深井軟巖巷道強力一次性支護技術研究及應用

唐世界

(河南能源焦煤公司趙固二礦，河南 新鄉 453000)

隨著我國煤礦進入深部開采，礦井所面臨的地質條件愈加復雜，需要解決的生產技術問題更加棘手。礦井的開拓巷道一般布置在巖層當中，圍巖屬性包含泥巖、砂巖砂質泥巖等，有時巷道需布置在泥巖等軟弱巖層當中，深井軟巖巷道在高應力環境下易發生顯著變形，若巷道支護方案制定不合理，后期需投入大量的人力物力進行維護，嚴重影響礦井安全高效生產。為解決深井軟巖巷道變形顯著問題，專家學者開展了大量的工作研究高應力軟巖巷道圍巖破壞失穩機理及變形控制機制，并取得了豐富的理論成果和實踐成果。

針對深井軟巖巷道變形顯著問題，康紅普等[1]分析研究了新汶千米深井軟巖巷道變形特征，提出了錨注聯合支護圍巖加固技術，能夠有效控制巷道圍巖變形；李為騰等[2]針對趙樓煤礦開采條件，研究分析了高應力環境下軟巖巷道支護體系作用機制，并提出通過拱架支護來抑制高應力軟巖巷道圍巖失穩；余偉健等[3]研究分析高應力軟巖巷道的變形機理，提出了“錨桿、金屬網、噴漿、錨索、注漿和底板錨索”的綜合支護方式控制巷道圍巖變形；王襄禹等[4]提出了錨注結構承載力的計算公式，有利于預測錨注支護軟巖巷道變形情況；謝生榮等[5]為控制深部軟巖巷道變形，研究得出錨噴注強化承壓拱支護技術；康紅普等[6]認為錨桿預緊力是決定支護效果的關鍵因素，提出通過高預緊力、強力錨桿的使用，配合注漿加固，能實現對軟巖巷道大變形的有效控制；蔣敬平等[7]基于深井巷道軟巖大變形力學特性，探索研究了高強錨注支護作用機理，其研究認為通過高強全錨注支護可實現由傳統端錨向全錨的轉變，不僅增強了圍巖的承載能力，同時增大了支護系統的有效承載范圍；其他學者[8-10]針對高應力軟巖巷道支護進行了大量的研究工作，且治理成效明顯。

綜上所述，高應力軟巖巷道支護問題是影響礦井生產的難題之一，筆者針對14040工作面下順槽底抽巷圍巖變形情況，分析圍巖變形破壞原因，提出強力一次性支護技術控制軟巖巷道圍巖變形，數值模擬研究圍巖控制效果，并通過現場觀測驗證支護效果。

1 工程概況

1.1 研究背景

河南能源集團趙固二礦為煤與瓦斯突出礦井，目前正在回采14030綜采工作面，原設計在14040工作面順槽掘進過程中施工順層鉆孔消突，但經主管部門審核認為不能實現完全消除突出風險，需根據《防治煤與瓦斯突出細則》進行瓦斯治理，設計施工了14040工作面下順槽底抽巷，但存在采掘接替緊張問題，同時14040工作面下順槽底抽巷地質條件復雜，因此需要在滿足巷道圍巖變形控制要求的前提下，提出一種快速高效的支護方案。

1.2 研究區域概況

1) 14040工作面下順槽底抽巷開采條件。礦井主采二疊系山西組二1煤層，該煤層為單一近水平煤層，煤層傾角為4°～10°，厚度為4.73～6.77 m，平均厚度為6.16 m。煤層直接頂由灰黑色砂質泥巖和灰色泥巖組成，老頂為大占砂巖組成；煤層直接底為灰黑色砂質泥巖和灰色泥巖，老底為L9灰巖。14040工作面下順槽底抽巷掘進層位主要位于二1煤層底板與L9灰巖附近，結構較簡單，為穩定層位。14040工作面底抽巷綜合柱狀如圖1所示。

圖1 14040工作面下順槽底抽巷綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of bottom drainage roadway in 14040 working face

14040工作面下順槽底抽巷位于礦井四盤區中部，設計頂板標高-673.0～-765.2 m，總工程量2 539.15 m，位于14040工作面下順槽正下方。東北側為未開采的14040工作面，西南側為未開采的14050工作面，西北接西軌道大巷，如圖2所示。

圖2 14040工作面下順槽底抽巷位置示意圖Fig.2 Location map of bottom drainage roadway in 14040 working face

2) 14040工作面下順槽底抽巷原支護設計。14040工作面下順槽底抽巷原設計為半圓拱形斷面，支護形式為初噴50 mm+錨網索+U36鋼棚+復噴100 mm+注漿聯合支護，原支護設計如圖3所示。

圖3 14040工作面下順槽底抽巷原設計支護斷面圖Fig.3 Original design support cross section of bottom drainage roadway in 14040 working face

①一次支護：初噴50 mm+錨網索。 錨桿規格：Φ20 mm×3 200 mm，間排距：800 mm×800 mm，錨固長度≥1 000 mm，錨桿設計錨固力100 kN；錨索規格：Φ21.6 mm×6 250 mm，間排距：1 600 mm×1 600 mm，錨固長度≥2 000 mm，錨索預緊力不低于350 kN。

②二次支護：U36鋼棚+復噴100 mm+注漿。U36鋼棚為單棚，U鋼棚間距為中對中600 mm，架棚結束后進行復噴，噴砼厚度100 mm，強度為C25。采用深淺孔交替注漿方式(一排深孔，一排淺孔)，對巷道全斷面進行注漿，深孔孔深為4 000 mm，淺孔孔深度為2 500 mm，注漿管規格：Φ25 mm×2 000 mm，注漿孔間排距為1 600 mm×1 600 mm，巷道注漿終壓≥3 MPa，注漿水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，漿液配合比為水∶水泥=1∶0.6～0.8。

3) 原支護效果?，F場礦壓觀測數據顯示，原支護方案下巷道掘成后一周內，變形速率均值可達12～15 mm/d，峰值可達112 mm/d，觀測得到的頂底板移近量達1.1～1.9 m，兩幫收斂量達0.8～1.5 m。通過對觀測數據的分析研究，發現巷道掘成后需經歷32～56 d才能達到穩定狀態，圍巖條件較差時變形周期甚至長達半年。

2 巷道圍巖變形原因分析及控制技術

2.1 巷道變形原因分析

受巷道開挖后重新調整的應力作用，巷道圍巖沿徑向由內而外形成破碎區、塑性區和彈性區，巷道支護后，在支護體和圍巖自身承載的作用下巷道圍巖可大致形成內外兩個承載結構，如圖4所示，外承載結構即應力峰值區附近彈塑性煤巖體，包括小部分塑性區和彈性區的圍巖；內承載結構即巷道淺部以錨固體、注漿體及支架等為主的支護結構，包括破碎區和大部分塑性區的圍巖。

圖4 深部軟巖巷道承載結構示意Fig.4 Bearing structure of deep soft rock roadway

根據彈塑性區應力連續方程可得到巷道塑性區及破碎區半徑見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Rs為破碎區半徑；R0為巷道半徑；Rp為塑性區半徑；σRp為彈塑性區交界面處的應力；C為巖體內聚力；φ為內摩擦角；Q為巖體強度軟化模量；η為塑性軟化區圍巖擴容梯度。

14040工作面下順槽底抽巷開挖后，軟弱圍巖初始應力平衡狀態發生改變，使圍巖應力由三向受力轉變為二向受力。14040工作面下順槽底抽巷巷道底板和幫部圍巖為泥巖和砂質泥巖，內部天然發育節理裂隙，巖體承載能力差，且遇水易泥化膨脹；同時巷道平均埋深700 m，圍巖所承受的原巖應力水平較高。深部高應力環境條件下，圍巖發生塑性變形，宏觀表現為巷道幫鼓、底鼓。由于巷幫承載能力差，無法承受上覆巖層重力載荷，巷幫被壓縮后頂板發生下沉變形。結合巷道現場情況對式(1)和式(2)分析可知，原支護圍巖控制效果不佳的根本原因是泥巖受擾動易破壞，同時對塑性破壞區的支護強度不夠，巷道注漿管注漿深度存在限制，未能完全對塑性破壞區進行注漿改性，使得圍巖形成承載結構，提升巷道圍巖承載性能。

2.2 深井軟巖巷道變形控制機理

設外承載結構承擔著巷道圍巖一半的應力增大載荷，同時以塑性區切向應力為1.1倍原巖應力處為外承載結構內半徑，因此外承載結構內、外半徑計算見式(3)。

(3)

通過對式(3)分析可知，當巷道圍巖的內聚力和內摩擦角較大時，即巖層強度較高時，巷道圍巖塑性區較小，淺部圍巖起主要承載作用，巷道容易維護。隨著巷道圍巖破碎區及塑性區發育，外承載結構遠離巷道，巷道難以維護。因此深井軟巖巷道變形控制的思路為提高巷道淺部圍巖的承載能力、控制外承載結構位置，通過增大內承載結構支護強度、圍巖內聚力和內摩擦角以及減小擾動影響程度，能夠使外承載結構靠近巷道、外承載結構厚度減小，提高巷道淺部圍巖的承載能力。

2.3 強力一次性支護技術

基于上述分析，提出采用強力一次性支護技術控制巷道圍巖變形。同原支護方案相比，強力一次性支護技術取消了架棚支護，將半圓拱形斷面優化為矩形斷面、錨桿支護優化為全錨索支護、增加注漿錨索支護等。14040工作面下順槽底抽巷優化后支護形式為初噴50 mm+錨網索+復噴100 mm+補強錨網索支護+注漿聯合支護。

1) 支護參數。一次支護形式為初噴50 mm+錨網索。 頂板錨索規格：Φ21.6 mm×3 250 mm，間排距800 mm×800 mm。 幫部錨索規格：Φ21.6 mm×3 250 mm，間排距800 mm×800 mm。

二次補強支護形式為復噴100 mm+頂底板注漿錨索。頂板注漿錨索規格：Φ22 mm×6 250 mm，間排距1 600 mm×1 600 mm；底板注漿錨索規格：Φ22 mm×6 250 mm，間排距1 300 mm×1 600 mm。

2) 錨索預緊力要求。Φ21.6 mm錨索預緊力不低于350 kN；Φ22 mm注漿錨索初次預緊力100 kN，注漿后二次緊固預緊力不小于350 kN。

3) 注漿參數。巷道注漿為全斷面注漿，頂板和底板注漿均采用注漿錨索進行注漿，幫部注漿采用金屬焊管進行注漿。

頂板注漿錨索要求初次預緊后進行注漿，待漿液凝固后(凝固期3 d)，對注漿錨索進行二次緊固；底板注漿錨索直接注漿錨固，不再進行初次預緊。

幫部注漿方式為深淺孔交替注漿(一排深孔，一排淺孔)，深孔孔深為4 000 mm，淺孔孔深為2 500 mm，注漿管規格：Φ25 mm×2 000 mm，注漿孔間排距為1 600 mm×1 600 mm，巷道注漿終壓不小于3 MPa，注漿水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，漿液配合比為水∶水泥=1∶0.6～1∶0.8。14040工作面下順槽底抽巷優化后支護斷面圖如圖5所示。

圖5 14040工作面下順槽底抽巷強力一次性支護斷面圖Fig.5 Strong one-time support cross section of bottom drainage roadway in 14040 working face

2.4 強力一次性支護圍巖控制效果

基于14040工作面下順槽底抽巷地質條件，建立了FLAC3D數值模型模擬強力一次性支護方案下巷道圍巖變形控制效果。 模型長105.8 m，寬50 m，高85.8 m，共有65 100單元體，模型計算采用摩爾-庫侖準則，14040工作面底抽巷數值計算模型圖如圖6所示。

圖6 14040工作面底抽巷數值計算模型圖Fig.6 Numerical simulation model of bottom drainage roadway in 14040 working face

巷道塑性區分布及圍巖變形情況如圖7所示。由圖7可知，采取強力一次性支護方案后，頂板及底板塑性破壞深度為2.5 m，兩幫塑性破壞深度為1.1 m；頂板下沉量為226 mm，底鼓量為187 mm，兩幫變形量為268 mm。數值模擬結果顯示巷道整體變形量較小，可進一步開展現場試驗驗證強力一次性支護方案的圍巖控制效果。

圖7 強力一次性支護圍巖變形控制效果數值模擬Fig.7 Numerical simulation of surrounding rock deformation control effect of strong one-time support

3 現場應用情況

3.1 巷道變形情況

為驗證強力一次性支護技術圍巖控制效果，在14040工作面下順槽底抽巷安設表面位移測站，采用“十”字觀測法測定巷道頂底板、兩幫移近量，掘進期間巷道圍巖相對變形量隨時間的變化情況見圖8。由圖8可知，在采用強力一次性支護技術后，巷道頂底板移近量及兩幫移近量隨時間均呈現出先增大后趨于穩定的變化規律。在巷道掘成初期階段(一周左右)，巷道頂底板和兩幫位移變化明顯；隨著掘進工作面不斷前進(一周后)，其巷道圍巖變形速率開始降低至趨于穩定。在巷道圍巖變形趨于穩定后，監測到的巷道頂板下沉量110 mm，底鼓量200 mm，兩幫收縮量190 mm，符合設計要求，能夠滿足掘進和打鉆平行作業需要。綜上所述，在采用強力一次性支護技術支護后，支護系統能有效控制軟弱圍巖巷道變形，保障巷道服務期間的正常使用。

圖8 巷道變形量曲線Fig.8 Deformation curve of roadway

3.2 技術經濟效益

與以往架棚支護相比，強力一次性支護材料成本低，支護材料成本明顯減少。14040工作面下順槽底抽巷每米支護成本為12 300元，架棚支護每米支護成本為17 500元，每米巷道節約支護材料成本5 200元，預計巷道節約1 090余萬元。原架棚支護與強力一次支護材料成本計算表見表2。

表2 巷道支護材料成本Table 2 Cost of roadway support materials

14040工作面下順槽底抽巷采用EBZ318(H)型綜掘機施工配合強力一次性支護技術后，單進水平顯著提升，與前期施工相比，單進水平提高2倍。

表1 數值模擬計算巖體力學參數表Table 1 Mechanical parameters for the numerical simulation

圖9 14040工作面下順槽底抽巷支護效果圖Fig.9 Support effect of bottom drainage roadway in 14040 working face

4 結 論

1) 針對14040工作面下順槽底抽巷原支護變形顯著問題展開分析，得出原支護失效的原因是深井巷道圍巖承受的應力水平較高，受掘進擾動疊加作用泥巖發生變形破壞，而原支護系統支護強度不足，圍巖難以形成整體承載結構。

2) 深井軟巖巷道變形控制的思路為提高巷道淺部圍巖的承載能力、控制外承載結構位置，通過增大內承載結構支護強度、圍巖內聚力和內摩擦角以及減小擾動影響程度，能夠使外承載結構靠近巷道、外承載結構厚度減小，提高巷道淺部圍巖的承載能力。

3) 現場觀測結果顯示巷道變形穩定周期為12 d，巷道圍巖變形趨于穩定后，巷道頂板下沉量為110 mm，底鼓量為200 mm，兩幫收縮量為190 mm，巷道變形量在可控范圍內，能夠滿足行人運料要求。

4) 14040工作面下順槽底抽巷強力一次性支護技術實施以來，提高了巷道支護強度，有效控制了巷道變形，降低了支護成本，提高了礦井巷道掘進單進水平，表明通過采用強力一次性支護技術，能有效控制深部軟巖巷道變形，保障巷道服務期間的正常使用。