五陽礦深部破碎井底車場巷道圍巖控制技術研究

張 根，韓 升

（1.山西潞安環保能源開發股份有限公司 五陽煤礦，山西 長治046200；2.中國石油天然氣股份有限公司 華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 長治046000）

0 引 言

深部破碎巷道因其受深部惡劣地質力學環境、復雜巖體結構、強烈工程開挖擾動等影響，造成了圍巖控制的復雜性[1-3]。巷道圍巖全斷面的冒頂、收縮、片幫等動力破壞事故在深部破碎巷道中普遍存在，嚴重制約著煤礦綠色安全高效生產[4-6]。鑒于此，我國學者對深部破碎巷道圍巖控制進行了研究，取得了成果。孟慶彬等提出了兼備組合拱和組合梁效應的拱—梁承載結構理論[7]；賈穩宏等提出了柔性TECCO網+預應力中空注漿錨桿+注漿的圍巖控制技術[8]；謝小平等提出了不對稱錨網索噴二次聯合支護技術[9]；王炳延等提出了高強錨網索噴+異常破碎段注漿加固的聯合支護方案[10]。

以上學者為深部破碎巷道圍巖控制奠定了良好的研究基礎。五陽煤礦南豐工區井底車場調車線巷道是典型的破碎巷道，在掘進開挖和生產使用期間均發生了非線性大變形動力災害現象，嚴重威脅礦井的安全生產。以五陽礦南豐工區立井井底車場調車線巷道為工程背景，分析其在深部惡劣地質力學環境及圍巖強流變特性下的破壞機理，進而提出了錨網索噴+中空注漿錨索的聯合支護技術，實現了對巷道圍巖的有效控制。

1 巷道變形破壞機制及控制對策

1.1 巷道變形破壞機制分析

五陽礦南豐工區井底車場調車線巷道在施工過程中，巷道圍巖呈現出碎脹變形嚴重、變形具有明顯的時間效應以及支護結構失效等特征，破壞機理分析如下。

（1）深部惡劣地質力學環境。

五陽礦南豐工區井底車場調車線巷道埋深大，深部巖體處于高滲透壓力、高地應力、高地溫梯度和強烈采掘擾動的“三高一擾動”相互耦合的復雜地質力學環境中，使得巖體力學性質極弱。在此情況下進行深部巷道的掘進，工程開挖將演化為不可逆的非線性、大變形力學的動態演變過程，極易誘發圍巖全斷面的冒頂、收縮、片幫等動力破壞事故。

（2）深部圍巖體強流變特性。

深部圍巖體因受惡劣地質力學環境影響而表現出明顯的流變特征。擴區井底車場調車線巷道開挖后變形具有顯著的長時性，裂隙持續發育，圍巖深部大范圍內出現破碎區，使得巷道破壞程度和支護難度不斷增加。

1.2 深井破碎井底車場巷道控制對策

根據對五陽礦南豐工區井底車場調車線巷道圍巖破壞機理分析，以相關理論和技術為指導，并借鑒和應用相關工程領域先進支護技術，綜合確定井底車場調車線巷道圍巖控制對策。

（1）為避免在已發生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，減低錨桿錨固性能，巷道圍巖一旦揭露應即刻施打錨桿，并且力求一次錨桿支護就能有效控制圍巖變形，規避二次巷道翻修所帶來的工程困擾問題，實現降本增效。

（2）改性—錨固一體化協同控制原則。采用中空注漿錨索技術，形成厚層高強承載圈，提高支護系統抗沖能力，達到高應力破碎井底車場巷道支護要求。

2 錨網索噴+中空注漿錨索聯合支護技術及機理

2.1 錨桿索強力支護技術及機理

對巷道圍巖施打高強錨桿，能限制圍巖沿破裂滑移面和裂隙的剪切變形，在錨固區形成高強度、高剛度的錨桿預應力承載結構；而錨索能在圍巖深部較大范圍內施加高壓預緊力，與錨桿施加產生的壓應力區疊加耦合，從而形成淺、深部相接的大范圍高穩定性圍巖承載結構，有效抑制圍巖裂隙發育。五陽礦南豐工區井底車場調車線巷道圍巖裂隙發育，自穩能力差。因此，巷道開挖后及時采用強力錨桿索主動支護，在錨固區內形成錨桿索疊加耦合強承載結構，最大限度地限制圍巖初期大變形。錨桿索疊加耦合強承載結構提供的支護阻力的計算公式為[11]：

式中：p為疊加耦合強承載結構提供的支護阻力；QS、Qc分別為錨桿、錨索預緊力；φ為巖體內摩擦角；lb、lc分別為錨桿、錨索有效長度；Db、Db'為錨桿間排距；Dc、Dc'為錨索間排距；?、?'分別為錨桿、錨索控制角；R為巷道有效半徑。

錨桿索間排距越小、預緊力越大、長度越大，圍巖承載能力越強。可見，只有實現錨桿索參數的最優組合，才能最大程度地發揮錨桿索功效以限制圍巖大變形。

2.2 圍巖表面厚噴層封閉技術及機理

根據五陽煤礦井底車場調車線巷道地質條件，采用FLAC3D軟件建立五陽礦南豐工區井底車場調車線巷道厚噴層支護數值模型。模型頂部為自由邊界，模型四周及底部均為固定邊界。模型模擬巷道圍巖未噴漿及噴漿層總厚度分別為100、200和300 mm時巷道圍巖塑性區破壞程度及應力分布情況。

由圖1可知，巷道開挖后，圍巖塑性破壞區域范圍較大。當噴射100 mm的混凝土時，圍巖塑性區范圍減小，但減小幅度不大；噴漿厚度由100 mm增加到200 mm時，巷道圍巖塑性區深度繼續減小，但普遍維持在3.4 m左右；噴層厚度由200 mm增加至300 mm，巷道圍巖塑性區深度進一步減少，圍巖塑性區深度普遍維持在2 m左右。

圖1 不同噴漿厚度情況下巷道圍巖塑性破壞區范圍Fig.1 Range of plastic failure zone of surrounding rock under different shotcrete thickness

由圖2可以看出，隨著噴漿厚度增加，圍巖應力峰值逐漸向圍巖淺部轉移，巷道周邊應力低值區范圍明顯減小。這表明噴漿厚度的增加，使得巷道圍巖側向約束應力增加，圍巖的殘余強度和峰值強度得到提高，有效控制了巷道圍巖塑性區向深部拓展的趨勢，有利于維持巷道的長期穩定。

圖2 不同噴漿厚度情況下巷道圍巖應力分布（單位：Pa）Fig.2 Stress distribution of surrounding rock under different shotcrete thickness

2.3 深部裂隙圍巖中空注漿錨索加固技術及機理

注漿作為圍巖改性的主要手段，可填充圍巖不連續結構面空間，將結構面兩側巖體“黏結”到一起。漿液充滿到深部裂隙區、錨桿與孔壁間隙和淺部圍巖裂隙中，形成了包括集混凝土噴漿層、淺部圍巖裂隙、高強錨桿、深部圍巖裂隙及錨索的網絡骨架結構，使得圍巖應力狀態大幅改善。此外，注漿使得高強錨桿類似全長錨固，實現“改性—錨固”一體化，能及時和節理一同發揮抗剪作用，維持圍巖穩定。

3 工程應用

3.1 深部破碎井底車場巷道地質生產條件

五陽煤礦南豐工區采用立井開拓，屬于生產礦井接續項目，建設規模保持3.00 Mt/a。擴區立井井底車場調車線巷道埋深約760 m，巷道呈直墻半圓拱形，掘寬5.74 m，掘高4.77 m。巷道所處的煤系地層巖體破碎松軟，裂隙發育，含植物化石碎片。其所在區域煤層平均厚度5.8 m，賦存穩定。煤層以上分別為1.22 m厚的炭質泥巖，12.95 m的砂質泥巖，以及11.1 m的泥巖。煤層以下分別為2.35 m的泥巖，以及3.71 m厚的砂質泥巖。

3.2 具體支護方案及效果分析

3.2.1 支護方案

針對五陽礦南豐工區井底車場調車線巷道礦壓顯現特征，綜合理論分析、數值模擬及工程類比方法，確定錨網索噴+中空注漿錨索聯合支護技術，如圖3所示。

圖3 聯合支護方案Fig.3 Combined support scheme

錨桿采用MSGW-500/22×2400 mm高強樹脂錨桿，間排距為800 mm×800 mm；錨索采用SKP22-1×19/1860高強錨索，長度為8 300 mm，間排距為1 600 mm×800 mm，錨桿錨索托盤橫縱之間采用φ14雙鋼筋梯子梁連接，壓緊鋼筋網片，梯子梁加工尺寸為1.0 m和1.8 m兩種尺寸，現場焊接加工，梯子梁搭接重疊一個限位孔搭設，金屬網網格搭接長度不少于100 mm，網片之間采用16號鉛絲雙道綁扎，綁扎點間距不大于100 mm。

兩幫及頂板噴射混凝土厚度120 mm，底板噴射混凝土厚度為300 mm，混凝土等級為C20。

注漿錨索采用SKZ29-1/1770-9300型錨索，間排距為1 600 mm×800 mm，交錯打設，每根注漿錨索采用1支MSK2850和3支MSZ2850樹脂藥卷錨固。注漿漿液為水泥漿，配比為水灰比1∶2.5，漿液內摻加水泥重量8%的ACZ-1型注漿添加劑。

3.2.2 效果分析

為了解聯合支護技術效果，在井底車場調車場巷道設立監測斷面，其監測結果如圖4所示。

圖4 試驗巷道圍巖表面位移Fig.4 Surface displacement of surrounding rock in test roadway

由圖可知，巷道開挖30 d后圍巖變形趨于穩定，頂板及兩幫移近量最大分別為131.1 mm與109.6 mm，且巷道內未出現錨桿索斷裂、鋼筋網撕裂以及噴漿層開裂等礦壓顯現現象，保障了通道安全。

4 結 論

（1）數值模擬結果表明，隨著噴漿厚度的增加，巷道周邊應力低值區范圍明顯減小，巷道圍巖側向約束應力增加，圍巖的殘余強度和峰值強度得到提高，有效控制了巷道圍巖塑性區向深部拓展的趨勢。

（2）圍巖淺部錨桿和深部錨索形成淺、深部相接的大范圍高穩定性圍巖承載結構，極大地控制了巷道圍巖大變形，且錨桿索間排距越小、預緊力越大、長度越大，承載結構強度越大。

（3）采用錨網索噴+中空注漿錨索聯合控制技術后，頂板及兩幫最大移近量分別為131.1 mm與109.6 mm，有效控制了巷道圍巖的變形，滿足了調車線通道安全。