湖西礦井深部復雜高應力巷道支護及工程實踐★

鄭鐵騎 薛華俊 曾奕杰 劉 康 孔 杰

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083;2.華能煤業集團，北京 100000)

0 引言

改革開放以來，隨著國家經濟的不斷發展，煤炭在我國能源消耗體系中占有的主導地位一直沒有發生改變，對煤炭資源的需求量也在不斷的增加，淺部煤炭資源已慢慢走向枯竭，許多礦井已經著眼于深部開采。伴隨著開采深度的增加和煤炭賦存條件的復雜、多變，以及煤炭開采條件的不可選擇性，開采環境呈“三高一擾動”趨勢，即高地應力、高地溫、高滲透壓、強烈開采擾動，多數礦井在生產和建設過程中都面臨著不同程度、不同數量的深部復雜高應力巷道開掘和維護問題，這都導致深部復雜條件下的巷道支護和控制圍巖變形的難度越來越大，特別是對于那些服務年限較長的準備巷道和開拓巷道，需解決一系列深井巷道的施工、維護問題，比如巷道自穩時間短、變形大、難維護、返修率高等。加之多數深埋巷道斷面較大，巷道變形破壞的影響因素復雜，在支護設計過程中，需認真考慮多方影響因素的嚴重程度和作用機理。湖西礦深井巷道通過實驗室FLAC3D數值模擬，對巷道支護方式進行了分析和實踐，并在現場應用中取得了很好的效果，為其他深埋巷道支護積累了豐富的經驗［1-6］。

1 工程概況

山東省岱莊生建煤礦湖西礦井地面位于昭陽湖區王莊附近，目前積水深度1.5 m左右，礦井周圍蘆葦叢生，局部為魚塘，地面無其他建筑(構)物。湖西礦一采區31102上順槽巷道，地面標高+32.9 m 左右，巷道埋深 －750 m ～ －820 m，凈寬 4.5 m，凈高4.0 m。31102上順槽巷道井下位于膠帶大巷西北側，從31102回風巷1號導線點前52 m開門，第一段以45°48'32″方位角施工930 m;遇到DF3斷層后，以315°48'32″方位角施工第二段，長度約60 m;然后以45°48'32″方位角施工第三段，長度約190 m。東南方向隔膠帶、軌道大巷保護煤柱為正在回采的31101工作面，其他側為未采區。巷道所處3上煤層屬于下二疊統山西組的煤層，最大厚度7.00 m，平均煤厚3.66 m。3上煤層直接頂以粉砂巖、泥巖為主，厚0.52 m～10.50 m;老頂中粒砂巖、細粒砂巖次之，厚3.70 m ～16.50 m，含少量泥巖、粉砂巖偽頂，厚 0.20 m ～0.50 m，為中等穩定巖性頂板。直接底以粉砂巖為主，厚0.66 m～11.14 m，細粒砂巖、泥巖次之，厚0.75 m～24.00 m，含少量炭質泥巖、粘土巖、泥巖偽底，厚0.10 m～0.50 m，為中等堅固底板。

2 支護方案優化設計

由于湖西礦31102上順槽巷道埋深達－800 m，地壓現象明顯，隨著巷道的掘進，原巖應力重新分布，巷道圍巖內出現嚴重的應力集中現象，巷道周邊集中應力遠遠超過巷道圍巖自身強度，如果不采取合理的支護方式，將導致巷道產生各種形式的破壞，稍有不慎，將造成重大人員傷亡和財產損失，故分析湖西礦深部圍巖變形破壞規律，提出合理的支護方式，降低巷道圍巖變形量，采用優化支護參數，有效控制巷道圍巖變形量及底臌量非常重要［7，8］。

2.1 支護材料選擇

31102上順槽巷道支護要求選用具有高強度、高剛度的支護材料，阻止直接頂塑性變形與老頂離層，避免發生破壞。巷道支護采用20MnSi螺紋鋼+錨尾強化而制成的全螺紋等強錨桿，直徑22 mm，長度2 200 mm，桿體屈服強度(141.5)不小于100 kN，桿體抗拉強度(215.8)不小于160 kN，桿體延伸率不小于15%。錨索直徑19.8 mm，屈服力為350 kN～463.9 kN，破斷力為480 kN～500 kN，延伸率不小于4.5%。金屬網采用菱形金屬網。錨桿(索)錨固采用樹脂藥卷，巷道頂部錨桿(索)錨固采用K2350型錨固劑，幫部錨固采用K2850型錨固劑。錨桿(索)金屬托盤采用屈服強度大于235 MPa的鋼材或球墨鑄鐵制作，W鋼帶托盤采用Q235A以上的鋼材制作。托盤φ≥110 mm，厚度不小于8 mm，球形托盤規格尺寸不小于φ100 mm。W鋼帶托盤外形尺寸與W鋼帶內尺寸相吻合，長度不小于120 mm，托盤孔直徑應比錨桿桿體直徑大1 mm～2 mm。托盤三點支撐抗壓強度不得低于錨桿設計錨固力。選用球墨鑄鐵等脆性材料作托盤時，其極限載荷應為桿體載荷1.5倍以上，并且錨索托盤強度要與錨索強度相匹配。頂板聯合支護必需應用W鋼帶，寬度280 mm，厚度4 mm～6 mm，長度及孔位必需與錨桿間距相適應，并在兩端留100 mm～150 mm的長度。

2.2 支護參數設計

31102上順槽巷道凈寬4.5 m，凈高4.0 m，采用高強錨網索耦合支護技術，設計兩種方案，如圖1，圖2所示。

圖1 方案1支護方式圖（單位：m）

圖2 方案2支護方式圖（單位：m）

支護方案1:頂板錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，兩幫錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。頂板6根錨桿，兩邊錨桿距頂角250 mm;幫錨桿5根，最上部錨桿距頂板300 mm，最下部錨桿距底板500 mm。角錨桿與鉛垂方向的夾角應小于10°，并應用W鋼帶增強頂板支護的整體性。錨索間排距為1 500 mm×2 000 mm，長度為4.5 m～12 m，錨入穩定巖層中的長度不小于1.5 m，錨索呈五花形沿巷中分布。巷道全斷面掛菱形金屬網，網與網壓槎100 mm，每200 mm用10號鐵絲聯接一處。也可以在靠工作面一側的巷道壁掛菱形柔性網，以便于采煤機截割回采。錨固采用樹脂藥卷錨固，錨桿及錨索錨固劑型號頂部為K2350型，幫部為K2850型，錨桿錨固長度為500×2 mm，錨索錨固長度為500×3 mm。

支護方案2:頂板錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，兩幫錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。錨索中間打1根，排距2 000 mm，長度為4.5 m～12 m，錨入穩定巖層中的長度不小于1.5 m。巷道全斷面掛菱形金屬網，網與網壓槎100 mm，每200 mm用10號鐵絲聯接一處。也可以在靠工作面一側的巷道壁掛菱形柔性網，以便于采煤機截割回采。錨固采用樹脂藥卷錨固，錨桿及錨索錨固劑型號頂部為K2350型，幫部為K2850型，錨桿錨固長度為500×2 mm，錨索錨固長度為500×3 mm;也可采用一快兩中錨固劑。

2.3 支護方案選取

通過對上述兩種支護方案進行FLAC3D數值模擬，兩種支護方案的巷道頂底板變形如圖3，圖4所示。

圖3 支護方案1

圖4 支護方案2

經模擬分析，選用支護方案1的巷道變形要小于選用支護方案2產生的巷道變形，故應該優先選取支護方案1，即:

1)巷道沿煤層頂板掘進，支護為錨網索配合鋼帶、鋼筋梯子聯合支護形式。2)頂板錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，兩幫錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。3)錨索間排距為1 500 mm×2 000 mm，長度為4.5 m～12 m，錨入穩定巖層中的長度不小于1.5 m，錨索呈五花形沿巷中分布。4)全斷面掛菱形金屬網，網與網壓槎100 mm，每200 mm用10號鐵絲聯接一處。5)錨固采用樹脂藥卷錨固，錨桿及錨索錨固劑型號頂部為K2350型，幫部為K2850型，錨桿錨固長度為500×2 mm，錨索錨固長度為500×3 mm。

2.4 施工工藝

1)錨索安裝。巷道開挖過程本質上屬于卸荷過程，此時會引起偏應力集中，為了避免頂板大變形離層斷裂，錨桿應在迎頭及時支護阻止大變形，錨索適當變形后安裝，具體時間依據蠕變實驗起始階段的應力—應變關系和卸荷本構關系分析，根據現場圍壓、變形監測數據，確定支護時間及變形量。經計算，錨索滯后錨桿支護的時間為2 d～4 d，具體應結合施工動態監測變形量確定。

2)打錨桿眼。打眼前，首先按照中、腰線嚴格檢查巷道斷面規格，不符合作業規程要求時必須先進行處理;打眼前要先敲幫問頂，仔細檢查頂幫圍巖情況，找掉活矸、危巖，確認安全后方可開始工作，錨桿眼的位置要準確，打眼前嚴格按中線標好眼位，眼位誤差不得超過100 mm，與巷道輪廓線或巖層面夾角不小于75°。錨桿眼深度應與錨桿長度相匹配，打眼時應在釬子上做好標志，嚴格按錨桿長度打眼，眼深1.9 m。打眼時，必須在臨時支護后進行。打眼應由外向里，先頂后幫的順序依次進行。

3)安裝錨桿。安裝前，應將眼孔內的積水、巖粉用壓風吹掃干凈。吹掃時，操作人員應站在孔口一側，眼孔方向不得有人，把2塊樹脂錨固劑送入眼底，把錨桿插入錨桿眼內，使錨桿頂住樹脂錨固劑，外端頭套上螺帽，用帶有專用套筒的風動攪拌器卡住螺帽，開動風動攪拌器，使風動攪拌器帶動桿體旋轉將錨桿旋入樹脂錨固劑內，對錨固劑進行攪拌，攪拌時間為40 s，然后掛網，上盤、螺帽，預緊力矩不小于400 N·m。

2.5 安全措施

1)錨桿錨固力檢測。每班對所打錨桿抽樣進行錨固力檢查，試驗后，應及時重新擰緊螺母;如果錨桿失效應及時重新補打。a.檢測前首先檢查拉力計及其附件是否完整、合格，確認安全無誤后方可使用。b.檢測前先敲幫問頂，確定頂板安全時方可進行檢測，檢測時人員撤至拉力器以外約2 m進行操作，并避開錨桿拉出方向，為防止意外事故的發生，所拉錨桿正前方及下方嚴禁站人。c.開始加壓進行錨固力檢測，并注意觀察壓力表讀數，采用分級方式進行檢測，依次為 0 kN，30 kN，60 kN，90 kN，130 kN，達到設計錨固力或油缸行程結束時，打開卸荷閥進行卸荷。

2)全螺紋鋼等強錨桿扭矩檢測。對當班新打錨桿噴漿之前必須進行扭矩檢測，每個螺母擰緊力矩應不小于400 N·m，對預緊力達不到要求的螺母應重新擰緊一遍。

3 礦壓監測及數據分析

3.1 礦壓監測內容

監測內容的選擇必須充分考慮到巷道圍巖的運動狀況，從監測數據直接判斷圍巖是否穩定;由錨桿的工作狀態判斷錨桿支護參數是否合理;便于觀測，易于現場測取。

1)與巷道兩幫圍巖穩定有關的監測指標:巷道表面收斂、圍巖深部位移、錨桿受力。2)與巷道頂板穩定有關的監控內容:頂板下沉量、錨固區內外的離層值、圍巖深部位移，錨桿受力及其分布狀況。

礦壓監測內容如表1所示。

表1 巷道綜合監測內容

本次礦壓觀測安裝表面位移觀測點兩處、頂板離層觀測點兩處、端錨錨桿(錨索)工作荷載觀測點三處、測力錨桿觀測點兩處和再生圍壓觀測點兩處。

3.2 監測數據及分析

通過對現場兩個測站的礦壓觀測數據分析比較，這里選取最能直接體現支護效果的巷道表面位移監測數據進行分析。圖5為巷道表面位移變化曲線示意圖。

通過圖5可以看出，巷道頂板下沉量小于0.3 m，巷道底板底臌量不大于0.15 m，巷道兩幫移近量不超過0.24 m，說明支護方案1能有效控制31102上順槽巷道圍巖變形。

4 經濟效益分析

湖西煤礦31102上順槽巷道通過采用優化的支護方案，在巷道掘進過程中，所有工作都正常開展，巷道圍巖變形小，未發生過任何安全事故，實現了巷道安全高效快速掘進，并在工作面回采過程中，二次支護現象減少，為湖西煤礦創造了巨大的經濟效益［9］。

圖5 巷道表面位移變化曲線

5 結語

1)通過FLAC3D數值模擬和現場礦壓觀測數據分析，湖西煤礦31102上順槽巷道雖處于深部復雜高應力環境中，但通過采用優化的支護方案1，巷道圍巖變形量都比較小，大大減小了巷道二次支護的成本和時間。

2)隨著煤炭資源開采深度的不斷增加，煤炭開采環境也隨之不斷惡化，給煤礦巷道支護及穩定性帶來了很大的難度。因此，研究深部復雜高應力條件下的巷道支護方式是保證礦井采掘深部煤炭資源的關鍵，湖西煤礦31102上順槽巷道通過采用優化的巷道支護方案，產生了明顯經濟效益，對其他同類大斷面深部復雜高應力條件下的巷道施工具有很好的借鑒意義。

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