深井高地壓軟巖巷道圍巖壓力轉移支護技術研究

楊永剛，張海燕

(1.安徽省煤炭科學研究院采礦支護技術中心，安徽合肥230001; 2.解放軍電子工程學院基礎部，安徽合肥230037)

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深井高地壓軟巖巷道圍巖壓力轉移支護技術研究

楊永剛1，張海燕2

(1.安徽省煤炭科學研究院采礦支護技術中心，安徽合肥230001; 2.解放軍電子工程學院基礎部，安徽合肥230037)

［摘要］潘三礦－730～－960m暗副斜井埋深大，巷道圍巖破碎軟弱，巷道前掘后修現象突出，嚴重制約了礦井安全生產。在理論分析、數值計算的基礎上提出了圍巖壓力轉移支護技術“三原則”，并研制了錨索組合支護構件——箱型梁。現場應用表明，錨索箱型梁大幅提高了錨索組合梁的強度和剛度，較好地解決了目前各類槽鋼梁及T3鋼帶等存在的強度、剛度過低的問題，圍巖壓力轉移支護技術能較好地控制深井高地壓軟巖巷道的圍巖變形，在類似條件下具有良好的應用價值。

［關鍵詞］深井;軟巖巷道;圍巖壓力;箱型梁;轉移

［引用格式］楊永剛，張海燕.深井高地壓軟巖巷道圍巖壓力轉移支護技術研究［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 56－59.

Supporting Technology of Surrounding Rock Pressure Transformation in Soft-rock Roadway with High Geo-stress in Deep Mine

近年來隨著礦井開采深度的增加，遇到了越來越多復雜地質環境下的地下巖石工程，因而對此類工程的研究對于礦井的可持續發展具有重要的意義。高地應力環境及強烈的時間效應導致深部巖體組織結構、基本行為特征和工程響應均發生根本性改變，使巷道礦壓顯現明顯［1－3］，采用常規支護設計的深部高應力巷道的穩定性越來越難以控制，巷道斷面收縮嚴重，有些巷道需要反復維修，從而造成巷道的維護費用高出掘進費用數倍，嚴重影響礦井安全高效生產。

由于錨索具有錨固深度深、支護強度高、適用性好等優點，錨索與錨桿聯合支護已成為錨桿支護技術的普遍的發展方向和應用形式。錨索在巷道支護中的普遍使用，提高了巷道支護的強度和安全性，擴大了錨桿支護技術的應用范圍。然而，在錨索支護實踐中發現:高地壓巷道的變形和破壞仍然不能得到有效地控制，部分巷道的頂板仍然時有冒落發生，巷道的穩定性和安全性仍然存在較大的不確定性。為了改變上述狀況，尤其是為了提高巷道錨梁網支護的穩定性和安全性，煤礦支護研究單位和現場進行大量研究工作，并采取了相應的技術措施，如加大錨索直徑、加大支護密度、注漿加固等等，促進了巷道錨索支護技術的發展［4－10］。然而，錨索支護巷道中存在的圍巖穩定和安全問題未得到很好解決，這些問題的存在固然有多種原因，比如地層壓力、巷道斷面的增大等。但一個不可忽視的問題就是錨索外錨強度、剛度低，在錨索支護力遠未達到其額定支護力的情況下就會發生屈服或變形破壞，使得錨索支護性能無法有效利用，巷道圍巖壓力無法有效轉移，巷道圍巖變形破壞不能有效控制。因此，研究采用何種支護手段有效收集巷道圍巖表面壓力，并將其轉移至深部，控制深井軟巖巷道的圍巖變形，是過去普通錨梁網支護中未曾遇到過的新問題，具有重要的理論和實踐意義。

1　工程概況

淮南礦業集團潘三煤礦－730～－960m聯絡斜巷上段位于該礦東三采區，巷道設計工程量670m，具體工程地質條件如下:

(1)巷道穿層掘進，圍巖破碎松散巷道以10°下山施工，期間巷道穿過4層煤線，巖性以泥巖、細砂巖或粉細砂巖為主，近水平層理，分層薄，每層僅為100～150mm左右，豎向裂隙極為發育，破碎成碎塊狀，節理間泥質膠結。

(2)巷道埋深大、地壓大巷道掘進標高－730～－820m，屬于典型的深井高地壓巷道。

(3)巷道掘進斷面大巷道掘進寬5500mm，掘進高度4250mm，掘進斷面積20.12m2。

(4)巷道服務時間長巷道為二水平技改延深工程，將要服務整個二水平的開拓與開采，服務時間應在20a以上。

2　支護技術分析

2.1支護對策

(1)巷道圍巖表面壓力收集支護技術在巷道表面通常都存在著大量的無支護空間。對于地壓大、圍巖條件差的巷道，這些無支護空間成為巷道圍巖壓力卸載的寬闊大門。圍巖壓力卸載嚴重，使得錨梁索的高支護強度不能充分得到發揮，嚴重影響錨梁索支護效率，甚至失效。因此，采用合適的支護材料與參數，加大破碎巷道圍巖表面的封閉面積是必要的。

(2)采用強度、剛度更高的錨索組合梁對于此類復雜巷道一般均采用組合錨索支護，圍巖壓力首先作用于錨索組合梁上，如其強度低、剛度低而在錨索支護力遠未達到其額定支護力的情況下發生屈服或變形破壞，就會使得錨索支護性能無法有效利用，巷道圍巖壓力無法有效轉移，巷道圍巖變形破壞不能有效控制。因此，增加錨索支護外錨結構的強度和剛度，不僅可以大大提高錨梁索的支護性能，而且可以有效阻止圍巖壓力的卸載，從而有效控制巷道圍巖的變形與破壞。

(3)提高錨索支護的可靠性為提高錨索支護的可靠性，必須保證錨索的錨固段始終位于巷道圍巖的彈性區內。為此，不僅在安裝錨索時，應該將錨索錨固在圍巖的彈性區內，而且在錨索的支護期限內，或在巷道的服務期間內，也能使錨索的錨固段始終處在巷道圍巖的彈性區內，將巷道圍巖表面壓力轉移至深部。

2.2錨索組合梁的選擇

目前錨索組合梁主要采用熱壓普通槽鋼、T3鋼帶、11號礦用工字鋼等。為計算在集中載荷的情況下梁體最大承載能力，作如下假設:錨索間距1m，錨索鎖具端視為簡支，梁體中部巖體載荷視為集中載荷，示意圖見圖1。

圖1　錨索組合梁受力示意

查相關文獻［11－13］，可得各種熱壓槽鋼、工字鋼、T3鋼帶等的斷面系數、屈服強度等參數。許用彎矩為:

M =[σs]·Wx(1)

能承受的最大集中載荷:

P = 4M/L(2)

根據上式計算可得，應用較為普遍的槽鋼梁(文中以14號b，16號a槽鋼為例)，當集中載荷僅為16kN和26kN時梁體即出現了屈服現象，破壞形式主要有穿孔撕裂、扭曲變形等; T3鋼帶在集中載荷僅為10kN時鋼帶就出現了屈服破壞，破壞形式主要有彎曲變形、沿錨索孔的撕裂等。

為解決上述梁體強度剛度低、彎曲變形嚴重等問題，研制了箱型梁。該箱型梁選用礦用7號π型鋼與鋼板作為基本配件，焊接而成，加工設計圖如圖2所示。礦用7號π型鋼利用電弧煉鋼爐冶煉鋼水澆注27SiMn鋼錠軋制而成，按熱處理規范要求，920℃水淬，450℃水冷回火，熱處理調質硬度HB300～350，屈服強度σs≥835MPa，σb≥980MPa，有相當高的強度和耐磨性。

圖2　箱型梁加工設計示意

綜合考慮焊接、斷面積、斷面系數等因素，確定箱型梁跨距1m時，平均承載能力為150kN，承載能力較14號b槽鋼提高8.3倍，較T3鋼帶提高14.3倍，遠大于目前主要應用的各種型號的槽鋼梁及工字鋼等組合梁，對于提高頂板支護效果，提高錨索外錨強度效果顯著。

2.3數值計算分析

采用UDEC3.1離散元數值計算軟件對－730～－960m聯絡斜巷上段巷道圍巖應力分布及塑性區范圍分區情況進行了計算分析。計算采用平面應變模型假設，即垂直于計算剖面方向的變形為零。模型應用BLOCK命令生成，應用CRACK命令劃分各個巖層，應用JSET命令模擬巖體節理。模型寬高均為50m。模型上表面為應力邊界，根據埋深施加16MPa載荷用來模擬上覆巖體的自重邊界，水平應力參照附近地點地應力測試結果，按垂直應力的1.3倍施加。采用Mohr-Coulomb本構模型，應變模式采用大應變變形模式，模型底部限制垂直移動，模型前后和側面限制水平移動。為監測巷道圍巖應力及位移分布情況，從巷道底板兩幫到頂板10m深度范圍內，每2m設置1條水平監測線。

圖3為巷道中部及頂板各監測線的垂直應力分布曲線。由圖3可見，巷道開挖后，頂板10m深度范圍內發生了應力重新分布，應力值降低。在巷道兩幫4～5m深度內出現了應力峰值24MPa左右，集中應力系數為1.2，5m以遠應力逐漸恢復至原巖應力。結合圖4塑性區分布可見，在無支護情況下巷道頂板6～7m，巷幫4m范圍內均會發生較為明顯的塑性破壞，并且塑性范圍會隨著圍巖壓力的增長、時間的延長向圍巖深部發展，在實際施工中應適當加大錨索錨固深度，確保錨索的錨固段始終處在巷道圍巖的彈性區內。

圖3　巷道頂板垂直應力分布特征

圖4　巷道圍巖塑性區分布

3　試驗巷道支護方案

巷道頂板及兩幫采用錨梁索支護。支護方案見圖5。

圖5　巷道支護設計方案

錨梁索支護體系由4部分組成:

(1)采用6mm鋼筋焊接的鋼筋背板背護圍巖表面，孔徑100mm×100mm。

(2)采用W5型鋼帶配合錨桿進行支護。錨桿規格22mm×2500mm，錨桿間排距900mm× 900mm，安裝扭矩不小于180N·m。W型鋼帶規格為3100mm×280mm×5mm。巷道半圓部分，鋼帶沿巷道周向鋪設;巷道直墻體部分，鋼帶沿巷道縱向鋪設，相鄰鋼帶相互搭茬。

(3)圍巖表面噴漿。錨桿支護施工完成后，對巷道表面噴射混凝土砂漿。砂漿標號C30，噴層厚度50～80mm。

(4)組合式錨索支護。組合錨索由箱形梁與錨索組成，1梁3索。箱型梁長度2200mm，沿巷道縱向布置，與錨桿W鋼帶十字搭接。沿巷道四周共布置7根錨索，間排距1400mm×900mm，鋼絞線規格22mm×8500mm，預緊力120kN。

4　巷道支護效果

為全面分析巷道掘進期間巷道變形規律，在－730～－960m聯絡斜巷上段試驗段與非試驗段分別布置了多個測站對巷道圍巖變形進行觀測。非試驗段內錨桿為單體錨桿;錨索參數為22mm× 6300mm，采用T3鋼帶作為組合梁，其余同試驗段，圖6 (a)為巷道非試驗段巷道圍巖變形情況; 圖6 (b)為巷道試驗段巷道圍巖變形情況。

圖6　巷道圍巖變形觀測結果

在非試驗段內，觀測測站在300d后巷道兩幫位移達到850～1000mm，頂底板移近量為1000mm左右，巷道斷面收斂嚴重，從自穩時間來看，90d內兩測站均處于劇烈調整階段，巷道變形速度最大達35mm/d左右，110d后巷道才逐漸趨于穩定，但變形速度仍達到2～5mm/d。試驗段內測站在250d后巷道兩幫位移基本控制在500mm左右，頂底板移近量基本控制在400mm左右，試驗段內巷道支護強度得到提高，圍巖變形得到了較好控制，返修工作量顯著降低。

5　結論

(1)各類槽鋼梁以及T3鋼帶存在強度、剛度過低的問題，在遠未達到錨索支護力的時候出現卸載，嚴重降低了巷道支護效果。設計并在現場應用了箱型梁，該箱型梁在跨距1m時，集中承載能力達150kN，大幅度提高了梁體的強度及剛度。

(2)采用離散元數值計算軟件，計算分析得到試驗巷道頂板6～7m，巷幫4m范圍內均會發生較為明顯的塑性破壞，為保證巷道支護效果，錨索錨固深度必須大于此塑性區深度，即錨固段始終處在巷道圍巖的彈性區內。

(3)軟巖高地壓巷道壓力轉移支護技術的三個原則:一是盡量減小圍巖表面的無背護空間，支護體能夠有效收集巷道表面壓力，防止圍巖壓力的卸載;二是增加錨索組合構件和圍巖背護體的強度和剛度，避免支護體在錨索支護力遠未達到其額定支護力的情況下發生屈服;三是錨索錨固深度必須位于巷道的塑性區范圍之外，保證錨索錨固可靠，使圍巖表面壓力轉移到深部。

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［責任編輯:姜鵬飛］

［作者簡介］楊永剛(1979－)，男，河北定州人，碩士，助理研究員，主要研究方向為巷道支護及礦山壓力控制。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.016

［收稿日期］2014－05－26

［中圖分類號］TD353

［文獻標識碼］B

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0056-04