煤礦深井高應(yīng)力巷道支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

藺道資

(同煤集團(tuán)安全監(jiān)管五人小組管理部軒煤分部，山西 大同 037003)

0 引言

同煤集團(tuán)某礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)量為240萬t/a，由于礦井煤層最大埋深已經(jīng)超過900 m，屬于深井開采礦井煤礦，其主采的8號煤層為中厚穩(wěn)定型煤層，結(jié)構(gòu)較為簡單。煤層厚度約0.70～3.48 m，頂板主要為細(xì)粒砂巖、粉砂巖及泥巖，無裂隙發(fā)育，屬二類有周期來壓頂板；煤層底板為粉砂巖、泥巖，屬松軟-中硬巖石，巖石強(qiáng)度低，抗水、風(fēng)化以及抗凍性差，易軟化。傳統(tǒng)的棚式支護(hù)、低預(yù)應(yīng)力低強(qiáng)度錨桿支護(hù)以及被動(dòng)支護(hù)方式已經(jīng)不適于深井軟巖巷道的支護(hù)需求，而選取高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度高剛度錨桿錨索等主動(dòng)型聯(lián)合支護(hù)方式控制巷道高應(yīng)力變形狀況，則需要考慮巷道周圍地質(zhì)、圍巖應(yīng)力等狀態(tài)[1-3]；科學(xué)選擇關(guān)于支護(hù)過程中錨桿、錨索的長度、直徑、用量和排距等參數(shù)，對解決深部復(fù)雜軟巖巷道的支護(hù)十分重要[4-6]。

1 巷道地質(zhì)力學(xué)測試

1.1 巷道地應(yīng)力及圍巖強(qiáng)度

觀測站設(shè)置：為確定深部巷道的圍巖結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及地應(yīng)力狀況，集中在垂深超出900 m井底車場的附近設(shè)置3個(gè)觀測站。第1測站位于+295水平西翼回風(fēng)石門臨時(shí)變電所處，第2測站位于+280水平充電硐室，第3測站位于+280 m水平西翼軌道石門。

圍巖結(jié)構(gòu)觀測：對巷道頂板上方20 m范圍內(nèi)的圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。測點(diǎn)頂板上部普遍存在離層和裂隙現(xiàn)象，破壞在淺部更為明顯，同時(shí)深部也普通存在軟弱夾層和裂隙，說明巖體自身承載能力弱[7-10]，錨桿支護(hù)體系內(nèi)地質(zhì)力學(xué)條件低，錨固沒能確保范圍內(nèi)的巖體完整性。

地應(yīng)力測量：地應(yīng)力的測量通過水壓致裂法完成，設(shè)備采用SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測量儀，能夠?qū)崟r(shí)采集壓裂過程中的壓力和時(shí)間，并能夠得到水力壓裂曲線。3個(gè)測點(diǎn)中最大水平主應(yīng)力最大值為23.36 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值11.51 MPa，垂直應(yīng)力最大值為23.25 MPa，應(yīng)力場屬高應(yīng)力值區(qū)域，而最大水平主應(yīng)力方向分別為N51.9°E、N35.9°E和N34.7°E。地應(yīng)力的垂直應(yīng)力主要作用于巷道兩幫，而水平主應(yīng)力主要作用于巷道底板，并且最大水平主應(yīng)力與巷道軸線所形成的夾角會(huì)隨角度增加而影響巷道的變形破壞狀態(tài)。

圍巖強(qiáng)度：針對測站附近區(qū)域的頂板和兩幫圍巖進(jìn)行強(qiáng)度測試，整體表現(xiàn)為巖層強(qiáng)度中等偏低，結(jié)合圍巖狀態(tài)分析，巖體中普遍存在裂隙和夾層。同時(shí)，匯總厚度圍巖強(qiáng)度測試曲線中頂板淺部巖層強(qiáng)度會(huì)明顯小于鉆孔深部巖層強(qiáng)度，并且兩幫在2 m的淺層范圍存在塑性變形。

1.2 巖石成分分析

通過X射線衍射分析法對所采巖樣進(jìn)行測試得出，詳細(xì)比例見表1。可見，巷道頂?shù)装鍘r樣以粘土礦物為主，砂質(zhì)泥巖所占比例最高可達(dá)77.4%，而粘土礦物中主要為伊蒙混層，其次為伊利石、綠泥石及高嶺石；而非粘土成分最多的石英最高占非粘土物質(zhì)的54.6%，其余為少量鉀長石、斜長石方解石、白云石和赤鐵礦。值得注意的是，粘土材料中綠泥石和蒙脫石具有遇水強(qiáng)膨脹性，當(dāng)所占比例超出8%時(shí)導(dǎo)致圍巖具有較強(qiáng)的膨脹性。

表1 巖樣粘土主要礦物成分

2 數(shù)值模擬分析

2.1 圍巖應(yīng)力分布與變形規(guī)律模擬

通過FLAC3D有限差分分析軟件不同支護(hù)條件對巷道圍巖應(yīng)力分布和變形進(jìn)行分析研究。分析過程中為避免圍巖應(yīng)力過大影響模擬條件下錨桿、錨索支護(hù)的應(yīng)力場效果，采用零原巖應(yīng)力場條件對各類支護(hù)狀況進(jìn)行數(shù)值分析[11-13]。具體為，錨桿不同預(yù)緊力(10 kN、20 kN、30 kN、40 kN、50 kN、60 kN、70 kN、80 kN)應(yīng)力分布與變形情況，模擬結(jié)果見圖1；不同錨桿直徑(φ18 mm、φ20 mm、φ22 mm)、長度(1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm、2 400 mm)對支護(hù)效果影響；錨索根數(shù)(1、2、3根)、長短(4 m、6 m、9 m)對支護(hù)效果的影響；排距對支護(hù)效果影響(600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm)。

圖1 錨桿預(yù)應(yīng)力大小與圍巖內(nèi)部壓應(yīng)力變化關(guān)系曲線

2.2 模擬結(jié)果分析

錨桿預(yù)應(yīng)力：當(dāng)預(yù)應(yīng)力只有10 kN時(shí)，幫部錨桿預(yù)應(yīng)力能夠擴(kuò)散至錨桿全長范圍，而頂板錨桿的主要影響范圍集中在錨固段和錨桿尾部。預(yù)應(yīng)力自20 kN增長至50 kN過程，壓應(yīng)力能夠擴(kuò)散到整個(gè)全長，擴(kuò)散寬度也呈現(xiàn)線性增長。預(yù)應(yīng)力繼續(xù)增加后，巖體內(nèi)部壓應(yīng)力無顯著增長，頂板兩錨桿間的巖體內(nèi)壓應(yīng)力增長降緩。

錨桿直徑：錨桿的直徑增加對錨桿的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍只有小幅度提升，但直徑的增長提高了錨桿自身力學(xué)性能，承受巷道大載荷變形的能力增強(qiáng)。

錨桿長度：錨桿長度會(huì)影響到垂直方向上預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍，同時(shí)水平范圍內(nèi)有小幅增長，同時(shí)模擬結(jié)果表明錨桿長度>2.2 m后，錨桿間的預(yù)應(yīng)力在巷道圍巖內(nèi)能起到良好疊加效果。

錨索根數(shù)：在穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力下，單根錨索會(huì)形成橢圓形的壓應(yīng)力分布區(qū)域；每排存在2個(gè)錨索后會(huì)在頂板上部2～2.5 m出現(xiàn)少部分應(yīng)力疊加區(qū)域；每排錨索數(shù)量為3根時(shí)，彼此間壓應(yīng)力區(qū)相互靠近疊加，最終形成扇形的整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)預(yù)應(yīng)力可擴(kuò)散至大部分錨固范圍內(nèi)。

錨索長度：錨索長度會(huì)影響垂直方向的有效壓應(yīng)力區(qū)，以及主動(dòng)支護(hù)范圍，但對寬度方向無明顯影響，甚至出現(xiàn)減小趨勢，而且錨索中部及以上區(qū)域的壓應(yīng)力也會(huì)隨長度增長而減弱，相鄰錨索間中部圍巖壓應(yīng)力也會(huì)減小。即相同預(yù)應(yīng)力情況下錨索長度應(yīng)根據(jù)頂板巖層特點(diǎn)，不宜過長，根據(jù)現(xiàn)場特點(diǎn)，錨索長度宜為4.3 m。

錨索排距：錨索有效壓應(yīng)力區(qū)正常情況下相對孤立的，隨錨索排距縮小，相鄰錨索間的壓應(yīng)力區(qū)靠近、疊加，最終與巷道軸線方向一致，但該增加會(huì)隨間距縮小到一定程度而不再出現(xiàn)明顯變化。

3 支護(hù)方案及效果

14505工作面軌道巷在巷道掘進(jìn)完成后，采用高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度高剛度錨桿錨索聯(lián)合的方式進(jìn)行巷道支護(hù)工作。

3.1 支護(hù)方案

頂板支護(hù)：垂直巷道頂板方向施工30 mm的錨桿鉆孔，間距800 mm，錨桿排距選擇為900 mm，錨桿采用22#左旋無縱筋400號螺紋鋼筋，桿長度2.4 m，尾部螺紋型號M24長度為150 mm。托板選取150 mm×150 mm×10 mm的拱型高強(qiáng)度托盤，護(hù)板為450 mm×280 mm×5 mm的W型鋼護(hù)板，并選取網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm的φ6 mm鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂，錨桿的預(yù)緊扭矩應(yīng)大于400 N·m。沿頂板每兩排錨桿間的中間位置安設(shè)錨索，間距分別為600 mm和2 400 mm，排距1 800 mm，錨索φ22 mm 1×19股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長4.3 m，錨固長度1 771 mm，并選取300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板，錨索預(yù)緊力應(yīng)不小于250 kN。

巷幫支護(hù)：巷道兩幫支護(hù)同樣適用高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度高剛度錨桿錨索進(jìn)行支護(hù)，錨桿、錨索以及相關(guān)配件選取與頂板支護(hù)相同的規(guī)格。錨桿間排距為900 mm，間距800 mm，每排每幫2根錨桿，錨桿預(yù)緊扭矩也應(yīng)大于400 N·m。錨索沿水倉底板布置，排距1 800 mm，間距2 000 mm，每排2根錨索，預(yù)緊力不小于250 kN。

底板支護(hù)：底板完全采用錨索進(jìn)行全長預(yù)應(yīng)力錨固方式進(jìn)行，施長度5 000±50 mm的徑φ56 mm垂直鉆孔，并將錨索前端1 200 mm使用水泥澆筑固化后施加預(yù)緊力，再澆筑全長，預(yù)緊力為200 kN。錨索選取同規(guī)格錨索，長度調(diào)整為5.3 m，每排布置2根錨索，間距2 000 mm，排距1 800 mm，均勻分布于水倉底板。最后通過300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板以及100 mm×100 mm的φ6 mm鋼筋網(wǎng)覆蓋底板。

3.2 效果分析

對14505工作面軌道巷進(jìn)行全面的頂?shù)装濉蓭偷奈灰票O(jiān)測，對比新舊2個(gè)支護(hù)方案的巷道變形狀況，從錨網(wǎng)索布置階段就開始進(jìn)行監(jiān)測，并將2個(gè)方案的頂、底、兩幫的移近量匯總，如圖2、3所示。原支護(hù)方案下巷道支護(hù)段巷道頂板變形下沉嚴(yán)重，兩幫也有嚴(yán)重的移近現(xiàn)象，表面有漿皮開裂，巷道支護(hù)強(qiáng)度也較低，后期底板也受到兩幫移近而失穩(wěn)。新支護(hù)方案下巷道整體變形量減少，兩幫的移動(dòng)也在10 d后開始穩(wěn)定，兩幫最大移近量為160 mm，兩支護(hù)方案相比下，原支護(hù)方案的兩幫變形時(shí)間也超前于頂?shù)装澹C明了兩幫支護(hù)強(qiáng)度較低，最終導(dǎo)致頂?shù)装宓氖Х€(wěn)變形。

圖2 原支護(hù)方案巷道移近量

4 結(jié)論

(1)在井底車場附近設(shè)置3個(gè)測試站并通過水力致裂法測得四煤礦高應(yīng)力深井軟巖巷道圍巖最大水平主應(yīng)力最大值23.36 MPa，最小值22.79 MPa；最小水平主應(yīng)力最大值13.48 MPa，最小值11.51 MPa；垂直應(yīng)力最大值23.36 MPa，最小值22.94。3個(gè)測點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力方向分別為N51.9°E、N35.9°E和N34.7°E，表現(xiàn)為最大水平主應(yīng)力方向呈一致性。

圖3 新支護(hù)方案巷道移近量

(2)通過X射線衍射分析法測得巷道頂?shù)装鍘r樣以粘土礦物為主，其中砂質(zhì)泥巖中粘土礦物含量最高，其值為77.4%，最小值為5.8%。頂?shù)装鍑鷰r存在遇水軟化和膨脹性。

(3)通過數(shù)值模擬分析法對不同支護(hù)條件對深部高應(yīng)力的巷道支護(hù)效果進(jìn)行分析，確定支護(hù)方案中各最佳參數(shù)的選取，確保支護(hù)對巷道良好支護(hù)預(yù)緊力和擴(kuò)散作用。

(4)對試驗(yàn)巷道進(jìn)行變形移近量監(jiān)測表明，新支護(hù)方案下兩幫移近變形呈穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間提前，明顯改善了巷道頂?shù)装遄冃螤顩r，起到良好的支護(hù)效果。