大埋深斷層集中帶巷道全斷面協同錨固技術及應用

李 進，侯華營，高 琪

(河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

煤礦進入深部開采之后，圍巖在高應力、開采擾動、強蠕變和較強時間效應等復雜地質力學環境的綜合影響下，巷道變形破壞嚴重[1-3]，此時，斷層、破碎帶等不良地質的出現無疑會加劇上述巷道的破壞程度，使其穩定性控制難度大幅度提高[4]。

近年來，隨著研究的不斷深入，在深部斷層集中帶巷道的圍巖穩定性控制方面也取得了較多的成果。顧士超等[5]針對星村煤礦深部斷層破碎帶巷道設計了錨注加固技術；謝小平等[6]針對大磨嶺煤礦深部破碎圍巖提出了不對稱“錨網索噴”二次聯合支護技術；高杰等[7]針對南屯礦西北軌道運輸上平巷穿斷層支護問題，提出了分步聯合支護技術方案；王琦等[8]針對深部斷層構造破碎帶等條件下的難支護巷道，提出U型約束混凝土拱架新型支護技術。上述技術在特定巷道中的頂板、兩幫穩定性控制方面取得了一定的效果，但由于對底板巖體缺少必要的控制措施，限制了技術的推廣應用。根據協同錨固理論[9-11]，圍巖穩定性控制是多尺度、多層次控制變量的競爭與合作過程，一個合理的控制技術既要做到支護結構自身效能的最大發揮，也有做到錨固結構支架的協同作用，巷道底板的破壞必然使得兩幫錨固體失去堅實的“基礎”，兩幫錨固體的破壞也必然增加頂板的計算跨度，巷道的支護設計應該是全斷面進行，尤其是針對深部斷層帶集中的巷道，圍巖穩定性的全斷面設計更加重要。

本文以車集煤礦28軌道下山過斷層集中帶段巷道為研究對象，通過地質雷達對巷道破壞范圍進行全面檢測，利用協同錨固理論對巷道穩定性控制進行設計，提出深部斷層集中帶巷道全斷面協同錨固技術，并進行現場應用，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

車集煤礦28軌道下山埋深為-850 m，屬于深部巷道，設計凈寬4 500 mm，凈高3 750 mm，施工坡度為10°下山施工，原巷道頂幫為錨網索噴支護，底板未錨固。在地質分布方面，在2803下山底抽巷車場入口前方約100 m范圍內，巷道連續穿越5條斷層，地質剖面如圖1所示，巷道出現幫部收縮、底鼓及幫頂開裂及網兜現象，幫部收縮量200～500 mm，底鼓量超過600 mm，頂板下沉量超過200 mm，隨經多次返修，但效果并不顯著，給煤礦生產帶來了嚴重影響。

圖1 28軌道下山部分巷道地質剖面Fig.1 Geological section of part of roadway in the 28 track downhill

2 巷道破壞范圍探測

為了確定圍巖破壞深度，采用美國SIR-3000便攜式地質雷達，沿巷道走向分頂板、右幫、左幫、底板4條測線對圍巖破壞范圍進行測試，測試結果如圖2所示。經專用軟件對圖像解析可知，頂板、右幫、左幫和底板的破壞范圍分別為2.0～2.2、 2.0～2.4、 2.0～2.2、2.0～2.2 m。

圖2 28軌道下山雷達探測剖面Fig.2 28 track downhill radar detection profile

3 全斷面協同錨固設計

3.1 錨固參數設計

在對錨固機理、參數設計、施工方法等系統研究的基礎上，根據圍巖破壞范圍實測結果，利用協同錨固理論[9-12]，以“高預緊力、高錨固力、高強度、高剛度和高承載能力”為設計原則和目標要求，從錨桿—錨索結構布置、桿體長度、鉆裝角度、錨固長度、預應力施加、連鎖方式等多個層面開展協同錨固技術及變量參數設計，詳細設計參數如下。

(1)兩幫和頂板加固。①選用φ22 mm×2 800 mm高強錨桿，錨桿間排距均為700 mm，錨桿起錨高度200 mm，底腳錨桿打設角度與水平方向夾角為45°左右，選用2卷2550錨固劑，錨固長度不小于1 m，施加扭矩不小于300 N·m(采用風動扳手，以下同)，金屬網網片規格2 000 mm×900 mm，網格規格70 mm×70 mm，網片搭接不小于70 mm，搭接處均使用雙股14號鐵絲連網，連網間距不大于200 mm。②沿巷道斷面方向，用鋼筋梯(或鋼帶)將錨桿連接為一整體，鋼筋梯采用直徑14 mm圓鋼焊接而成，眼距700 mm，兩端預留長度100 mm，每條鋼筋梯的眼數可以根據自身具體情況確定，搭接點位置沒有特殊要求，只要保證整個橫斷面鋼筋梯的連續即可。③每個斷面頂拱及兩幫共鉆裝7根錨索，其中，頂板5根，底角2根，直徑均為21.6 mm，底角錨索長度5 200 mm，距底板距離不超過500 mm，其他錨索長7 200 mm，間排距均為1 600 mm，錨固長度為2 m(用4卷2550錨固劑)，張拉力120～150 kN(30～35 MPa)，每根錨索配用一個托盤，規格為300 mm×300 mm×20 mm。④沿巷道走向，使用鋼筋梯將錨索連接在一起，鋼筋梯采用φ14 mm圓鋼焊接而成，長度3 400 mm，眼距1 600 mm，兩端預留長度100 mm。⑤錨桿附件自下而上的疊放順序：金屬網→鋼筋梯→托盤→螺母；錨索附件自下而上的疊放順序：金屬網→鋼筋梯→托盤→錨具；錨桿和錨索鋼筋梯之間的疊放順序為：連接錨固的鋼筋梯在下，連接錨索的鋼筋梯在上。

(2)底板加固。①錨索選用φ21.6 mm×7 200 mm鋼絞線錨索，每排3根，間排距均為1 600 mm，錨固長度為2 m(用4卷2550錨固劑)，張拉力為120～150 kN(30～35 MPa)，每根錨索配用一個托盤，規格為200 mm×200 mm×20 mm。 ②錨索垂直于底板安裝，沿巷道橫向斷面，使用槽鋼進行連接，槽鋼規格為16號礦用槽鋼，長度3 800 mm，眼距1 600 mm，兩端預留長度300 mm。沿巷道走向，使用W鋼帶連接，鋼帶規格為寬度280 mm，厚5 mm，長度3 800 mm，眼距1 600 mm，兩端預留長度300 mm。為了提高底板表面的抗拉強度、增加錨固的整體性，可在底板鋪設鋼筋網，規格同兩幫。金屬網、托盤、鋼帶等自下而上的疊放順序：金屬網→鋼帶→槽鋼→托盤→錨具。③由于底板較為破碎，考慮到鉆孔時成孔有難度，影響到錨索安裝，可以在錨索施工前先進行底板注漿。

(3)噴射混凝土加固方案。兩幫開挖以后，先噴100 mm混凝土(C20)，待錨網索施工完成后，再噴50～100 mm。支護橫斷面如圖3所示，頂底板平面布置如圖4和圖5所示。

圖3 支護橫斷面Fig.3 Supporting cross section

圖4 頂板支護平面Fig.4 Roof supporting plan

圖5 底板支護平面Fig.5 Floor supporting plan

3.2 錨固效果模擬研究

為了對上述設計效果進行評價，采用FLAC3D軟件對錨固效果進行模擬，建模時，沿巷道走向選取8.4 m，模型中間斷面巷道基本位于泥巖巖層中部，沿-10°傾角向下掘進，巷道頂板上部、左幫左側、右幫右側及底板下部巖層厚度均在20 m左右。

采用位移邊界，限制模型底面及四周的法相位移，頂面施加法相應力，模擬上部巖體自重，根據地應力測試結果，施加構造應力。采用漸變網格劃分，靠近巷道附近網較密，遠離巷道網格較疏，共劃分161 075個節點和157 248個單元。在錨固結構模擬方面，采用cable單元模擬錨桿和錨索，shell單元模擬金屬網、鋼帶和槽鋼，beam單元模擬U形棚。

計算完成后，圍巖變形破壞云圖如圖6所示，錨固結構受力如圖7所示。

圖6 28軌道下山全斷面協同錨固效果模擬計算結果Fig.6 Simulation and calculation results of the full-face collaborative anchoring effect of 28 track downhill

由圖6和圖7可以看出，全斷面協同錨固后，圍巖變形量得到了有效控制，頂板下沉量、底鼓量和兩幫收斂量分別為15.0、9.6、29.8 mm，兩幫塑性區厚度為1.2 m，底板塑性區厚度為0.4 m，圍巖穩定性得到有效控制。此外，錨桿軸力均在16 t左右，在鋼帶等連鎖結構的作用下，錨桿軸力彼此相互分擔，共同承載，使得頂板、兩幫錨桿軸力基本一致，錨桿受力十分均勻；在鋼筋梯、槽鋼等連鎖結構作用下，頂板、兩幫錨索軸力沿巷道走向也均勻分布，頂板及底板錨索軸力較大，約為28 t，底角錨索受力略顯較小，約為26 t?？偟膩砜?，新錨固方案下錨桿、錨索軸力通過鋼帶、槽鋼等附屬結構相互分擔，共同承受圍巖應力，協同錨固作用效果優異。

圖7 錨固結構軸力分布Fig.7 Distribution cloud diagram of anchored structure

3.3 錨固效果實測研究

為了進一步檢驗深部斷層集中帶巷道全斷面協同錨固技術的效果，在28軌道下山開展工業性試驗，并在距離2803下巷底抽巷車場入口30 m和80 m處布置2個監測斷面，其位置如圖8所示，對巷道表面位移進行監測，監測結果如圖9所示。

圖8 28軌道下山巷道監測斷面位置Fig.8 Location map of monitoring section of 28 track downhill roadway

分析圖9可知，巷道返修后，圍巖表面位移隨時間的增加而逐漸增大，約20 d后，保持穩定，最終28軌道下山兩幫收斂、頂板下沉和底板隆起量值分別約為24.0、14.0、8.8 mm，圍巖控制效果良好。

圖9 28軌道巷圍巖表面位移監測結果Fig.9 Surface displacement monitoring results of surrounding rock of 28 track roadway

4 結論

(1)基于協同錨固理論設計的深部斷層集中帶巷道全斷面協同錨固技術能全面發揮頂板、兩幫、底板錨固體的協同強化作用，消除了巷道圍巖軟弱部位的存在，28軌道下山巷道工程應用結果表明，頂板最大沉降量、兩幫最大收斂量、底板隆起量由返修前的200、500、600 mm降低到返修后的24.0、14.0、8.8 mm，且在施工結束后20 d左右變形趨于穩定，2019年年底至今基本沒有發生新的變形。

(2)相比其他控制技術，全斷面協同錨固技術除了巷道底板錨固施工略為復雜外，兩幫和頂板加固均采用比較常規的施工工序和工藝，沒有增加新設備、新材料，而且，在施工結束后1個月內圍巖變形均趨于穩定，既滿足了巷道穩定性控制要求，又節省了巷道修復費用，在該礦后續返修和新建巷道中，類似環境中使用全斷面協同錨固技術，累計節約直接成本超過480萬元，取得了較好的經濟效益和社會效益。