深部高地應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

王懷偉，張鵬沖

(1.大同煤礦集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 130021；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

近幾年隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的增加，掘進(jìn)巷道的原巖應(yīng)力越來(lái)越大，深部高應(yīng)力軟巖巷道逐漸增多，軟巖巷道支護(hù)難題日益凸顯，在一定程度上給礦井的安全生產(chǎn)造成了影響。軟巖巷道與一般的巖石巷道不同，開(kāi)挖后其巷道的圍巖自承能力較弱，巷道往往在一開(kāi)挖后就呈現(xiàn)出蠕變狀態(tài)，表現(xiàn)為頂幫變形較大，巷道底鼓較嚴(yán)重，且巷道維護(hù)成本高，需要采取一系列的措施來(lái)保證巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1-4]。

1 工程概況

寧夏紅四煤礦煤層埋深較大，最大深度超過(guò)900m，屬于深井范疇。煤礦深部開(kāi)采必然伴隨著高地應(yīng)力的出現(xiàn)，在高地應(yīng)力的作用下，圍巖變形明顯，巷道產(chǎn)生變形和破壞更加嚴(yán)重。

紅四煤礦+280m水平西翼軌道石門埋深947m，埋深較大，巷道先后穿過(guò)砂巖泥質(zhì)、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和第八含水層等，巖層傾角在17°左右，由地質(zhì)資料可知，巷道表面圍巖巖性較差，巖層裂隙發(fā)育、完整性較差，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，為典型的深部高應(yīng)力軟巖巷道，巷道支護(hù)難度較大。為有效控制巷道圍巖變形，在該礦+280m水平西翼軌道石門開(kāi)展了巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試，通過(guò)測(cè)試合理確定了巷道支護(hù)參數(shù)，形成有針對(duì)性、實(shí)用的支護(hù)技術(shù)方案[5]。

2 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試

2.1 圍巖巖性

由鉆孔觀測(cè)結(jié)果可知，+280m水平西翼軌道石門頂板以上0～3.9m為砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，裂隙發(fā)育；3.9～6.5m為粉砂巖，含有多個(gè)夾層，完整性較差；6.5～9.3m為砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，其中6.5～7.4m巖層完整，7.4～8.1m巖層比較破碎，8.3～8.9m巖層完整，8.9～9.3m巖層有縱向裂隙，9.3～9.9m為細(xì)砂巖，巖層較為完整。綜上可知，巷道圍巖探測(cè)范圍普遍存在離層和裂隙，特別是巷道圍巖表面破壞情況更為明顯，圍巖巖性整體較差。

2.2 圍巖強(qiáng)度

利用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置對(duì)巷道頂板以上及巷幫10m范圍內(nèi)的巖體進(jìn)行了原位強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)、分析和換算可知，該測(cè)站頂板以上砂質(zhì)泥巖段平均抗壓強(qiáng)度為35.90MPa；粉砂巖段平均抗壓強(qiáng)度為51.83MPa；砂質(zhì)泥巖段平均抗壓強(qiáng)度為37.66MPa；細(xì)砂巖段平均抗壓強(qiáng)度為55.51MPa。由測(cè)試結(jié)果可知，軌道石門幫部巖體抗壓強(qiáng)度平均值為33.43MPa。整體來(lái)看，所測(cè)巖層強(qiáng)度中等偏低，但由于巖體中普遍存在裂隙和夾層，圍巖的整體強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

2.3 地應(yīng)力

利用SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量?jī)x進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)點(diǎn)到讀數(shù)儀的垂直距離17.1m處水力壓裂曲線如圖1所示[6，7]。

由圖1可得出，破裂壓力Pb為16.04MPa，重張壓力Pr為10.49MPa，瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps為9.33MPa。

最小水平主應(yīng)力σh、垂直應(yīng)力σv、最大水平主應(yīng)力σH計(jì)算公式如下：

σh=Ps-γwh

σν=γH

σH=3Ps-Pr-2γwh

式中，γw為水的容重，N/m3；γ為上覆巖層容重，N/m3；h為測(cè)點(diǎn)到讀數(shù)儀的垂距，取h=17.1m；H為測(cè)點(diǎn)埋深，取H=929.9m。

代入Ps、Pr讀數(shù)值計(jì)算可得，測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力σH=17.08MPa，最小水平主應(yīng)力σh=9.12MPa，垂直應(yīng)力σv=23.25MPa。

3 深部高地應(yīng)力軟巖巷道控制原則

針對(duì)該煤礦+280m水平西翼軌道石門埋深大、地應(yīng)力水平高、地層中夾層較多、巖層傾角大等地質(zhì)條件，在分析圍巖巖性、圍巖強(qiáng)度、地應(yīng)力分布特征的基礎(chǔ)上，提出以下巷道支護(hù)系統(tǒng)與參數(shù)選取原則。

1)提高錨桿、錨索支護(hù)強(qiáng)度。深部高地應(yīng)力軟巖巷道具有變形速度快、變形量大的特點(diǎn)，較小支護(hù)強(qiáng)度的錨桿、錨索對(duì)圍巖大變形的敏感適應(yīng)性低，不能及時(shí)地形成強(qiáng)有力的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)，使得巷道圍巖塑性區(qū)、破壞區(qū)向深部圍巖擴(kuò)展，圍巖變形進(jìn)一步惡化。因此，需要提高錨桿、錨索的支護(hù)強(qiáng)度改善支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，有效抑制圍巖變形。

2)幫頂互控。在高應(yīng)力作用下兩幫軟弱巖體首先發(fā)生破壞，隨著變形量的增大，巷道兩幫對(duì)頂板的支撐承載能力減弱，從而影響頂板的圍巖穩(wěn)定性，而頂板的破壞使得圍巖塑性區(qū)范圍擴(kuò)大向巷道兩幫擴(kuò)展，深部應(yīng)力集中程度增大，使得兩幫圍巖變形進(jìn)一步惡化，可見(jiàn)頂板與兩幫的圍巖穩(wěn)定性是相互關(guān)聯(lián)與影響的，因此，在加強(qiáng)頂板支護(hù)時(shí)也要重視兩幫支護(hù)，避免幫頂破壞的惡性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)幫頂互控[8-11]。

3)錨索及高應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)補(bǔ)償。在高應(yīng)力作用下巷道頂板肩窩、巷道兩幫為支護(hù)承載薄弱環(huán)節(jié)，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，采用錨索及高應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)補(bǔ)償可提高圍巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高整體穩(wěn)定性。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

4.1 支護(hù)技術(shù)方案

4.1.1 頂板支護(hù)

選用22#左旋無(wú)縱筋400號(hào)螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度2.4m，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨桿排距900mm，每排10根錨桿，間距800mm。錨桿預(yù)緊扭矩不低于400N·m。

錨索采用每排4根布置，選用Φ22mm、1×19股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度4.3m，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，排距1800mm，間距1600mm。錨索安裝在兩排錨桿之間，錨索預(yù)緊力要達(dá)到250kN。

4.1.2 巷幫支護(hù)

選用錨桿為22#左旋無(wú)縱筋400號(hào)螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度2.4m，錨桿排距900mm，每排每幫3根錨桿，間距800mm。

錨索每排每幫一根布置，選用Φ22mm、1×19股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度4.3m，排距1800mm，間距1600mm，距離底板500mm。錨索安裝在兩排錨桿中間位置。

+280m水平西翼軌道石門支護(hù)示意圖如圖2所示。

圖2 +280m水平西翼軌道石門支護(hù)示意圖(mm)

4.2 支護(hù)效果分析

圖3 巷道表面位移變化曲線

實(shí)施高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)方案后，在該巷道設(shè)置了表面位移觀測(cè)站，巷道表面位移變化曲線如圖3所示，從圖3可以看出，兩幫最大位移量為102mm，頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?9mm，可見(jiàn)該支護(hù)方案能夠有效保證巷道整體穩(wěn)定性，控制巷道圍巖變形。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置及SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量?jī)x對(duì)巷道圍巖巖性、圍巖強(qiáng)度、地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試分析，并基于測(cè)試分析結(jié)果基礎(chǔ)上提出了深部高地應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)成套技術(shù)。

2)通過(guò)采取提高錨桿和錨索支護(hù)強(qiáng)度、幫頂互控、錨索及高應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)纫幌盗熊泿r巷道控制措施，確定了合理的支護(hù)參數(shù)并針對(duì)性地設(shè)計(jì)了支護(hù)方案，由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，巷道在掘進(jìn)100d后兩幫最大位移量只有102mm，頂?shù)装遄畲笪灰屏恐挥?9mm，該控制技術(shù)能夠有效控制高地應(yīng)力軟巖巷道的圍巖變形。