深部高應力巷道錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護技術

張偉合 蘇麗君 劉 偉 胡久彬 馮旭東

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272102； 2.山東能源集團有限公司，山東 濟南 250014)

1 概述

我國的深部煤炭資源儲量豐富，70%煤炭資源位于地表600 m以下，其中超過千米埋深的煤炭資源占總儲量的50%以上，大型煤礦開采深度也在以每年8 m～12 m的速度向下開挖[1]。由于淺部資源的開采量逐漸枯竭，資源開發(fā)逐漸走向地球深部，千米深井支護工程成為關注焦點，深部巷道圍巖受到高地應力和復雜地質(zhì)構造的影響，深部資源的開采面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。一方面，進入超千米深度后，巖石力學行為表現(xiàn)出淺部巷道工程中少見的大變形、強流變等特征[2,3]，深井巷道開挖后，圍巖體中在高應力下形成的塑性滑動面，經(jīng)歷“損傷擴容→剪切滑移破壞→碎脹大變形”而失穩(wěn)[4]，需要對巷道工程采取因地制宜的支護方案[5]，以控制高應力下的圍巖大變形；另一方面，深部巖芯原“質(zhì)”原“位”取樣困難，基于實驗室理論研究提出的支護方案無法實現(xiàn)對工程現(xiàn)場巖體的保真模擬，導致深部巷道變形機理的理論研究滯后于工程技術的發(fā)展，多數(shù)支護方案存在不合理性，出現(xiàn)巷道支護困難、維修費用高且經(jīng)常重復返修的現(xiàn)象。針對深部高應力巷道支護，常采用的研究手段是現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)值模擬和工程實踐相結合的方法[6-8]。

近年來，深井巷道事故的發(fā)生嚴重制約井下的生產(chǎn)和安全，我國深部高應力巷道賦存環(huán)境差異巨大，影響圍巖失穩(wěn)的關鍵因素各不相同，需要進一步完善高應力巷道支護控制技術[9]。傳統(tǒng)的支護是利用錨桿大幅度提高支護系統(tǒng)的支護剛度與強度，控制圍巖體擴容變形[10]，但無法保證深部巷道圍巖的大變形控制，需采取多種支護方案聯(lián)合支護的手段[11-13]。本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析了錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護機理的合理性，為超千米深部巷道支護提供了一個成功的工程案例。

2 深部高應力巷道支護技術

以山東礦區(qū)某礦-1 350 m水平開拓巷道為工程背景，其開拓方式采用斜井多水平的開拓方式，集中運輸巷道有多個階段，水平運輸大巷采用水平布置，聯(lián)合開拓也是采用上下組煤的方式，石門作為每個煤層間的主要聯(lián)系方式。礦井地質(zhì)條件較為復雜，含煤地層區(qū)內(nèi)石盒子組厚度0 m～154.5 m，平均厚度為36.27 m，巖性一般為雜色粘土巖及中細砂巖，A組和B組巖性以粉砂巖、砂巖、粘土巖和灰?guī)r為主，夾煤層，總厚平均為329.45 m。C組厚度47.90 m，巖性以雜色粘土巖、砂巖和灰?guī)r為主，抗壓強度為32.3 MPa～79.3 MPa，平均抗壓強度為55.8 MPa；粘土巖及泥質(zhì)較軟，一般吸水易膨脹，井巷工程揭露時應加強支護。粉砂巖及灰?guī)r硬度大，強度高，巖性好。煤系基底為厚約800 m的奧陶系石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r，完整性好，硬度大，力學強度高。抗壓強度為46.0 MPa～74.7 MPa，平均抗壓強度為62.7 MPa。

大巷永久支護體系由錨網(wǎng)噴和U型鋼聯(lián)合支護組成(見圖1)。巷道開挖后，全斷面掛5 000 mm×1 100 mm由φ10號鐵絲編織而成的經(jīng)緯網(wǎng)，噴射厚度為30 mm的C20混凝土后，開始進行錨網(wǎng)噴一次支護，采用錨盤壓緊金屬網(wǎng)使其緊貼巖面，使用規(guī)格為φ22×2 400 mm的MSGLD-335型等強全螺紋鋼式樹脂錨桿，設置錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，錨桿外露長度約為50 mm。一次支護施作完畢后在全斷面頂部及兩肩窩處使用4根MSGLD-600型等強全螺紋鋼式樹脂錨桿進行二次加強支護，錨桿規(guī)格為φ22×2 400 mm，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm；錨桿均用2根MSK28/35樹脂藥卷加長錨固，錨桿托盤規(guī)格為200 mm(長度)×200 mm(寬度)×12 mm (厚度)。使用三節(jié)對稱式直腿半圓拱U29型鋼可縮U棚支架作加強支護，排距為1 000 mm。

為驗證錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護的可行性，需要對比深部巷道工況一(無支護)和工況二(有支護)條件下的圍巖變化情況，采用FLAC3D建立大型三維數(shù)值分析模型，對不同工況深部巷道圍巖變形結果進行模擬，獲得2種工況下的底板和兩幫位移，如圖2所示。

深部巷道頂板的下沉量最大，為482 mm，兩幫內(nèi)擠量次之，下沉量為464 mm，最大變形量發(fā)生在底部。在有支護條件下，巷道圍巖的變形縮小為無支護條件下圍巖變形量的一半，表明錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護方案有效控制了深部高應力巷道圍巖的大變形。

3 工業(yè)性試驗效果分析

通過現(xiàn)場監(jiān)測可作為評價巷道支護工程應用效果的判斷依據(jù)，在井下大巷共設置了2個監(jiān)測面，繪制深部巷道圍巖變形曲線如圖3所示。

圖3巷道表明，圍巖大變形階段主要發(fā)生在支護前期，巷道變形總體趨勢呈現(xiàn)先快后緩的變化特點，在支護后15 d圍巖變形劇烈增長，15 d～90 d的位移增量保持在10 mm以內(nèi)，占總位移量10%以下；后期監(jiān)測結果表明深部巷道變形得到收斂，圍巖基本保持穩(wěn)定。

從位移總量上來看，巷道頂板的下沉量最大，兩幫內(nèi)擠量次之，底板膨起量最小。從現(xiàn)場情況來看，噴層無開裂、脫落現(xiàn)象，巷道斷面規(guī)整，圍巖變形得到了很好的控制，該工程案例采用的聯(lián)合支護方案能夠滿足安全生產(chǎn)的需求。

4 結語

1)在有錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護條件下，圍巖變形量減小一半，采用等強全螺紋鋼式樹脂錨桿對頂板和肩窩進行錨網(wǎng)噴二次加強支護和U型鋼支護可預防巷道冒頂、片幫。

2)巷道支護后15 d內(nèi)圍巖變形劇烈增長，巷道頂板的下沉量最大，兩幫內(nèi)擠量次之，底板膨起量最小，30 d后圍巖變形基本收斂，15 d～90 d的位移增量保持在10 mm以內(nèi)。

3)巷道經(jīng)歷初期的較大變形后，變形增量迅速減小，圍巖變形趨于穩(wěn)定并得到有效控制，表明錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護方案具有較好的適用性。