深部高應力巷道圍巖控制技術(shù)應用研究

孟 強

（同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

隨著淺部資源的枯竭，楊河煤業(yè)進入了深水平開采，主要巷道及生產(chǎn)采區(qū)埋深大多在500m以下，深部巖體在“三高、一擾動”作用條件下表現(xiàn)出明顯的軟巖特性，井下大量巖巷、煤巷與淺水平巷道相比，變形量大幅增加，大量巷道需要經(jīng)過一次或多次擴修，才能滿足服務年限。以楊河煤業(yè)42軌道下山為工程背景，研究高應力破碎軟巖巷道圍巖控制技術(shù)，為解決煤礦深井高應力破碎軟巖巷道支護難題提供一條有效途徑。

1 工程地質(zhì)概況

楊河煤業(yè)42軌道下山于42軌道平臺南端開口，開口層位于L7灰?guī)r中下部，巷道在掘進過程中其掘進層位基本位于L7～8灰?guī)r中，局部地段受斷層影響會揭露二1煤底板泥巖。在巷道揭露的地層中：二1煤底板泥巖厚3.2～10.9m，平均5.46m，灰色，f=4～5；L8灰?guī)r厚2.8～6.6m，平均4.6m，灰色，致密堅硬，f=8；L7～8灰?guī)r泥巖夾層厚1.6～4.5m，平均3.5m；L7灰?guī)r厚1.0～5.5m，平均2.8m，灰色，致密堅硬。

2 巷道圍巖變形破壞數(shù)值模擬分析

由于42軌道下山在掘進期間揭露F7、F8兩條斷層，地質(zhì)構(gòu)造使得巷道圍巖存在較大的水平應力，當巷道開挖后，原巖應力受到擾動，巷周應力在重新分布的過程中，構(gòu)造應力造成巷道失穩(wěn)破壞。

2.1 數(shù)值模擬模型

數(shù)值模擬目的是探究巷道圍巖變形破壞特征，確定巷道變形破壞規(guī)律及破壞范圍。根據(jù)楊河煤業(yè)42軌道下山巷道地質(zhì)情況建立數(shù)值模擬模型，模型尺寸為152m×10m×86m（長×寬×高）。42軌道下山巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，凈斷面尺寸為5.0m×3.6m，巷道實際埋深530～600m左右，取560m，它由131720個單元和147708個節(jié)點組成。具體模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

2.2 巖石物理力學參數(shù)

數(shù)值模型邊界條件采用位移和應力混合邊界條件，令模型下部邊界和左右邊界均簡化為位移邊界條件，模型頂部采用應力邊界條件，在頂部施加均勻的垂直向下的應力以模擬覆巖荷載。本次數(shù)值模擬采用的各煤巖層巖體力學參數(shù)是結(jié)合楊河煤業(yè)原有的地質(zhì)資料，最終確定數(shù)值模擬過程中巷道圍巖巖石力學參數(shù)數(shù)值如表1所示。

表1 巷道圍巖巖石力學參數(shù)數(shù)值

2.3 巷道圍巖破壞原因分析

圖2所示是42軌道下山巷道圍巖垂直應力云圖。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道頂板出現(xiàn)明顯的應力降低區(qū)，巷道頂板破壞比較嚴重。與此同時，巷道底板由于在兩幫垂直應力作用下向巷道內(nèi)移動，巷道底臌比較嚴重。在高應力軟巖巷道中，巷道底板極易成為巷道變形破壞的突破口，尤其對泥質(zhì)軟巖巷道而言，底鼓導致水溝破壞后，使得底板泥質(zhì)巖體長期受水浸泡，從而誘發(fā)更加強烈的膨脹型底鼓。巷道兩幫由于受到高水平應力作用出現(xiàn)嚴重的變形、破壞。有些巷道段在承受較強側(cè)壓情況下，由于頂板巖性差，支架抗壓能力弱，迫使巷道出現(xiàn)尖頂型破壞，頂板下沉嚴重；整條巷道均存在嚴重底鼓現(xiàn)象，巷道兩幫出現(xiàn)嚴重片幫和變形，所以后期要重點加強巷道頂板支護、巷道底板以及巷道兩幫片幫和變形的治理。

3 軟巖巷道耦合支護技術(shù)研究

3.1 巷道耦合支護方案

首先采用錨桿支護形成承載結(jié)構(gòu)，加固淺部破裂圍巖，改善圍巖力學性能，提高其殘余強度。在此基礎上，針對支護承載結(jié)構(gòu)存在的薄弱部位，采用錨索補強支護，一方面將一次錨桿支護形成的承載圈錨固至深部穩(wěn)定巖體，形成更厚、更強的承載圈；另一方面，對支護薄弱部位實現(xiàn)結(jié)構(gòu)補償，提高支護承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。如圖3。

圖2 巷道圍巖垂直應力云圖

圖3 二次錨網(wǎng)協(xié)同支護示意圖

（1）一次錨桿支護：巷道斷面采用錨索配合錨桿作為基礎支護，每排布置10根錨桿，2根錨索，間排距為800×1000mm，詳細支護參數(shù)見圖4；選用規(guī)格為Ф20×2400mm的錨桿，底角錨桿距底板高度為600mm并向下扎角15°；構(gòu)件選用M22加強防松螺母，選用規(guī)格為140×140×10mm的蝶形托盤；每根錨桿使用一支K2350、一支Z2350的樹脂錨固劑；錨桿預緊力矩不得低于260N·m。

錨索選用Ф18.9×5200mm的七股鋼絞線，抗拉強度不得低于1860MPa，選用規(guī)格為300×300mm的廢舊U型鋼軋制托盤；要求每根錨索使用一支K2350、兩支Z2350的樹脂錨固劑；選用高強度的鋼筋網(wǎng)進行護表，網(wǎng)目大小為60×100mm；錨索預緊力不得低于100kN。

（2）噴漿：對巷道表面噴漿前應對巷道支護質(zhì)量進行全面檢查，要求對所有錨桿、錨索施工質(zhì)量進行全面復查，經(jīng)驗收合格后方可噴漿。噴漿過程中應力求巷道成型美觀，為后期開展二次支護創(chuàng)造條件。

（3）注漿：注漿過程中視圍巖破碎情況采用多輪、分次、深淺結(jié)合注漿方式，頂、幫注漿錨桿長度可采用1.5m和2.5m兩種規(guī)格，注漿錨桿間排距為2.0×2.4m，起注高度1.0m。

注漿水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，水灰比（重量比）控制在0.6:1～0.7:1之間，應遵循自下而上的注漿順序，且注漿過程中注漿壓力一般不應超過3MPa。

圖4 42軌道下山一次錨網(wǎng)支護斷面（單位：mm）

（4）二次錨索支護：在注漿結(jié)束后，在一次錨網(wǎng)支護之間進行二次支護。每排布置7根錨索，間排距1600×2000mm，最下一根錨索距底200mm。錨索選材同一次錨網(wǎng)支護錨索，選用規(guī)格為300×300mm的廢舊U型鋼軋制托盤；要求每根錨索使用一支K2350、兩支Z2350的樹脂錨固劑；選用高強度的鋼筋網(wǎng)進行護表，網(wǎng)目大小為60×60mm；錨索預緊力不得低于100kN。二次支護詳細支護參數(shù)如圖5所示。

3.2 底板加固方案

雖然底板錨網(wǎng)支護是一種典型的主動支護方式，能夠有效發(fā)揮圍巖體自身的承載能力，但42軌道下山作為松軟易變形的高應力軟巖巷道，雖然錨固性能能夠達到設計要求，但相較于U型鋼支架而言，錨網(wǎng)支護護表性能較差，松軟的巖體極易從錨桿之間擠出，單純底板錨網(wǎng)支護很難控制巷道底鼓。底反拱支架和混凝土反拱作為典型的被動支護方式，其護表性能較好，具有一定的承載能力，但反拱施工較為繁瑣，且下山巷道施工難度較大，難以大面積推廣應用。

圖5 42軌道下山二次錨網(wǎng)支護斷面（單位：mm）

由于42軌下圍巖巖體松軟，且受滑動構(gòu)造影響，發(fā)育多條斷層，圍巖裂隙較為發(fā)育，因此底板注漿加固能夠有效提高巖體的完整性及其強度，故選用底板注漿對巷道底板進行加固，注漿結(jié)束后對巷道底板進行混凝土滾底。具體要求如下：

注漿過程中視底板圍巖破碎情況采用多輪、分次、深淺結(jié)合注漿方式，注漿錨桿長度同幫頂要求，可采用1.5m和2.5m兩種規(guī)格，注漿錨桿間排距為2.0×2.4m。

注漿水泥采用42.5#普通硅酸鹽水泥，水灰比（重量比）控制在0.6:1～0.7：1之間，應遵循自下而上的注漿順序，且注漿過程中注漿壓力一般不應超過3MPa。

注漿結(jié)束后對底板進行混凝土滾底，滾底厚度不得低于200mm，以保證封閉圍巖。

4 巷道礦壓觀測分析

為掌握施工質(zhì)量和支護工作狀況、圍巖活動規(guī)律、圍巖變形規(guī)律和支護體系實際承受的載荷之間的關(guān)系，為深部高應力軟巖巷道采用更為合理的控制技術(shù)提供寶貴的現(xiàn)場實測資料，采用十字布點法在巷道內(nèi)建立5個觀測站，對巷道表面位移監(jiān)測，主要包括巷道頂?shù)装逡平俊蓭鸵平俊㈨數(shù)装逡平俣取蓭鸵平俣扔^測。以2號、3號測站數(shù)據(jù)對礦壓觀測結(jié)果進行分析（圖6、圖7）。

（1）2#測站觀測結(jié)果分析。

由圖6可見，2#測站巷道變形相對較大，頂?shù)装搴蛢蓭妥冃尉?個月后趨于穩(wěn)定，兩幫和頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為160mm和55mm。

圖6 2#測站巷道圍巖表面位移量觀測結(jié)果

（2）3#測站觀測結(jié)果分析。

如圖7所示，采用耦合支護方案后，3#測站巷道頂?shù)装遄冃?個月內(nèi)就趨于穩(wěn)定，頂?shù)装迤骄冃嗡俾始s0.67mm/d，而兩幫變形量相對較大，2個月后才趨于穩(wěn)定，期間兩幫平均變形速率約1.1mm/d，從效果來看，巷道頂板有略微下沉，無明顯底鼓現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬結(jié)果可知：巷道頂板出現(xiàn)明顯的應力降低區(qū)，巷道頂板破壞比較嚴重，同時，巷道底板由于在兩幫垂直應力作用下，巷道底板向巷道內(nèi)移動，巷道底臌比較嚴重。

（2）結(jié)合巷道的實際條件，首先采用錨桿支護形成承載結(jié)構(gòu)，加固淺部破裂圍巖，改善圍巖力學性能，提高其殘余強度。在此基礎上，針對支護承載結(jié)構(gòu)存在的薄弱部位，采用錨索補強支護，一方面將一次錨桿支護形成的承載圈錨固至深部穩(wěn)定巖體，形成更厚、更強的承載圈，通過礦壓觀測結(jié)果可知：巷道支護效果良好，有效控制了巷道變形。

圖7 3#測站巷道圍巖表面位移量觀測結(jié)果