深井復(fù)雜條件切眼巷道錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)實(shí)踐

王曉輝

(開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司，河北 唐山 063109)

0 引言

隨著礦井開采深度的增大，巷道圍巖的應(yīng)力逐步加大，頂?shù)装遒x存厚度、瓦斯和水文條件也愈發(fā)復(fù)雜，給巷道的安全施工和穩(wěn)定支護(hù)帶來(lái)極大難度[1-2]。其中，開切眼斷面大，跨度大，設(shè)備安裝運(yùn)營(yíng)的低變形要求高，一直是支護(hù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。以開灤范各莊煤礦為例，深部區(qū)域受埋深、地質(zhì)構(gòu)造與采掘活動(dòng)影響，圍巖應(yīng)力分布、頂?shù)装鍘r性與淺部相比差異明顯，局部構(gòu)造分布也較為密集，導(dǎo)致開切眼支護(hù)安全受到極大影響。為滿足設(shè)備安裝中的運(yùn)輸、通風(fēng)、行人要求，亟需開展錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)升級(jí)優(yōu)化。原有常規(guī)29U支架支護(hù)方案實(shí)施中，因被動(dòng)支護(hù)的強(qiáng)度低，巷道損壞變形嚴(yán)重，切眼套修量大，后續(xù)安裝進(jìn)度受到極大影響?？梢?，深井復(fù)雜條件下，以大斷面、大跨度為特征的切眼巷道支護(hù)是業(yè)內(nèi)研究熱點(diǎn)[3-4]，相關(guān)單位探索了預(yù)緊錨索[5-6]、錨網(wǎng)噴、注漿錨桿索、錨噴聯(lián)合U型鋼支架等技術(shù)和聯(lián)合支護(hù)方案[7-9]，在局部工程取得了較好的技術(shù)效果。然而，不同的地質(zhì)條件下，頂?shù)装鍖游粯?gòu)成、水化性質(zhì)、巖性強(qiáng)度等差異較大，巷道的變形破壞特征有較大差異[10-12]，支護(hù)方法和參數(shù)也不盡相同。因而，針對(duì)范各莊工程實(shí)際，分析查明巷道的破壞機(jī)理，確定支護(hù)設(shè)計(jì)原則，技術(shù)實(shí)踐工程適用的錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)，將為切眼支護(hù)技術(shù)提供范例和借鑒。

1 大斷面、大跨度切眼巷道支護(hù)機(jī)理

1.1 圍巖破壞機(jī)理

巷道開挖后圍巖的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，淺表區(qū)由三向應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整為二向或低圍壓三向應(yīng)力狀態(tài)，其自穩(wěn)能力受到削弱，局部應(yīng)力集中作用下圍巖破壞，進(jìn)而導(dǎo)致錨固失穩(wěn)的發(fā)生，巷道安全受到極大威脅。而切眼巷道因跨度大，層狀頂板條件下巖層的復(fù)合頂受力大，拉應(yīng)力高，離層斷裂破壞更為典型。在深井切眼支護(hù)工程中，開灤傳統(tǒng)應(yīng)用29U支架較多，被動(dòng)支護(hù)的抗力僅為0.1～0.2 MPa左右，遠(yuǎn)小于巖石力學(xué)等效圓孔開挖理論計(jì)算的穩(wěn)定支護(hù)抗力。因此，深井復(fù)雜切眼巷道的破壞機(jī)理為大跨度的巷道支護(hù)抗力不足，而復(fù)合的層狀巖板下位受拉、層間粘結(jié)剪應(yīng)力低是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的客觀原因。

1.2 支護(hù)原則

1.2.1 整體性原則

確保支護(hù)構(gòu)件和支護(hù)圍巖共同作用，當(dāng)圍巖應(yīng)力達(dá)到峰值前，支護(hù)強(qiáng)度匹配發(fā)揮。煤巖有害失穩(wěn)變形因受到支護(hù)作用得到抑制，構(gòu)成圍巖與支護(hù)的錨固共同體，使支護(hù)和圍巖形成的復(fù)合體協(xié)同支護(hù)，呈現(xiàn)出較大的抗變形能力。

1.2.2 聯(lián)合支護(hù)原則

隨著開采深度的不斷增加，大跨度切眼其圍巖穩(wěn)定性差，跨度大，變形大，礦壓顯現(xiàn)越發(fā)明顯，支護(hù)與圍巖相互間的關(guān)系比較復(fù)雜，大斷面切眼巷道采用單一支護(hù)強(qiáng)度不足，難以有效控制圍巖體變形。因此，采用聯(lián)合支護(hù)、多種支護(hù)方法地強(qiáng)度耦合與協(xié)同作用。

1.2.3 及時(shí)支護(hù)原則

巷道開掘后，改變了巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，頂板容易離層失穩(wěn)，頂板中部易出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生拉伸破壞，同時(shí)復(fù)雜工程的巷道圍巖不能自穩(wěn)，其變形和位移將會(huì)造成幫頂冒落，給施工安全和運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)威脅。因此，必須對(duì)揭露頂幫進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，控制松散破碎圍巖向深部發(fā)展，從而發(fā)揮初期支護(hù)的促穩(wěn)作用，實(shí)現(xiàn)錨固體的穩(wěn)定承載。

1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)

1.3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)切眼巷道變形與受力分析，參照圍巖控制原理及支護(hù)原則，確定采用錨、梁、網(wǎng)、索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)更為合理。該結(jié)構(gòu)將錨桿和錨索支護(hù)力聯(lián)合調(diào)動(dòng)，以托梁大剛度實(shí)現(xiàn)高護(hù)表強(qiáng)度的發(fā)揮，利于對(duì)層狀大跨度頂板的局部強(qiáng)力補(bǔ)強(qiáng)和層間抗剪力的大幅提升，從而形成由錨桿、錨索嵌入抗剪和增阻的錨固受載結(jié)構(gòu)，限制圍巖松動(dòng)圈的擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定支護(hù)目的。

1.3.2 支護(hù)機(jī)理

錨桿作用控制錨固區(qū)圍巖離層、滑動(dòng)、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容、不連續(xù)變形破壞，初錨力和工作錨固力均使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞，保持錨固區(qū)圍巖完整性，避免圍巖強(qiáng)度降低。在錨固區(qū)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力區(qū)，形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層，改善圍巖部應(yīng)力分布。錨索將錨桿承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，與錨桿有效壓應(yīng)力區(qū)連接、重疊，形成更大范圍的骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，利于消除或減小錨桿端部的拉應(yīng)力區(qū)，調(diào)動(dòng)錨固體的抗壓強(qiáng)度。因深井開切眼服務(wù)周期短，巷道工程要求盡量實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)有效控制圍巖變形，避免二次套修維護(hù)。

2 3221S切眼支護(hù)技術(shù)實(shí)踐

2.1 煤層頂?shù)装迩闆r

3221S切眼巷道設(shè)計(jì)斷面8.3×3.7 m2，切眼上下端頭各10 m范圍，斷面8.8×3.7 m2；切眼機(jī)組硐室斷面10.3×3.7 m2。煤層頂?shù)装逯饕煞凵皫r和細(xì)砂巖構(gòu)成，見表1，直接頂強(qiáng)度24.12 MPa，煤層強(qiáng)度6.0 MPa，直接底強(qiáng)度11.8 MPa，圍巖穩(wěn)定性分類為Ⅲ類，見表2。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor condition of coal seam

表2 圍巖穩(wěn)定性分類Table 2 Classification of surrounding rock stability

2.2 錨梁網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

切眼支護(hù)采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)，頂板以高強(qiáng)螺紋鋼錨桿、金屬菱形網(wǎng)、U型鋼帶組合支護(hù)，間隔2排錨桿進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)在斷層附近增加頂錨桿與錨索密度。

2.2.1 頂錨桿參數(shù)

通過(guò)加大錨桿長(zhǎng)度，可使上覆的巖層形成更厚的錨桿加固體，利于提高錨桿的初錨力，增強(qiáng)錨桿的支護(hù)效果，增強(qiáng)巷道圍巖的穩(wěn)定性。高強(qiáng)度錨桿，可以承載更多的破碎巖石，抵御更大的水平剪切荷載。按照工程類比，確定頂錨桿采用φ22 mm直徑的HRB500高強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)度2.4 m，間排距0.8 m×0.8 m，金屬菱形網(wǎng)配合厚度4 mm、寬度140 mm的“U”型鋼帶護(hù)頂。

2.2.2 護(hù)幫錨桿

巷道的兩幫和頂?shù)装迨且粋€(gè)相互聯(lián)系的整體，兩幫的失穩(wěn)無(wú)論對(duì)頂板還是底板而言都是不利的[13]，為加強(qiáng)控制切眼巷道煤體兩幫的變形，北側(cè)回采幫采用φ20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿，南幫采用φ20 mm×2 000 mm的HRB340等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，兩幫錨桿間排距0.8 m×0.8 m。塑編網(wǎng)配合φ10 mm圓鋼加工的“H”型鋼帶護(hù)幫，當(dāng)巷幫松軟、片幫時(shí)，通過(guò)減小錨桿間排距，鋪雙層網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

2.2.3 錨索參數(shù)

基于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況調(diào)研與切眼巷道的實(shí)際狀況，巷道錨索選用φ21.6 mm×7 500 mm的高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線錨索，配合托梁規(guī)格為長(zhǎng)500 mm的25U直鋼，間隔方式采用五花眼布置，錨索間距2.2 m，排距1.2 m。在巷道壓力大、變形較嚴(yán)重地段加密錨索間距至1.6 m。

3 巷道支護(hù)效果

礦壓監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)錨桿支護(hù)安全保障的重要內(nèi)容，也是錨桿支護(hù)效果評(píng)定的關(guān)鍵指標(biāo)。范各莊煤礦切眼巷道礦壓觀測(cè)采用頂板離層儀觀測(cè)與十字測(cè)線位移觀測(cè)及錨桿索測(cè)力計(jì)的監(jiān)測(cè)手段，其中十字布線圍巖觀測(cè)的間距不大于30 m，頂板離層儀間距為30～50 m，3221S切眼巷道共設(shè)置4個(gè)測(cè)站，離層儀深部3.5 m和淺部1.5 m的離層顯示最大值為24 mm；平均表面位移兩幫136 mm，頂?shù)?6 mm；錨索測(cè)力計(jì)的最大讀數(shù)為250 kN，錨桿測(cè)力計(jì)最大讀數(shù)為98 kN。綜上可見，支架安裝前，切眼斷面維護(hù)良好，錨桿和錨索支護(hù)力效能發(fā)揮約為50%～80%，通過(guò)數(shù)據(jù)可以表明位移和離層控制較之原29U支架支護(hù)效果明顯。

4 結(jié)論

(1)深井復(fù)雜切眼巷道的破壞機(jī)理為大跨度的巷道支護(hù)抗力不足，而復(fù)合的層狀巖板下位受拉、層間粘結(jié)剪應(yīng)力低是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的客觀原因。

(2)錨桿索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)較之29U支架被動(dòng)支護(hù)，利于補(bǔ)強(qiáng)大跨度層狀頂板和提升層間抗剪，形成由錨桿、錨索嵌入抗剪和增阻錨固結(jié)構(gòu)，是切眼巷道支護(hù)方法的首選方法。

(3)采用“錨桿+錨索+鋼帶+托梁”構(gòu)成強(qiáng)力錨桿和錨索支護(hù)技術(shù)，較好地解決了范各莊煤礦深井切眼巷道的變形失穩(wěn)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了錨固體效能的高效發(fā)揮并留有儲(chǔ)備，確保了巷道的運(yùn)營(yíng)安全，為相似工程條件提供了范例。