深部高應(yīng)力軟巖條件下底抽巷支護(hù)技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

孟馮超

（河南能源化工集團(tuán)有限公司河南焦煤能源有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454150）

隨著焦作礦區(qū)各礦井開采深度逐步加深，深部高應(yīng)力、軟巖以及強(qiáng)采動(dòng)影響下的底抽巷支護(hù)問題日益突出，原有底抽巷支護(hù)設(shè)計(jì)不能有效控制圍巖變形，巷道變形量大，局部區(qū)域破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重影響瓦斯抽采作業(yè)、施工進(jìn)度及礦井整體的采掘接替進(jìn)度，后期巷道返修和維護(hù)工作量大。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)底抽巷支護(hù)技術(shù)研究經(jīng)驗(yàn)[1-8]，以焦作礦區(qū)九里山礦深部地區(qū)底抽巷為研究對(duì)象，綜合采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬和井下試驗(yàn)等多種方法，對(duì)深入高應(yīng)力軟巖條件下底抽巷支護(hù)技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1 工程概況

九里山礦為焦作礦區(qū)本部主要生產(chǎn)礦井，礦井開采二1 煤層，為煤與瓦斯突出礦井，近年來隨著礦井開采深度逐步加深，深部底抽巷圍巖控制及支護(hù)問題日益突出。該礦16071 底抽巷位于16 采區(qū)東翼中部，巷道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)850 m，外段0～630 m 掘進(jìn)后因生產(chǎn)地區(qū)調(diào)整密閉暫停掘進(jìn)，一年后開啟密閉恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)巷道變形破壞明顯，局部區(qū)段變形失修嚴(yán)重甚至出現(xiàn)頂板小范圍冒落，對(duì)外段進(jìn)行近3 個(gè)月的修理維護(hù)后方才恢復(fù)掘進(jìn)。

該巷外段0～630 m 凈寬B=4000 mm，h=1400 mm，凈高H=3400 mm，采用綜掘方式掘進(jìn)。原支護(hù)采用錨網(wǎng)支護(hù)，巷道頂部采用錨桿為Φ20 mm×2400 mm 高強(qiáng)樹脂錨桿，兩幫采用錨桿為Φ18 mm×1800 mm 螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，2.4 m 錨桿扭矩不小于150 N·m，1.8 m 等強(qiáng)錨桿扭矩不小于120 N·m。

2 巷道變形破壞原因分析

對(duì)九里山礦以及焦作礦區(qū)其他煤與瓦斯突出礦井底抽巷調(diào)研，發(fā)現(xiàn)各礦井深部地區(qū)底抽巷變形失修情況較為普遍，自掘進(jìn)后直至上部工作面回采結(jié)束，巷道需要進(jìn)行多次的返修維護(hù)。底抽巷圍巖失穩(wěn)變形破壞主要有兩個(gè)階段，一是掘進(jìn)后巷道圍巖失穩(wěn)變形破壞階段；二是工作面采動(dòng)對(duì)底抽巷圍巖變形破壞影響階段。

（1）深部地應(yīng)力大、圍巖強(qiáng)度低且易風(fēng)化破碎。隨著礦井開采深度的增加，地應(yīng)力逐步增高，圍巖強(qiáng)度降低且易風(fēng)化破碎，巷道圍巖裂隙破碎區(qū)增大，尤其是綜掘未噴漿僅錨網(wǎng)支護(hù)巷道風(fēng)化破碎情況更為嚴(yán)重。

（2）巷道整體支護(hù)強(qiáng)度低。巷道整體支護(hù)強(qiáng)度不夠，甚至錨固范圍小于圍巖破碎松動(dòng)范圍，導(dǎo)致深部高應(yīng)力條件下支護(hù)體不能有效控制圍巖的變形，造成巷道逐步失穩(wěn)變形。

（3）工作面采動(dòng)影響。當(dāng)?shù)壮橄锞嚯x上部工作面較近時(shí)，工作面回采將對(duì)底抽巷造成明顯的采動(dòng)影響，直至工作面推進(jìn)過后逐步恢復(fù)穩(wěn)定。

3 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究

底抽巷原有錨網(wǎng)支護(hù)方式支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)設(shè)計(jì)不合理是導(dǎo)致深部地區(qū)底抽巷圍巖逐步失穩(wěn)變形破壞的一個(gè)重要原因。因此，通過研究相關(guān)錨網(wǎng)索支護(hù)理論，針對(duì)原有底抽巷支護(hù)存在的問題，提出了深部底抽巷“高預(yù)緊力錨網(wǎng)索噴+注漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。（1）頂板及幫部均使用高強(qiáng)錨桿；（2）幫部打短錨索加強(qiáng)支護(hù)；（3）頂板及時(shí)打設(shè)點(diǎn)錨索加強(qiáng)支護(hù)；（4）增加錨桿、錨索預(yù)緊力；（5）綜掘巷道噴漿封閉巷道；（6）噴漿后進(jìn)行壁后注漿加固；（7）采用高強(qiáng)錨桿錨索托盤墊板。

為驗(yàn)證對(duì)比高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的效果，以九里山礦地質(zhì)和工程技術(shù)條件為背景，分別對(duì)底抽巷在無支護(hù)、原支護(hù)以及優(yōu)化支護(hù)三種方案下的破壞變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究。如圖1～圖3。

圖1 無支護(hù)圍巖塑性破壞區(qū)域

圖2 原支護(hù)圍巖塑性破壞區(qū)域

圖3 聯(lián)合支護(hù)方案圍巖塑性破壞區(qū)域

通過數(shù)值模擬結(jié)果表明：巷道掘出后無支護(hù)狀態(tài)下圍巖塑性破壞范圍最大，總體呈“蝶形”分布，以剪切破壞為主，破壞最深位置位于頂板兩肩角處，破壞深度達(dá)到4～5 m，兩底角處破壞深度達(dá)到2～3 m，巷道幫部破壞深度為1～2 m；巷道掘進(jìn)后按原支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)，圍巖塑性破壞范圍較無支護(hù)時(shí)大幅度減小，破壞最深處仍位于巷道肩角和底角，破壞深度達(dá)2～3 m；高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案巷道只有在肩角和底板存在塑性破壞，且破壞深度不足1 m。由此表明高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)方案能夠有效降低巷道圍巖的塑性破壞，方案具有較高可行性。

4 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案

底抽巷巷道采用直墻半圓拱斷面，斷面規(guī)格為4.4 m（寬）×3.4 m（高），支護(hù)斷面圖如圖4。

圖4 支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖（mm）

錨桿選用Ф20 mm×2400 mm 無縱筋左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，，除底腳錨桿外，其他錨桿間排距為800 mm×800 mm；頂板打設(shè)Φ17.8 mm×6300 mm點(diǎn)錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，間排距1600 mm×1600 mm，一排三根；幫部打設(shè)Φ17.8 mm×4300 mm 短錨索加強(qiáng)支護(hù)，間排距1400 mm×1600 mm，一排4 根（每側(cè)幫部2 根）；錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m，頂板及幫部短錨索預(yù)緊力不小于200 kN。

2.擴(kuò)充了會(huì)計(jì)信息含量及核算范圍。按新的會(huì)計(jì)準(zhǔn)則，在資產(chǎn)與負(fù)債項(xiàng)目中增加了許多科目，全面核算醫(yī)院的各類資產(chǎn)，反映醫(yī)院承擔(dān)的現(xiàn)實(shí)義務(wù)。例如：增加了“研發(fā)支出”科目，專門核算無形資產(chǎn)達(dá)到預(yù)定可使用狀態(tài)前的費(fèi)用，準(zhǔn)確反映自行開發(fā)無形資產(chǎn)的成本；按來源將凈資產(chǎn)分為累計(jì)盈余和專用基金，對(duì)專用基金的管理更加明確與規(guī)范化。與此同時(shí)，新會(huì)計(jì)制度將原來基建會(huì)計(jì)單獨(dú)建賬、核算后再并入財(cái)務(wù)大賬的流程簡(jiǎn)化成統(tǒng)一進(jìn)行會(huì)計(jì)核算取消基建單獨(dú)建賬，大大簡(jiǎn)化了基建的會(huì)計(jì)核算，既節(jié)省了醫(yī)院的人力資源又提高了會(huì)計(jì)信息的完整性。

巖巷采用綜掘方式施工時(shí)，在錨網(wǎng)后噴射一次混凝土封閉巷道，噴射混凝土厚度20～50 mm。

巖巷采用炮掘方式施工時(shí)，按傳統(tǒng)方式進(jìn)行兩次混凝土噴射，錨網(wǎng)前初噴厚度40 mm，錨網(wǎng)后復(fù)噴厚度20～50 mm。

壁后注漿加固：采用注漿管進(jìn)行注漿加固，注漿管為直徑25.4 mm 鋼管，注漿管長(zhǎng)度800～2000 mm，注漿孔孔深2400 mm，間距1800～2000 mm，排距2400 mm，每排布置5 個(gè)注漿孔（巷道正中頂板一個(gè)，兩側(cè)肩窩及兩側(cè)底角各一個(gè)）。注漿使用P.O32.5R 普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比為1:0.7～1.0，注漿壓力不小于3.0 MPa。注漿斷面圖如圖5。

圖5 注漿斷面圖（mm）

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為檢驗(yàn)高預(yù)應(yīng)力+注漿加固聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的實(shí)際效果，在九里山礦16071 底抽巷里段220 m 巷道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，與外段原支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

在16071 底抽巷試驗(yàn)段共建立5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于通尺650 m、680 m、710 m、750 m、810 m。其中通尺650 m、680 m 測(cè)點(diǎn)為低預(yù)緊力錨網(wǎng)索+噴漿+注漿段；通尺710 m 為高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索+噴漿+注漿段，通尺750 m、810 m 為高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索+幫錨索+噴漿+注漿段。

通過圖6、圖7 的觀測(cè)數(shù)據(jù)及曲線圖可以得出：

圖6 幫部變形與掘進(jìn)時(shí)間對(duì)比曲線

圖7 幫部日均變形速率與掘進(jìn)時(shí)間對(duì)比曲線

（1）6 個(gè)月后，1#～5#測(cè)點(diǎn)巷道變形量及變形速率均已基本穩(wěn)定。1#（650 m）、2#（680 m）測(cè)點(diǎn)每半個(gè)月幫部變形量在2～3 mm，日均變形速率0.13～0.2 mm/d；3#（710 m）、4#（750 m）、5#（810 m）測(cè)點(diǎn)每半個(gè)月幫部變形量極小（0～1 mm），日均變形速率0～0.07 mm/d。

（2）1#、2#測(cè)點(diǎn)采用錨網(wǎng)索（低預(yù)緊力）+噴漿+注漿支護(hù)方式，巷道掘進(jìn)180 d 后幫部累計(jì)變形量在62～72 mm，頂板累計(jì)下沉量在18～20 mm，變形量明顯大于采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)方式的3#、4#、5#測(cè)點(diǎn)，由此說明高預(yù)應(yīng)力支護(hù)可以有效提高巷道主動(dòng)錨網(wǎng)支護(hù)的強(qiáng)度，減小巷道變形量。

（3）采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)的3#～5#測(cè)點(diǎn)，4#（750 m）、5#（810 m）測(cè)點(diǎn)打設(shè)幫部短錨索，巷道掘進(jìn)180 d 后幫部累計(jì)變形量9 mm，明顯小于3#測(cè)點(diǎn)（710 m）未打設(shè)幫錨索段（20 mm）。說明增加幫部短錨索能夠增強(qiáng)巷道幫部支護(hù)效果，配合壁后注漿加固后巷道變形量控制在了極小范圍。

（4）1#、2#測(cè)點(diǎn)采用低預(yù)緊力支護(hù)段巷道掘進(jìn)180 d 后幫部變形量雖然在62～72 mm，但該段在進(jìn)行噴漿及注漿后，巷道變形量相比較16071 外段（0～630 m）未噴漿注漿段明顯變小（外段未噴漿注漿段掘進(jìn)180 d 幫部變形量在250～350 mm，封閉半年后失修變形嚴(yán)重）。說明巷道進(jìn)行壁后注漿加固后，能夠明顯改善巷道圍巖條件，提高圍巖的整體性，注漿加固效果顯著。

通過近9 個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，九里山礦16071 底抽巷采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索+幫錨索+噴漿+注漿方式支護(hù)取得了良好的支護(hù)效果。

6 結(jié)論

（1）焦作礦區(qū)原有底抽巷變形破壞主要原因有3 個(gè)：① 深部地應(yīng)力大、圍巖強(qiáng)度低且易風(fēng)化破碎。② 巷道整體支護(hù)強(qiáng)度低。③ 工作面采動(dòng)影響。

（2）通過研究錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)及圍巖注漿加固技術(shù)，提出了焦作礦區(qū)深部高應(yīng)力軟巖條件下底抽巷圍巖控制的理念，制定了焦作礦區(qū)深部底抽巷高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索噴+注漿加固聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案，有效解決了焦作礦區(qū)深部底抽巷變形破壞嚴(yán)重的問題。

（3）高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索噴+注漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案通過高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)及增加幫部短錨索提高了巷道主動(dòng)錨網(wǎng)支護(hù)的強(qiáng)度，通過噴漿封閉減小了巷道圍巖風(fēng)化破壞，通過壁后注漿加固提高了巷道圍巖的整體性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。