深部復合巖層巷道圍巖控制技術

深部復合巖層巷道圍巖控制技術

薛俊華1,2，范明建3，段昌瑞1,2，吳志堅1

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司，安徽 淮南 232001；2.深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；

3.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

[摘要]針對深部礦井巖石巷道圍巖整體變形量大、持續時間長、局部破壞嚴重的支護難題，以朱集礦-965東翼軌道大巷為工程背景，在進行系統地質力學測試、圍巖變形破壞特征分析、支護形式選取與現場試驗的基礎上，對深部高地應力復合巖層巷道圍巖控制技術進行研究。通過優化錨桿支護參數、合理選擇護表形式與構件，實現了深部復合巖層巷道圍巖的一次主動支護，有效控制了深部巷道圍巖的長期持續變形，改變了深部巖巷“前掘后修、反復維修”的局面，取得了良好的現場應用效果。

[關鍵詞]深部礦井；復合巖層；圍巖控制技術；強力錨桿支護

[中圖分類號]TD353[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-07-22

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.019

[基金項目]國家科技支撐計劃(2012BAB13B02)，淮南礦業集團科技項目計劃(HNKY-JT-JS-(2011))

[作者簡介]薛俊華(1963-)，男，江蘇泰州人，博士，教授級高級工程師，從事煤與瓦斯共采理論及技術研究。

Surrounding Rock Control of Roadway in Deep Composite Rock Strata

XUE Jun-hua1,2, FAN Ming-jian3, DUAN Chang-rui1,2, WU Zhi-jian1

(1.Huainan Mining (Group) Co., Ltd., Huainan 232001, China;

2.State Key Laboratory of Deep Coal Mining & Environment Protection, Huainan 232001, China;

3.Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Abstract:In order to solve the supporting problem of large and long-time deformation, local serious failure in deep rock roadway, surrounding rock control technology was researched on the basis of testing geo-stress, analyzing failure characteristic of surrounding rock, selecting supporting manner and field test.By operating anchored bolt parameters, rationally selecting supporting components, one-time initiative supporting of deep roadway with composite rock was realized and long-time deformation was controlled.The situation of “first-driving-second-repairing”was changed.Field application effect was excellent.

Keywords:deep mining; composite rock strata; surrounding rock control technology; powerful anchored bolt

[引用格式]薛俊華，范明建，段昌瑞，等.深部復合巖層巷道圍巖控制技術[J].煤礦開采，2015，20(1)：64-67.

深部煤炭資源開采以其開采環境的特殊性、生產與地質條件的復雜性、工程災害的突發性和頻發性，成為國內外煤礦開采領域研究的焦點。多年來，專家學者和現場技術人員，在解決深部巷道圍巖控制與支護技術難題方面做了大量理論研究和實踐工作[1-5]。

從巷道支護方式來看，包括俄羅斯、德國、美國、澳大利亞在內的世界主要深部煤炭開采國家，已由原來的“架棚支護、強力錨桿、組合錨桿(索)桁架”等單一支護形式，向“錨、網、索、帶、噴+封閉式剛性支架+架后巖體注漿”相結合、集支護與加固為一體的復合支護形式發展。目前，盡管俄羅斯和部分西歐國家在深部巷道圍巖多重高強聯合支護方面進行了較廣泛的研究，但因其支護工藝復雜、施工速度慢、支護成本高等原因，未能得到廣泛應用。

目前，我國煤礦深部巷道主要多以“錨網索+U鋼棚”聯合支護為主，部分礦井深部復合巷道處于“前掘后修、反復維修、多次起底，套棚修復”的狀態，平均返修率達到70%以上。巷道掘進與維修成本最高達到2～3萬元/m[7-8]。近年來，隨著高強超高強支護材料的開發和部分施工機具的研制與引進，高預應力、強力錨桿錨索支護系統在多個礦區的深部復合巷道中得到了推廣應用并取得良好的支護效果與經濟技術效益。

1巷道圍巖賦存條件

淮南礦區朱集煤礦北盤區-965東翼軌道大巷位于礦井-965m水平，巷道埋深980～1010m之間。巷道所處區域地層為二疊系煤系地層，位于8煤與11煤之間的泥巖、砂質泥巖、中砂巖等巖層中，各巖層厚度一般集中在0.8～10m之間，局部為厚度20~30m的泥巖、中砂巖(表1)。巷道圍巖巖層總體為單斜構造，傾向220°，傾角2~4°。巷道距下伏8煤層間距離39.0～48.1m，距離上覆11-1煤層間距24.1～32.7m。現場揭露的泥巖呈深灰色、致密，性脆，砂質含量不均，局部因含砂質較高相變成砂質泥巖；粉砂巖，呈灰色-深灰色，夾薄層泥巖。-965東翼軌道大巷所處層位無明顯標志層，為典型的深部復合巖層巷道。

表1　朱集-965東翼軌道大巷巖層綜合柱狀

采用井下單孔多參數耦合快速地質力學測試系統與裝備對-965東翼軌道大巷圍巖應力環境、圍巖強度及圍巖結構分布狀況進行相關測試。結果顯示，圍巖最大水平主應力17.67～18.8MPa，最小水平主應力9.79～9.96MPa，垂直主應力為24.08～24.33MPa，屬于高地應力區域。巷道圍巖受偏應力作用顯著，相互垂直的主應力差值最大達到14.54MPa。圍巖強度原位測試曲線(圖1)波動幅度較大，雖然頂板主要為砂巖，但含有弱面、節理、裂隙發育。砂巖平均強度在85～90MPa之間，泥巖強度平均為69.7MPa。巷道淺部圍巖強度偏低，集中在30～60MPa。巷道埋藏深度大、地應力水平高、偏載作用顯著、復合巖層巖性變化頻繁、弱面夾層多、巖體強度變化大等多重復雜條件，對巷道圍巖控制造成較大困難。

圖1　頂板圍巖強度測試曲線

2圍巖變形特征與支護參數問題分析

2.1　支護形式與變形特征

-965東翼軌道大巷斷面為直墻半圓拱形，掘進斷面寬5700mm，墻高1600mm，拱高2850mm。巷道采用“錨網噴”聯合支護，錨桿選用直徑22mm，長度2500mm的高強螺紋鋼錨桿，間排距均為800mm；巷道拱頂選用直徑22mm，長度6300mm高強錨索進行加強支護，每排布置5根拱頂錨索，間距1000mm，排距1500mm。局部圍巖破碎時采用U29金屬棚進行加強支護。

由于巷道整體支護強度較高，特別是巷道頂板采用5根直徑22mm的錨索進行加強支護，頂板下沉量得到較好地控制。巷道掘進期間，頂板下沉量一般為70～100mm。巷道圍巖兩幫移近和底鼓一般發生在距迎頭20～30m以后，呈現“持續時間長、累計變形量大”的特點。部分巷道掘進期間，兩幫移近量平均達到300～400mm，底鼓量達到500mm以上。巷道拱頂兩肩和底角出現斷錨桿的現象。

2.2　支護參數存在問題分析

通過觀察巷道圍巖變形破壞過程與現場施工狀況，結合煤礦巷道圍巖控制理論與錨桿支護技術的相關研究成果，-965東翼回風大巷在支護形式與參數選取方面存在以下問題：

(1)支護系統缺少必要護表構件，錨桿的支護應力難以在圍巖中得到有效擴散。由于巷道斷面為直墻半圓拱形，鋼帶安裝難度較大且不易貼緊巷道頂板。現場施工時，將錨桿托板直接壓在鋼筋網上，大大降低了錨桿支護作用范圍和對巷道圍巖的有效控制。對于拱形巷道，合理的錨桿護表構件應具有與桿體強度相匹配的強度和剛度；較合理的結構尺寸，能夠有效擴大錨桿的作用范圍，在保證支護效果的同時，降低錨桿密度；能夠貼緊巷道表面，便于現場施工，減輕勞動強度。

(2)錨索支護全部布置在巷道拱頂，整體支護強度分布不均衡，錨索布置參數有待優化。錨索的支護作用是將淺部圍巖中錨桿形成的承載結構與深部圍巖相連接。錨索具有能夠施加較高預緊力的優點，能夠將錨桿端部產生的拉應力區消失，并轉換成有一定區域的壓應力區。原設計中將5根錨索全部布置在巷道拱頂，支護強度極不均勻。在支護參數選取方面，應首先考慮巷道整體支護強度，避免因局部支護強度偏低而造成的初期破壞，進而引起全斷面的變形破壞。

(3)錨桿(索)預緊力偏低，主動支護作用未能充分發揮。現場施工時錨桿預緊扭矩為200N·m，其軸向預緊力僅為20～30kN，不足錨桿屈服載荷的15%。現場錨索張拉力120kN，僅為錨索破斷強度的21.4%。根據巷道條件和施工機具水平，一般要求錨桿預緊力應為桿體屈服強度的30%～50%，錨索預緊力應為索體拉斷載荷的40%～70%[10]。

(4)幫部圍巖支護強度偏低，底角錨桿角度偏大，造成兩幫及底板變形明顯。巷道圍巖應力場以垂直應力為主，垂直應力對巷道兩幫的影響要大于對頂底板的影響。同時，通過提高幫部支護強度可有效控制底板的變形和破壞程度。現場巷道幫部底角錨桿要求與水平方向呈30°～45°夾角，導致底角錨桿的支護應力與其他錨桿形成整體的承載結構分離，無法有效控制兩幫底角及附近底板的變形破壞。

3深部巷道支護理念與參數選取原則

隨著巷道埋藏深度的逐步增加，復雜多變的煤礦開采地質與生產條件，巷道二次支護理論遇到了很大的挑戰。在深部、強烈動壓影響、特殊地質構造影響等區域，巷道采用二次支護后仍出現嚴重的變形破壞問題。與此同時，以強調支護系統初期支護強度和剛度的“高預應力強力一次支護理論”在深部復合巷道中得到推廣和應用，并取得了良好的支護效果。

針對礦井-965東翼回風大巷埋深大、地應力水平高、復合巖層等地質條件，在分析圍巖變形特征、原支護形式與參數選取存在問題的基礎上，提出以下巷道支護參數選取原則：

(1)支護系統應具備與巷道圍巖應力環境相匹配的初期支護強度與剛度，確保能夠有效控制圍巖內部離層、滑移、錯動以及裂隙張開和新裂紋的產生，保持圍巖的整體結構不被破壞。

(2)在保證巷道整體支護強度的前提下，提高幫部支護強度。通過強化幫部支護，實現對底板圍巖變形破壞的控制，避免因巷道局部破壞而造成的大面積持續破壞。

(3)支護系統具有韌性和抗沖擊能力，在高應力和動壓影響作用下，允許圍巖具有一定的變形和整體位移能力，以適應深部高應力巷道圍巖大變形特點。同時，巷道服務期間的總位移量應滿足生產需要，圍巖整體支護結構不應出現失穩和破壞。

(4)支護形式與參數具有可操作性，便于井下施工，有利于提高巷道掘進速度和降低巷道綜合維護成本。

4現場試驗與支護效果評價

根據巷道現場條件與支護現狀，在地質力學測試、存在問題分析、參數選取原則合理確定的基礎上，對原支護參數進行優化設計(圖2)。

巷道開挖并初噴后，進行錨網索支護。錨桿為直徑22mm，長2400mm，屈服強度不低于500MPa的高強抗沖擊螺紋鋼錨桿，沖擊吸收功不低于60J。錨桿樹脂全長預應力錨固，預緊力80～100kN。錨桿排距900mm，每排15根錨桿。選用高強度雙向四肋“井”型W鋼護板作為強力錨桿的附屬構件，實現錨桿高預緊力在圍巖中的有效擴散。錨索為1×19股，直徑22mm煤礦專用鋼絞線，長度6.3m(頂)、4.3m(幫)，端部加長錨固，排距1800mm，每排5根，均布在巷道頂板與兩幫，錨索鎖定張拉力250~300kN。局部圍巖破碎時，對錨索自由段進行注漿加固，實現錨索全長預應力錨固。“井”型W鋼護板、錨索托板與φ6.5mm高強度鋼筋網共同組成巷道圍巖的護表系統，對錨桿(索)施加初始預緊力的同時，也給鋼筋網一定的拉緊力，實現巷道圍巖的高預緊力強力主動支護。

圖2　巷道關鍵支護參數示意

圖3　巷道礦壓監測結果與支護效果

掘進期間，巷道礦壓監測結果(圖3)顯示：巷道表面位移一般在距掘進迎頭50~60m范圍內趨于穩定。兩幫最大移近量為94mm，為巷道寬度的1.65%。兩幫移近量相當，上、下幫移近量分別為42mm和52mm。巷道頂底移近量57mm，其中底鼓量38mm。正常條件下，頂板離層值一般在5～7mm之間。錨桿(索)受力增加幅度普遍較小，一般保持在30~50kN之間。從不同位置處錨桿(索)最大受力值看，位于巷道拱頂左肩和左幫的錨桿(索)受力值普遍大于頂板中部和右幫的錨桿(索)。

5結論

(1)深部高地應力復合巖層巷道支護單靠減小錨桿(索)間排距，難以有效控制圍巖變形破壞。通過恢復和強化圍巖的完整性和承載能力，與高預應力強力錨桿支護系統共同組成具有高強度、高抗變形能力的完整承載結構，實現對深部高應力巷道圍巖的有效控制，盡量做到巷道一次支護便能滿足生產的需要，避免二次支護和巷道維修。

(2)選擇合理護表構件形式與參數是保證錨桿(索)支護應力擴散效果的關鍵。對于拱形巷道建議采用“雙向四肋‘井’型W鋼護板+鋼筋網”的方式進行護表。W鋼護板的強度與剛度應與錨桿的強度相匹配。

(3)深部高地應力巷道圍巖控制應在保證整體支護強度的前提下，對關鍵部位進行強化支護，避免因局部破壞而造成的整個支護系統失效。支護系統應具有一定的韌性和抗沖擊能力，在高應力和動壓影響的作用下，允許圍巖具有一定的變形和整體位移能力，以適應深部高應力巷道圍巖大變形的特點。

(4)高預應力強力錨桿錨索支護系統有效控制了深部高地應力巷道圍巖的長期持續變形，改變了深部巖巷“前掘后修、反復維修”的局面，現場應用效果良好。

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[責任編輯：王興庫]