礦井深部巷道圍巖控制支護技術(shù)研究

孫 豹

（山東省煤炭技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 濟南 250031）

我國礦井進入深部水平開采后，巷道返修次數(shù)多、返修成本高成為限制礦井生產(chǎn)和運輸?shù)碾y題，按照原有的錨桿支護技術(shù)對深部巷道圍巖進行控制的缺點逐漸顯現(xiàn)，深部水平圍巖應(yīng)力條件和完整性差，在高地壓、高滲透壓的共同作用下，礦井的開拓、準(zhǔn)備及回采巷道普遍需要一次甚至多次返修才能確保正常使用，深部水平巷道支護問題亟待解決。

1 工程概況

東龐礦11采區(qū)軌道巷設(shè)計斷面為寬4.6 m，高3.7 m的半圓拱形巷道，采用錨網(wǎng)噴支護方式。該段巷道為穿煤層巷道，沿巖層傾向掘進自煤層底板進入煤層后，沿煤層頂板掘進。巷道掘過過程中遇斷層（斷層傾向328°，傾角42°，落差19 m），穿過斷層帶后，沿煤層頂板掘進，煤層厚度為4.2 m～4.5 m。

由于受11采區(qū)回采工作面采動影響，巷道原巖應(yīng)力場發(fā)生了變化，導(dǎo)致巷道變形失穩(wěn)。現(xiàn)場出現(xiàn)不同程度的斷錨桿、錨索，鋼帶梁撕裂、頂板下沉以及噴體開裂現(xiàn)象。巷道經(jīng)過多次返修，仍然不能有效地控制巷道變形。

2 深部巷道鉆孔卸壓支護機理

鉆孔卸壓支護技術(shù)是通過施工巷道卸壓鉆孔，使巷道圍巖內(nèi)裂隙能夠快速發(fā)育進而降低巷道圍巖的應(yīng)力，使巷道圍巖的集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，高應(yīng)力得到充分釋放，保證巷道圍巖處于穩(wěn)定的低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)[1]。巷道變形控制效果則以無鉆孔時圍巖變形量作為已知值，分析不同鉆孔參數(shù)下圍巖變形差量。可以將卸壓程度分為非充分卸壓、充分卸壓和過度卸壓3類，具體如下：1）非充分卸壓。鉆孔參數(shù)不足以轉(zhuǎn)移巷道周邊高應(yīng)力，或在應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果不明顯的情況下，由于局部圍巖結(jié)構(gòu)的破壞增加了巷道變形量。2）充分卸壓。鉆孔參數(shù)可以有效地轉(zhuǎn)移巷道周邊高應(yīng)力，同時對巷道圍巖變形起到一定的控制效果。3）過度卸壓。鉆孔參數(shù)改變不再對巷道周邊高應(yīng)力有轉(zhuǎn)移效果，且由于卸壓程度過大，巷道變形量急劇增加，圍巖已不能保持自穩(wěn)狀態(tài)。不同條件下巷道形成的高應(yīng)力區(qū)差異較大，選取應(yīng)力增高區(qū)的應(yīng)力峰值表示巷道周邊高應(yīng)力點，如圖1所示。圖1中以無鉆孔時（曲線1）巷幫圍巖應(yīng)力峰值σp及其所距巷幫位置L（σp）作為已知值，可以通過對不同鉆孔參數(shù)下（曲線2）巷道產(chǎn)生的新應(yīng)力峰值σ′p及新位置L（σ′p）和原峰值位置L（σp）處應(yīng)力的變化規(guī)律，評判巷道圍巖高應(yīng)力的轉(zhuǎn)移效果。

圖1 鉆孔卸壓機理

2.1 鉆孔長度與圍巖應(yīng)力及變形量關(guān)系分析

合理的卸壓孔深能有效地減小巷道底鼓量和和圍巖變形量[2]。以鉆孔長度L與無鉆孔時應(yīng)力峰值位置L（σp）的比值作為分析指標(biāo)，對試驗巷道11采區(qū)軌道巷監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析，如圖2和圖3所示。當(dāng)鉆孔長度與應(yīng)力峰值距巷幫位置比值＜1時，巷道圍巖變形量沒有減少反而增大，說明高應(yīng)力區(qū)沒有發(fā)生轉(zhuǎn)移，圍巖承載力下降；當(dāng)鉆孔長度與應(yīng)力峰值距巷幫位置比值為1≤L/L（σp）＜2時，高應(yīng)力發(fā)生了轉(zhuǎn)移，巷道變形量出現(xiàn)1個最低值；當(dāng)鉆孔長度與應(yīng)力峰值距巷幫位置比值大于2時，隨著增加鉆孔長度高應(yīng)力轉(zhuǎn)移，巷道變形量始終在增高，幅度不大，說明巷道應(yīng)力調(diào)整不穩(wěn)定時間增長。綜合分析說明，既可以有效轉(zhuǎn)移巷道周邊高應(yīng)力，又能控制圍巖變形，卸壓效果最佳，應(yīng)選擇鉆孔長度與應(yīng)力峰值距巷幫位置比值為1≤L/L（σp）＜2，最終確定卸壓鉆孔長度為10 m。

2.2 鉆孔直徑與圍巖應(yīng)力關(guān)系分析

鉆孔直徑是鉆孔卸壓技術(shù)的1個重要參數(shù)，鉆孔直徑的選取直接決定了鉆孔間排距的設(shè)計。在鉆機功率允許條件下，目前礦用坑道鉆機最大鉆進直徑為0.4 m，常用直徑為0.05 m～0.2 m，因此，選定直徑0.1 m、0.2 m、0.3 m和0.4 m 4種參數(shù)進行施工，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。根據(jù)圖4中數(shù)據(jù)可以看出直徑在0.1 m左右時圍巖應(yīng)力卸壓效果最佳。同時結(jié)合礦現(xiàn)使用鉆孔機具要求，確定鉆孔直徑為0.115 m。

2.3 鉆孔間（排）距與圍巖應(yīng)力及變形量關(guān)系分析

鉆孔長度10 m，鉆孔排（間）距以0.6 m為單位，設(shè)計不同的排（間））距參數(shù)，以試驗巷道11采區(qū)軌道巷監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析，如圖5和圖6所示。當(dāng)鉆孔排（間）距大于1.8 m時，巷幫高應(yīng)力的有效轉(zhuǎn)移基本保持不變，可得1.8 m為卸壓鉆孔最大排（間）距。從圖中可以看出隨鉆孔排（間）距減小，卸壓效果越好，巷道變形量越小，得出卸壓鉆孔最小排（間）距應(yīng)為0.6 m左右。經(jīng)過綜合分析可知，卸壓鉆孔排（間）距應(yīng)為0.6 m～1.8 m，與礦井錨桿支護間距相匹配，最終確定卸壓鉆孔間距為1 m，排距0.8 m。

圖2 鉆孔長度與圍巖應(yīng)力的關(guān)系

圖3 鉆孔長度與圍巖變形量的關(guān)系

圖4 不同直徑下孔間應(yīng)力分布

圖5 鉆孔排（間）距與圍巖應(yīng)力的關(guān)系

圖6 鉆孔排（間）距與圍巖變形量的關(guān)系

2.4 卸壓鉆孔參數(shù)確定

通過對11采區(qū)軌道巷圍巖變形機理的分析，設(shè)計確定了卸壓鉆孔參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場鉆機性能指標(biāo)，確定卸壓鉆孔的施工位置為巷幫和頂板，卸壓鉆孔直徑0.115 m，鉆孔長度10 m，每排兩幫各布置2個鉆孔，兩幫鉆孔間距1 m，排距0.8 m；頂板布置單排鉆孔，排距1.6 m。

對11采區(qū)軌道巷采取鉆孔卸壓技術(shù)以釋放圍巖內(nèi)高應(yīng)力，并將應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移。通過改善11采區(qū)軌道巷圍巖應(yīng)力環(huán)境，確保了巷道安全穩(wěn)定服務(wù)，達到少返修甚至不返修的目標(biāo)。

3 深部巷道高強錨網(wǎng)索支護技術(shù)

巷道圍巖在經(jīng)歷開掘巷道地應(yīng)力和卸壓鉆孔引起的地應(yīng)力雙重作用下，巷道圍巖更容易破壞，需要提高錨桿的支護強度。提高錨桿支護強度的直接方法是提高錨桿的預(yù)緊力。

3.1 錨桿預(yù)緊力與圍巖變形量關(guān)系分析

以東龐礦深部巷道采用BHRB335全螺紋鋼錨桿為例，通過FLAC3D數(shù)值模擬進行了錨桿的預(yù)緊力與圍巖位移效果分析，如圖7所示。數(shù)值模擬過程中錨桿與圍巖之間通過節(jié)點耦合達到支護效果，耦合度越高，支護效果越明顯[3]。從圖中可以看出錨桿預(yù)緊力為30 kN時，多根錨桿形成了有效壓應(yīng)力區(qū)的相互重疊，形成完整的內(nèi)承載結(jié)構(gòu)，控制圍巖變形效果最佳。綜合分析，確定錨桿預(yù)緊力為30 kN，扭矩不低于300 N·m。

3.2 高強錨網(wǎng)索支護參數(shù)

通過卸壓鉆孔技術(shù)和高預(yù)緊力錨固技術(shù)的分析，結(jié)合經(jīng)濟合理性、理論計算結(jié)果和施工速度等各種因素，最終確定了11采區(qū)軌道巷支護技術(shù)的具體參數(shù)。

圖7 不同預(yù)緊力下圍巖變形量的關(guān)系

錨桿采用的是高強度左旋螺紋鋼錨桿，φ=22 mm，L=2400 mm，間排距800 mm×800 mm。錨桿托板長×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm碟形鋼托板。每根錨桿采用1支K2335和1支Z2360樹脂錨固劑。錨索φ=21.6 mm，L=8300 m，鉆孔深度為8000 mm。錨索每排3根，間排距1500 mm×1600 mm。錨索藥卷使用1支K2335和2支Z2360樹脂錨固劑。金屬網(wǎng)：網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm，網(wǎng)片尺寸為長×寬=3500 mm×1000 mm的菱形金屬網(wǎng)片，網(wǎng)片搭接100 mm，幫網(wǎng)與頂板網(wǎng)對接聯(lián)網(wǎng)。

3.3 破碎圍巖段高強錨注支護

巷道返修一次錨網(wǎng)支護完成后，要盡快排矸，緊跟掘進工作面迎頭對巷道施工卸壓鉆孔。卸壓鉆孔成孔后，及時布置礦壓測站，檢測巷道圍巖變形量、破碎區(qū)分布及鉆孔結(jié)構(gòu)閉合情況，根據(jù)實測礦壓結(jié)果，待巷道卸壓鉆孔基本處于閉合狀態(tài)后，及時對巷道進行二次高強錨注支護。

巷道注漿加固前，對圍巖表面噴射1層混凝土止?jié){層，噴層厚度為30 mm，防止?jié){液外泄。待巷道表面混凝土噴層完全硬化后，對巷道全斷面進行注漿加固，注漿孔直徑為42 mm，頂幫注漿孔深為4 m，底板注漿孔深為3 m，注漿孔排距為1.6 m，在注漿孔施工時，要遠離卸壓鉆孔位置。

注漿材料選用高水材料，水灰比為1.5∶1，注漿壓力不超過2 MPa，圍巖極破碎區(qū)注漿壓力小于1 MPa，注漿管采用鋼管制作而成，外徑20 mm，內(nèi)徑15 mm，壁厚2.5 mm，頂幫注漿管長度2.5 m，底板注漿管長度2 m，注漿管出漿孔直徑6 mm，尾部加工30 mm長螺紋，用于連接注漿管路。

破碎圍巖注漿加固完畢后，再施工二次高強錨網(wǎng)索支護。 二次高強錨網(wǎng)索支護技術(shù)及參數(shù)如下。

錨桿采用的是高強度左旋螺紋鋼錨桿，φ=22 mm，L=2400 mm。間排距800 mm×800 mm，底角錨桿距底板100 mm，并向下傾斜30°，其余錨桿垂直巷道表面打設(shè)。錨桿托板采用長×寬×厚為150 mm×150 mm×10 mm的碟形鋼托板，配套使用減磨墊圈。每根錨桿采用1支K2335和1支Z2360樹脂錨固劑。頂板采用長錨索，φ=21.6 mm，L=8300 m，鉆孔深度為8000 mm，每排3根，間排距1500 mm×1600 mm。幫部采用的是短錨索，φ=21.6 mm，L=4500 m，每幫各2根，間排距1500 mm×1600 mm。錨索托板使用的是長×寬×厚為300 mm×300 mm×15 mm的鋼托板，為了增強錨索托板的作用效果，托板下放置一節(jié)長300 mm的14#槽鋼，槽鋼的凹槽向朝外。錨索藥卷使用1支K2335和2支Z2360樹脂錨固劑。金屬網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm，網(wǎng)片尺寸為長×寬=3500 mm×1000 mm的菱形金屬網(wǎng)片，網(wǎng)片搭接100 mm，每隔200 mm聯(lián)網(wǎng)2道，幫網(wǎng)與頂板網(wǎng)對接聯(lián)網(wǎng)。鋼筋梯子梁采用φ14 mm圓鋼焊制的鋼筋梯子梁連接，每3根錨桿為1組，2組梯子梁端部錨桿處搭接，沿巷道走向，每2根錨索為1組使用鋼筋梯子梁連接，梯子梁內(nèi)距均為60 mm。

4 結(jié)語

通過對東龐礦11采區(qū)軌道巷圍巖應(yīng)力區(qū)的聯(lián)合支護后，所做的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和圍巖變形觀察可以發(fā)現(xiàn)：1）針對深部巷道高地應(yīng)力，高構(gòu)造應(yīng)力的圍巖環(huán)境，結(jié)合鉆孔卸壓機理，通過數(shù)值模擬的方法確定了深部巷道鉆孔卸壓關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)“先讓后剛，協(xié)調(diào)控制”的理念，使鉆孔卸壓與高強錨桿支護有機結(jié)合，有效控制了巷道的圍巖變形。2）通過優(yōu)化深部巷道圍巖支護參數(shù)等方式，控制了圍巖大變形，減少了巷道返修次數(shù)與返修成本，為礦井節(jié)省了巷道返修費用與施工人工成本。

綜上所述，卸壓鉆孔和高預(yù)緊力錨網(wǎng)索的聯(lián)合支護技術(shù)，從根本上解決了煤礦深部巷道的支護和圍巖穩(wěn)定控制難題，系統(tǒng)地分析了卸壓鉆孔與高預(yù)緊力錨桿支護與圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，形成東龐礦深部巷道圍巖穩(wěn)定控制的支護技術(shù)，支護效果顯著，值得借鑒和推廣。