為巷道幫鼓、底鼓。由于巷幫承載能力差，無法承受上覆巖層重力載荷，巷幫被壓縮后頂板發(fā)生下沉變形。結合巷道現(xiàn)場情況對式(1)和式(2)分析可知，原支護圍巖控制效果不佳的根本原因是泥巖受擾動易破壞，同時對塑性破壞區(qū)的支護強度不夠，巷道注漿管注漿深度存在限制，未能完全對塑性破壞區(qū)進行注漿改性，使得圍巖形成承載結構，提升巷道圍巖承載性能。

2.2 深井軟巖巷道變形控制機理

設外承載結構承擔著巷道圍巖一半的應力增大載荷，同時以塑性區(qū)切向應力為1.1倍原巖應力處為外承載結構內(nèi)半徑，因此外承載結構內(nèi)、外半徑計算見式(3)。

(3)

通過對式(3)分析可知，當巷道圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角較大時，即巖層強度較高時，巷道圍巖塑性區(qū)較小，淺部圍巖起主要承載作用，巷道容易維護。隨著巷道圍巖破碎區(qū)及塑性區(qū)發(fā)育，外承載結構遠離巷道，巷道難以維護。因此深井軟巖巷道變形控制的思路為提高巷道淺部圍巖的承載能力、控制外承載結構位置，通過增大內(nèi)承載結構支護強度、圍巖內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角以及減小擾動影響程度，能夠使外承載結構靠近巷道、外承載結構厚度減小，提高巷道淺部圍巖的承載能力。

2.3 強力一次性支護技術

基于上述分析，提出采用強力一次性支護技術控制巷道圍巖變形。同原支護方案相比，強力一次性支護技術取消了架棚支護，將半圓拱形斷面優(yōu)化為矩形斷面、錨桿支護優(yōu)化為全錨索支護、增加注漿錨索支護等。14040工作面下順槽底抽巷優(yōu)化后支護形式為初噴50 mm+錨網(wǎng)索+復噴100 mm+補強錨網(wǎng)索支護+注漿聯(lián)合支護。

1) 支護參數(shù)。一次支護形式為初噴50 mm+錨網(wǎng)索。 頂板錨索規(guī)格：Φ21.6 mm×3 250 mm，間排距800 mm×800 mm。 幫部錨索規(guī)格：Φ21.6 mm×3 250 mm，間排距800 mm×800 mm。

二次補強支護形式為復噴100 mm+頂?shù)装遄{錨索。頂板注漿錨索規(guī)格：Φ22 mm×6 250 mm，間排距1 600 mm×1 600 mm；底板注漿錨索規(guī)格：Φ22 mm×6 250 mm，間排距1 300 mm×1 600 mm。

2) 錨索預緊力要求。Φ21.6 mm錨索預緊力不低于350 kN；Φ22 mm注漿錨索初次預緊力100 kN，注漿后二次緊固預緊力不小于350 kN。

3) 注漿參數(shù)。巷道注漿為全斷面注漿，頂板和底板注漿均采用注漿錨索進行注漿，幫部注漿采用金屬焊管進行注漿。

頂板注漿錨索要求初次預緊后進行注漿，待漿液凝固后(凝固期3 d)，對注漿錨索進行二次緊固；底板注漿錨索直接注漿錨固，不再進行初次預緊。

幫部注漿方式為深淺孔交替注漿(一排深孔，一排淺孔)，深孔孔深為4 000 mm，淺孔孔深為2 500 mm，注漿管規(guī)格：Φ25 mm×2 000 mm，注漿孔間排距為1 600 mm×1 600 mm，巷道注漿終壓不小于3 MPa，注漿水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，漿液配合比為水∶水泥=1∶0.6～1∶0.8。14040工作面下順槽底抽巷優(yōu)化后支護斷面圖如圖5所示。

圖5 14040工作面下順槽底抽巷強力一次性支護斷面圖Fig.5 Strong one-time support cross section of bottom drainage roadway in 14040 working face

2.4 強力一次性支護圍巖控制效果

基于14040工作面下順槽底抽巷地質(zhì)條件，建立了FLAC3D數(shù)值模型模擬強力一次性支護方案下巷道圍巖變形控制效果。 模型長105.8 m，寬50 m，高85.8 m，共有65 100單元體，模型計算采用摩爾-庫侖準則，14040工作面底抽巷數(shù)值計算模型圖如圖6所示。

圖6 14040工作面底抽巷數(shù)值計算模型圖Fig.6 Numerical simulation model of bottom drainage roadway in 14040 working face

巷道塑性區(qū)分布及圍巖變形情況如圖7所示。由圖7可知，采取強力一次性支護方案后，頂板及底板塑性破壞深度為2.5 m，兩幫塑性破壞深度為1.1 m；頂板下沉量為226 mm，底鼓量為187 mm，兩幫變形量為268 mm。數(shù)值模擬結果顯示巷道整體變形量較小，可進一步開展現(xiàn)場試驗驗證強力一次性支護方案的圍巖控制效果。

圖7 強力一次性支護圍巖變形控制效果數(shù)值模擬Fig.7 Numerical simulation of surrounding rock deformation control effect of strong one-time support

3 現(xiàn)場應用情況

3.1 巷道變形情況

為驗證強力一次性支護技術圍巖控制效果，在14040工作面下順槽底抽巷安設表面位移測站，采用“十”字觀測法測定巷道頂?shù)装濉蓭鸵平浚蜻M期間巷道圍巖相對變形量隨時間的變化情況見圖8。由圖8可知，在采用強力一次性支護技術后，巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平侩S時間均呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。在巷道掘成初期階段(一周左右)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰谱兓黠@；隨著掘進工作面不斷前進(一周后)，其巷道圍巖變形速率開始降低至趨于穩(wěn)定。在巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定后，監(jiān)測到的巷道頂板下沉量110 mm，底鼓量200 mm，兩幫收縮量190 mm，符合設計要求，能夠滿足掘進和打鉆平行作業(yè)需要。綜上所述，在采用強力一次性支護技術支護后，支護系統(tǒng)能有效控制軟弱圍巖巷道變形，保障巷道服務期間的正常使用。

圖8 巷道變形量曲線Fig.8 Deformation curve of roadway

3.2 技術經(jīng)濟效益

與以往架棚支護相比，強力一次性支護材料成本低，支護材料成本明顯減少。14040工作面下順槽底抽巷每米支護成本為12 300元，架棚支護每米支護成本為17 500元，每米巷道節(jié)約支護材料成本5 200元，預計巷道節(jié)約1 090余萬元。原架棚支護與強力一次支護材料成本計算表見表2。

表2 巷道支護材料成本Table 2 Cost of roadway support materials

14040工作面下順槽底抽巷采用EBZ318(H)型綜掘機施工配合強力一次性支護技術后，單進水平顯著提升，與前期施工相比，單進水平提高2倍。

表1 數(shù)值模擬計算巖體力學參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters for the numerical simulation

圖9 14040工作面下順槽底抽巷支護效果圖Fig.9 Support effect of bottom drainage roadway in 14040 working face

4 結 論

1) 針對14040工作面下順槽底抽巷原支護變形顯著問題展開分析，得出原支護失效的原因是深井巷道圍巖承受的應力水平較高，受掘進擾動疊加作用泥巖發(fā)生變形破壞，而原支護系統(tǒng)支護強度不足，圍巖難以形成整體承載結構。

2) 深井軟巖巷道變形控制的思路為提高巷道淺部圍巖的承載能力、控制外承載結構位置，通過增大內(nèi)承載結構支護強度、圍巖內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角以及減小擾動影響程度，能夠使外承載結構靠近巷道、外承載結構厚度減小，提高巷道淺部圍巖的承載能力。

3) 現(xiàn)場觀測結果顯示巷道變形穩(wěn)定周期為12 d，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定后，巷道頂板下沉量為110 mm，底鼓量為200 mm，兩幫收縮量為190 mm，巷道變形量在可控范圍內(nèi)，能夠滿足行人運料要求。

4) 14040工作面下順槽底抽巷強力一次性支護技術實施以來，提高了巷道支護強度，有效控制了巷道變形，降低了支護成本，提高了礦井巷道掘進單進水平，表明通過采用強力一次性支護技術，能有效控制深部軟巖巷道變形，保障巷道服務期間的正常使用。