大埋深、高應力回采巷道支護技術(shù)

任依樸REN Yi-pu；劉要毫LIU Yao-hao；李強LI Qiang

（中平能化集團八礦，平頂山 467000）

（China Pingmei Shenma Energy Chemical Group No.8 Mine，Pingdingshan 467000，China）

0 引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國對能源的需求量不斷增大，目前煤炭作為一種主要能源，為了滿足社會需求，需要加大開采力煤炭的力度。目前，南非在采礦深度方面居世界首位，開采礦山的深度都在1500m 左右，最大深度超過4000m，根據(jù)設計要求最大深度將達5100m。在我國，礦區(qū)的開采通常情況下也經(jīng)歷著由淺到深過程，礦井開采深度逐年增加，平頂山礦區(qū)正在開采中的礦井，超過800m 的現(xiàn)在有4 處。

在開采煤礦的過程中，隨著開采深度的不增加，將會伴隨著嚴重的沖擊地壓、瓦斯等災害的發(fā)生。并且，隨著礦井開采向著縱深方向延伸，進而使得巷道斷面不斷增大，原巖應力與構(gòu)造應力在一定程度上逐漸增強。對于具備硬巖變形破壞特征的工程巖體來說，隨著開采深度的增加，進一步化為高應力軟巖，使得巖體表現(xiàn)出高地壓現(xiàn)象。隨著礦井開采深度逐漸增加，巷道地質(zhì)條件逐漸復雜，無論是圍巖應力分布，還是礦壓都會出現(xiàn)異常現(xiàn)象，在巷道掘進過程中，導致圍巖急劇變形，同時在應力分布趨于穩(wěn)定后依然保持流變，引發(fā)兩幫移近和底鼓現(xiàn)象。

1 巷道概況

對于八礦己15-14140 機巷工作面來說，該工作面位于己四下延采區(qū)西翼最下部，東起采區(qū)上山，西至十二礦北山風井己組保護煤柱邊界，南鄰正在回采的己15－14120 采面，北部尚未開發(fā)。支護斷面為斜梯形斷面（4.6m×3.0m），設計長度為1383m 現(xiàn)已施工110m。該工作面埋深在800m 左右，工作面瓦斯壓力1.8MPa，瓦斯含量22.0m3/t，按照高突危險工作面進行裝備和管理。根據(jù)鉆孔資料，同時對揭露己15 煤層進行分析，該工作面的煤層厚度3.4～3.85m，平均3.6m，在構(gòu)造區(qū)域存在變薄的情況。煤層傾角17～28°，平均為22°，同時呈現(xiàn)出西緩東陡的態(tài)勢。根據(jù)現(xiàn)有揭露資料分析，預計巷道在施工至里程200m-300m 區(qū)段煤層頂板傾角將有所變大（巷道起坡）。預計在正常掘進過程中不會遇到大的地質(zhì)構(gòu)造影響掘進。采面水文地質(zhì)條件簡單，煤層頂板中粗粒砂巖含水層裂隙發(fā)育，賦水程度中等。預計該面正常涌水量2～3m3/h，最大5m3/h。

2 主動與被動聯(lián)合支護技術(shù)

根據(jù)巷道頂?shù)装鍘r層的不同屬性，依據(jù)已施工巷道的地壓規(guī)律分析入手，使支護體系和施工工藝過程與圍巖變形的活動狀態(tài)彼此相互適用，進而對圍巖變形進行控制，確保巷道的穩(wěn)定性。巷道開挖圍巖暴露后，立即進行第一次支護，采用錨桿索梁掛網(wǎng)的方式對幫頂進行直接封閉，盡可能減少圍巖強度損失，防止出現(xiàn)有害的松散狀態(tài)，待施工過一段時間后再套棚支護。

2.1 錨網(wǎng)索梁聯(lián)合主動支護技術(shù) 對圍巖進行主動加固這是錨桿支護的主要作用。安裝完畢錨桿后，即可為圍巖提供相應的支護阻力，隨著圍巖的變形，其支護阻力不斷增加。

荷載體在圍巖自承能力錨桿支護錨固系統(tǒng)的作用下，將會轉(zhuǎn)變?yōu)槌休d體，在錨桿的作用下，向圍巖提供軸向和橫向的支護阻力，在這種情況下，托盤、梯子梁、金屬網(wǎng)、錨固劑等將會共同作用，從而改善巷道的維護狀況，減少巷道變形量；通過錨索調(diào)動深部穩(wěn)定巖體的自稱能力，形成支護系統(tǒng)的統(tǒng)一體。

2.1.1 錨桿選項計算

①按懸吊理論計算

1）錨桿長度L：

式中：

L1、L2、L3分別代表錨桿外露長度、軟弱巖層厚度（該厚度根據(jù)柱狀圖確定，單位mm）、錨桿伸入穩(wěn)定巖層深度（該厚度通常超過300mm）。

2）錨固力N：根據(jù)錨桿桿體的屈服載荷對錨固力N 進行計算：

式中：

σ屈、d 分別代表桿體材料的屈服極限（單位MPa）、桿體直徑。

3）錨桿間排距：D≤1/2L=0.5×1.85=0.925

錨桿排距L0=Nn/2kraL2=8×105×103/2×3×24×103×1.8×1.5=2.16m

式中：

N、k、r、a 分別代表每排錨桿根數(shù)、安全系數(shù)（取2-3）、上覆巖層平均容重（取24kN/m3）、1/2 巷道掘進寬度（單位m）。

②根據(jù)組合梁原理計算

1）錨桿長度

L：L=L1+L2+L3=0.05+1.583+0.5=2.13m

式中：

L1、L3、L2分代表錨桿外露長度、錨固端長度、組合梁自撐厚度，其單位m。

K1、P、ψ 分別代表與施工方法有關(guān)的安全系數(shù)（掘進機掘進2-3、爆破法掘進3-5、巷道受動壓影響5-6）、組合梁自重均布載荷（單位MPa）、與組合梁層數(shù)有關(guān)的系數(shù)。

組合層數(shù)：1 2 3 ≥4

ψ 值：1.0 0.75 0.7 0.65

B、σ1、σx分別代表巷道跨度（單位m）、最上一層巖層抗拉計算強度（通常情況下為試驗強度的0.3-0.4 倍，單位MPa，實驗強度為46kg/cm2）、原巖水平應力（σx=λrzMPa，其中：λ 為側(cè)壓力系數(shù)，一般為0.25-0.4，=0.4×24×805=0.007728MPa，z—巷道埋深m）。

2）錨桿間距：以上所選錨桿長度，還需驗算組合梁各層間不發(fā)生相對滑動，并保證最下面一層巖層的穩(wěn)定性。

式中：

m1、K、P、r1分別代表最下面一層巖層的厚度（單位m）、安全系數(shù)（取8-10）、本層自重均布荷載（P=r1m1，單位MPa）、最下面一層巖層的容重（單位kN/m3）。

③錨桿的錨固長度按下式計算：

式中：L——樹脂卷長度，mm；L0——錨固長度，mm；R——鉆孔半徑，26mm；R1——樹脂卷半徑，17.5mm；R2——錨桿半徑，10mm。

2.1.2 錨索選型計算

①錨固長度La

La≥fst/πfcsd1=（1870/3.14×10MPa）×17.8mm=1060mm

式中：d1、fst、fcs分別代表錨索鋼絞線之徑（單位mm）、鋼絞線抗拉強度（單位MPa）、錨索與錨固劑的設計粘接強度（通常按10MPa 計算）。

②錨索間排距

L/S≥2 即S≤L/2=6000/2=3000mm

式中：L、S 分別代表錨索孔深度、錨索間距。

③錨索錨固力P

P1≥P≥P1/K 或P2/K P≥P1/K=400/2=200kN

式中：P、P1、P2、K 分別代表設計錨索錨固力200kN、錨固段錨固劑與孔壁的粘結(jié)力（單位kN）、錨固段錨固劑與鋼絞線的粘結(jié)力400kN、安全系數(shù)（取2）。

2.1.3 支護參數(shù)選取

綜以上計算分析，根據(jù)工程類比法進一步確定控制技術(shù)方案。采用錨網(wǎng)梁索對頂板進行支護，采用Φ20×2200mm 左旋高強預應力錨桿，Φ4mm 冷撥絲金屬網(wǎng)，網(wǎng)格規(guī)格為40mm×40mm，采用Φ20×2000 等強錨桿對兩幫進行處理。

2.2 36u 拱縮型棚子被動支護

巷道開挖采用錨網(wǎng)索梁主動支護后，圍巖原有應力達到新的平衡狀態(tài)，在短時間內(nèi)巷道幫頂是穩(wěn)定的，但隨著時間的推移及幫頂后期來壓仍會出現(xiàn)一系列的問題（頂板下沉、底板鼓起、兩幫位移等）。此時再采用36u 拱縮棚的支撐力及圍巖自身的支撐力來抗衡圍巖壓力，以達到新的應力平衡狀態(tài)，在強度和剛度方面，為巷道圍巖提供最終的支護，確保巷道的穩(wěn)定性和安全性。

3 支護效果分析

為了有效減小回采巷道變形量和減緩變形速率，通常情況下，采用錨網(wǎng)索＋鋼筋梯梁＋錨索＋36u 拱縮棚聯(lián)合的方式進行支護，經(jīng)連續(xù)觀測，巷道兩幫移近量均小于300mm，顯著降低巷道底鼓量，工作面正常回采得到有效保證。

4 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)目前材料價格，在支護方面，該支護方式與原金屬拱形棚子進行對比：在確保進度相同的前提下，與原有支護方式相比，材料投入平均多投入118.5 元/m，但是，對于該支護方式來說，實現(xiàn)了一次支護，總資金節(jié)約118.74萬元。在一定程度上減少了巷道后期維護量、以及人員的投入，同時降低了工人的勞動強度。

5 結(jié)論

八礦己15-14140 機巷工作面擁有全國深部巷道開采的共性問題，通過對支護形式、支護材料的改進，使大埋深巷道的支護強度得到增加，效果較為顯著。但大埋深巷道地質(zhì)條件極為復雜，仍有很多棘手問題等待解決。

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