深部巖巷鉆孔卸壓支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

杜龍龍

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省礦井微震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000）

隨著淺部煤炭資源的開采殆盡，深部煤炭開采成為必然，然而深部高應(yīng)力條件下的巖巷支護(hù)問(wèn)題一直沒有得到較好的解決[1-2]。許多專家學(xué)者開展了相應(yīng)的研究。金珠鵬[3]采用數(shù)值模擬和力學(xué)分析的方法研究了深部采空應(yīng)力的演化特征，確定了沿空順槽的支護(hù)方案，有效減少了巷道變形；楊東啟[4]針對(duì)深部破碎圍巖巷道的控制難題，提出了“架棚+錨桿(索)+注漿”協(xié)同支護(hù)方案，取得了較好的控制效果；鞏志力[5]測(cè)試了深部軟巖巷道的松動(dòng)圈范圍，并基于數(shù)值模擬確定了最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)；王炳延[6]等分析了臨礦集團(tuán)深部巷道的變形原因，提出了高強(qiáng)錨索和注漿加固的支護(hù)方案，控制了巷道變形；孫利輝[7]等基于對(duì)深部巷道變形特征的分析，提出了連續(xù)雙殼加固的理念，并在陶二煤礦新南總巷中得到了驗(yàn)證；馬新世[8]針對(duì)深部大斷面巷道的變形嚴(yán)重問(wèn)題，提出了滯后注漿和強(qiáng)力錨索的礦壓控制方案，減少了巷道變形。東龐礦11 采區(qū)軌道巷圍巖變形破壞嚴(yán)重，返修周期短，為減少維修成本，開展了巖巷支護(hù)技術(shù)的研究。

1 概況

1.1 地質(zhì)條件

冀中股份東龐礦核定生產(chǎn)能力360 萬(wàn)t/a，屬于煤與瓦斯突出礦井，水文地質(zhì)類型為中等。礦井主采煤層為2 號(hào)煤，煤層厚度為2.5～5.5 m，平均厚度4.3 m，傾角3°～6°，平均4.5°，為近水平煤層。

11 采區(qū)軌道大巷沿煤層底板砂巖掘進(jìn)，埋深為590 m，巷道設(shè)計(jì)斷面4 600 mm×3 700 mm（寬×高），直墻半圓拱形。

1.2 初始支護(hù)

巷道掘進(jìn)采用的是錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿索參數(shù)見表1。支護(hù)完成后對(duì)巷道進(jìn)行噴漿封閉，厚度為120 mm。

表1 巷道支護(hù)參數(shù)Table 1 Roadway support parameters

2 巷道變形特征及原因分析

2.1 巷道變形特征

11 采區(qū)軌道巷掘進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，圍巖變形具有以下特征。

（1） 變形量大。巷道頂板出現(xiàn)噴層開裂，底臌嚴(yán)重。在上覆2 號(hào)煤層工作面回采期間，頂板巖層受擠壓出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，最大頂板下沉量達(dá)650 mm，兩幫移近量為900 mm。巷道經(jīng)歷了多次返修。

（2） 支護(hù)體損壞嚴(yán)重。巷道頂板多處出現(xiàn)噴層開裂，部分金屬網(wǎng)被扯斷，形成網(wǎng)兜。錨桿索的托盤外翻，部分錨桿索支護(hù)體出現(xiàn)斷裂，連接錨桿的鋼帶和梯子梁等斷裂，造成支護(hù)失效。

2.2 原因分析

（1） 巷道圍巖性質(zhì)的影響。現(xiàn)場(chǎng)取樣，對(duì)巷道砂巖進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測(cè)定，結(jié)果表明，其單軸抗壓強(qiáng)度23.7 MPa，抗拉強(qiáng)度2.54 MPa，圍巖強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力和承載能力差，難以保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定。

（2） 工作面回采的影響。11 采區(qū)軌道巷上方為21111 工作面，在回采期間變形明顯增大。工作面回采結(jié)束后，長(zhǎng)期受工作面殘余支承壓力的影響，如果支護(hù)強(qiáng)度不足，容易出現(xiàn)大變形。

（3） 其他方面的影響。巷道初始支護(hù)錨桿索的間距過(guò)大，支護(hù)密度低，導(dǎo)致巷道支護(hù)阻力不足，另巷道掘進(jìn)時(shí)采用的是炮掘施工，對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大。整條巷道采用的是同一支護(hù)方式，破碎地點(diǎn)缺少有效的加固措施，返修方式不合理，造成巷道反復(fù)破壞。

3 鉆孔卸壓支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 卸壓支護(hù)機(jī)理

煤礦進(jìn)入深部開采后，煤巖體長(zhǎng)期處于高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓及強(qiáng)時(shí)間效應(yīng)作用下，其組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應(yīng)均發(fā)生了根本性變化，巷道掘出后易表現(xiàn)出非線性大變形特征，支護(hù)和維護(hù)效果差，往往經(jīng)歷多次修復(fù)仍不能滿足礦井安全生產(chǎn)所需的斷面要求，嚴(yán)重制約了深部煤炭資源的安全高效開采。與傳統(tǒng)的錨桿索、架棚等支護(hù)不同，卸壓支護(hù)技術(shù)是通過(guò)一定的手段和方法，使得卸壓范圍內(nèi)的巖體發(fā)生破壞并喪失完整性，從而使得巖體的彈性模量減小，強(qiáng)度下降，有效的減小積聚在圍巖表面的能量并釋放巖體碎脹所產(chǎn)生的圍巖變形，改變高地應(yīng)力存在的條件，使積聚在巷道周邊的高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，使巷道周邊巖體的應(yīng)力狀態(tài)由高地應(yīng)力狀態(tài)向低地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變[9-11]。卸壓方式有鉆孔卸壓、開槽卸壓、松動(dòng)爆破卸壓、開掘卸壓巷道等多種方式，其中鉆孔卸壓的工作量小，工藝簡(jiǎn)單，施工速度快，應(yīng)用廣泛。

在井下掘進(jìn)巷道后，巷道淺部圍巖在集中應(yīng)力的作用下形成松動(dòng)圈，圍巖受到破壞，但具有一定的參與強(qiáng)度。鉆孔卸壓的原理類似。在煤巖體中施工鉆孔后，鉆孔周邊的煤體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，當(dāng)應(yīng)力高于煤體的強(qiáng)度時(shí)，在煤巖體周邊形成環(huán)狀破壞，依次形成破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)等。隨著時(shí)間的推移，破裂區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，促使應(yīng)力集中向鉆孔深部轉(zhuǎn)移，由此，原巷道周邊的應(yīng)力降低，同時(shí)鉆孔的施工為巷道變形提供了一定的空間，有利于減少變形。鉆孔卸壓的作用機(jī)理如圖1 所示。

圖1 鉆孔卸壓原理Fig.1 Principle of drilling pressure relief

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

基于鉆孔卸壓機(jī)理，結(jié)合東龐礦11 采區(qū)軌道巷的地質(zhì)條件，確定采用強(qiáng)力錨桿索+卸壓鉆孔+二次注漿的聯(lián)合控制方案。

3.2.1 錨桿索支護(hù)參數(shù)

返修施工中，首先將巷道擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)斷面，之后及時(shí)進(jìn)行混凝土初噴，防止圍巖風(fēng)化裂隙發(fā)育，噴層厚度20 mm。

巷道斷面擴(kuò)刷完成并初次噴漿后，要緊跟返修工作面進(jìn)行一次讓壓錨網(wǎng)索支護(hù)，如圖2 所示。支護(hù)方式為錨桿+讓壓管+網(wǎng)+錨索+噴射混凝土。錨桿為高強(qiáng)度左旋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ22 mm×2 400 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)。錨桿使用150 mm×150 mm×10 mm（長(zhǎng)×寬×厚） 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。錨索規(guī)格為φ21 mm×8 300 m，鉆孔深度8 000 mm，每排3 根，間排距1 500 mm×1 600 mm，配300 mm×300 mm×15 mm（長(zhǎng)×寬×厚） 的鋼托板。為增強(qiáng)錨索托板的作用效果，托板下放置一節(jié)長(zhǎng)300 mm 的14 號(hào)槽鋼，槽鋼的凹槽朝外。錨索使用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)片長(zhǎng)×寬為3 500 mm×1 000 mm，網(wǎng)片搭接100 mm，每隔200 mm聯(lián)網(wǎng)兩道，幫網(wǎng)與頂板網(wǎng)對(duì)接聯(lián)網(wǎng)。同一排錨桿使用φ14 mm 的鋼筋梯子梁連接。

圖2 錨桿索支護(hù)方案Fig.2 Anchor cable support scheme

在遇頂板破碎或構(gòu)造段時(shí)，應(yīng)將錨桿間距縮小至700 mm，并在兩排錨索中間增加2 根錨索，形成“五花”布置。在必要時(shí)增加棚式支護(hù)，保證巷道穩(wěn)定。

3.2.2 卸壓鉆孔及卸壓槽施工

一次讓壓錨網(wǎng)索支護(hù)完成后，滯后支護(hù)工作面5～10 m 施工大直徑卸壓鉆孔。依據(jù)合理的卸壓鉆孔參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)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115 mm，長(zhǎng)度10 m；每排兩幫各布置2 個(gè)鉆孔，兩幫鉆孔間距1 000 mm，排距800 mm；頂板布置單排鉆孔，排距1 600 mm，卸壓鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 卸壓鉆孔布置Fig.3 Layout of pressure relief borehole

幫部卸壓鉆孔施工完畢后進(jìn)行卸壓槽施工，結(jié)合設(shè)計(jì)巷道斷面，軌道的鋪設(shè)要給卸壓槽留出施工的空間，施工時(shí)采用放松動(dòng)炮配合人工開挖。

3.2.3 高水材料注漿加固

待巷道卸壓鉆孔基本處于閉合狀態(tài)后，及時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行二次高強(qiáng)錨注支護(hù)。巷道注漿加固前，對(duì)圍巖表面噴射一層30 mm 厚混凝土止?jié){層，待巷道表面混凝土噴層完全硬化后，對(duì)巷道全斷面進(jìn)行注漿加固，注漿孔直徑42 mm，頂幫注漿孔深4 m，底板注漿孔深3 m，注漿孔排距1.6 m，即每?jī)膳佩^桿施工一個(gè)注漿孔，注漿孔施工時(shí)遠(yuǎn)離卸壓鉆孔位置，布置在鋼筋梯子梁附近。

注漿材料選用高水材料，水灰比1.5∶1，注漿壓力一般不超過(guò)2 MPa，圍巖及破碎區(qū)注漿壓力小于1 MPa，注漿管采用鋼管制作，外徑20 mm，內(nèi)徑15 mm，壁厚2.5 mm，頂幫注漿管長(zhǎng)度2 500 mm，底板注漿管長(zhǎng)度2 000 mm，注漿管出漿孔直徑6 mm，尾部加工30 mm 長(zhǎng)螺紋，用于連接注漿管路。

3.3 應(yīng)用效果

為驗(yàn)證支護(hù)效果，在返修段巷道設(shè)置測(cè)點(diǎn)，采用“十字布點(diǎn)法”對(duì)巷道表面位移進(jìn)行觀測(cè)。測(cè)點(diǎn)間距為30 m，共設(shè)置5 個(gè)。其中3 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于中間位置，其觀測(cè)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 巷道變形觀測(cè)結(jié)果Fig.4 Observation results of roadway deformation

觀測(cè)結(jié)果表明，整修后的巷道初始變形較為劇烈，變形速度快。但由于巷道已經(jīng)經(jīng)歷了多次卸壓，劇烈變形持續(xù)時(shí)間較短，10 d 左右巷道變形基本達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)行流變狀態(tài)，變形速度變慢。觀測(cè)期內(nèi)的頂板下沉為46 mm，底臌值為24 mm，兩幫移近量為20 mm。

4 結(jié)論

（1） 由于巷道圍巖強(qiáng)度低，21111 工作面回采以及錨桿索支護(hù)密度低等原因，11 采區(qū)軌道巷出現(xiàn)了變形大、支護(hù)體損壞嚴(yán)重的現(xiàn)象，經(jīng)歷了多次返修，維護(hù)成本高。

（2） 在巷道煤巖體中施工鉆孔后，在鉆孔周邊依次形成環(huán)狀分區(qū)破壞，隨著破裂區(qū)的增大，集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，原巷道位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，同時(shí)，鉆孔可為巷道提供緩沖，減少變形量。

（3） 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，確定了強(qiáng)力錨桿索+卸壓鉆孔+二次注漿的聯(lián)合控制方案。應(yīng)用表明，11 采區(qū)軌道大巷劇烈變形時(shí)間短，變形值小，巷道穩(wěn)定，可為類似條件下巷道支護(hù)提供參考。