千米深井大斷面軟巖巷道聯(lián)合控制技術(shù)

張廣超 謝國(guó)強(qiáng) 楊軍輝 龐茂瑜 張興娜 李二鵬

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.冀中能源股份有限公司邢東礦，河北省邢臺(tái)市，054000）

冀中能源股份有限公司邢東礦－980 m大巷埋深達(dá)千米以上，圍巖呈現(xiàn)軟巖特性，巷道使用過(guò)程中發(fā)生持續(xù)變形，支護(hù)系統(tǒng)損毀嚴(yán)重，多次擴(kuò)刷整修，仍未能有效控制巷道大范圍變形。本文在分析軟巖巷道變形機(jī)制的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐條件，提出了 “錨網(wǎng)梁＋U型鋼支架＋噴漿、壁后注漿”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，成功解決了－980 m軟巖巷道大變形問(wèn)題，并為深部軟巖巷道支護(hù)提供了技術(shù)支撐。

1 工程概況

冀中能源股份有限公司邢東礦位于邢臺(tái)市東北約4 km處，井田面積14.5113 km2，地層平緩，傾角一般在10～15°之間。采深600～1300 m，分－760 m和－980 m兩水平開(kāi)拓，是華北地區(qū)煤層賦存最深的礦井之一。－980 m大巷于2006年掘成，半圓拱形斷面，寬4.5 m，高3.5 m，斷面面積為15.75 m2，是邢東礦二水平主要軌道運(yùn)輸及進(jìn)風(fēng)的永久性大巷。巷道埋深1040 m，依次穿過(guò)野青灰?guī)r，主采2＃煤層以下45 m左右為灰色和深灰色、含植物化石碎片。

巷道原有支護(hù)形式為錨網(wǎng)噴支護(hù)，使用不到一年，巷道便出現(xiàn)大變形，頂板下沉量達(dá)159 mm，兩幫移近量404 mm，底臌量達(dá)132 mm，變形后巷道斷面面積僅為5.58 m2，且變形仍以2.2 mm／d的速度增長(zhǎng)，需要不停地進(jìn)行臥底、刷幫、補(bǔ)強(qiáng)等整修工作，有時(shí)還需要處理冒頂。巷道支護(hù)系統(tǒng)嚴(yán)重破壞，肩、幫部大面積的開(kāi)裂片幫，多處出現(xiàn)網(wǎng)兜，噴漿層多處開(kāi)裂，局部甚至出現(xiàn)斷錨索、斷錨桿、斷槽鋼現(xiàn)象。針對(duì)邢東礦－980 m大巷破壞特征，需結(jié)合軟巖巷道變形機(jī)制和支護(hù)特征確定相應(yīng)的控制對(duì)策。

2 深井軟巖巷道維護(hù)特點(diǎn)及控制對(duì)策

2.1 深井軟巖巷道變形機(jī)制及支護(hù)要點(diǎn)

2.1.1 深井軟巖巷道變形機(jī)制

巷道開(kāi)挖后原巖應(yīng)力重新分布，在巷道邊緣一定范圍內(nèi)產(chǎn)生數(shù)倍于原巖應(yīng)力的集中應(yīng)力，當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度極限時(shí)，圍巖將出現(xiàn)塑性變形，從巷道邊緣到深部一定范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性變形區(qū)，同時(shí)集中應(yīng)力向圍巖深部移動(dòng)。塑性變形區(qū)內(nèi)部分圍巖強(qiáng)度明顯削弱，出現(xiàn)松動(dòng)破壞，稱為不穩(wěn)定塑性區(qū)；未出現(xiàn)松動(dòng)性破壞的區(qū)域稱為穩(wěn)定塑性區(qū)。在各向等壓條件下，圓形巷道塑性區(qū)半徑R與周邊位移u的計(jì)算式為：

式中：P——原巖應(yīng)力，MPa；

Pi——支護(hù)阻力，MPa；

r0——巷道半徑，m；

φ——巖石內(nèi)摩擦角，（°）；

C——巖石內(nèi)聚力，MPa；

G——巖石剪切彈性模量，GPa。

由式（1）、式（2）可知巷道塑性區(qū)半徑與周邊位移主要取決于原巖應(yīng)力P、反應(yīng)圍巖強(qiáng)度性質(zhì)的內(nèi)摩擦角φ以及巖石內(nèi)聚力C。與淺部地層相比，深部地層地應(yīng)力高、巖體松軟、強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力極差，P取值大，C、φ取值較小，因此軟巖巷道塑性區(qū)范圍和周邊位移都將劇增，表現(xiàn)為巷道頂板下沉量大，兩幫收斂明顯。此外，軟巖巷道變形具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，一般呈現(xiàn)蠕變變形三階段的規(guī)律，初始變形速度較大，變形量大，變形穩(wěn)定后仍以較大速度產(chǎn)生流變，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.1.2 深井軟巖巷道支護(hù)機(jī)理

軟巖巷道淺部圍巖出現(xiàn)塑性變形是不可避免的，其支護(hù)關(guān)鍵在于充分發(fā)揮穩(wěn)定塑性區(qū)圍巖的塑性承載能力。針對(duì)初期來(lái)壓快、變形大、速度快的特點(diǎn)，應(yīng)選用同時(shí)具備適宜剛度和一定可縮性的柔性支架及時(shí)支護(hù)，一方面允許巷道出現(xiàn)變形，以便圍巖中形成承載結(jié)構(gòu)，達(dá)到塑性區(qū)最大承載能力；另一方面又要限制圍巖變形，以免變形過(guò)大圍巖破壞而喪失承載能力。針對(duì)軟巖巷道后期表現(xiàn)出的較強(qiáng)流變特性，要保證巷道較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定和服務(wù)期的安全，需選用具有較高支護(hù)阻力的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)巷道進(jìn)行二次支護(hù)，二次支護(hù)應(yīng)在初次支護(hù)尚未失效，圍巖移近速度已經(jīng)很小的適當(dāng)時(shí)間進(jìn)行。此外，軟巖巷道變形破壞是個(gè)漸變過(guò)程，巷道環(huán)向非對(duì)稱受壓，往往在兩幫、頂?shù)捉堑缺∪醪课皇紫瘸霈F(xiàn)破壞，繼而引發(fā)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞失穩(wěn)，需對(duì)薄弱部位加強(qiáng)支護(hù)。

2.2 深井軟巖巷道變形控制對(duì)策

2.2.1 巷道破壞原因分析

根據(jù)上述深井軟巖巷道變形機(jī)制及支護(hù)機(jī)理的分析，綜合－980 m大巷地質(zhì)生產(chǎn)條件及相關(guān)區(qū)域巷道破壞特征，認(rèn)為造成巷道圍巖持續(xù)變形的主要因素有：

（1）高地應(yīng)力是巷道變形失穩(wěn)的主要原因。－980 m大巷埋深1040 m，地應(yīng)力高達(dá)25 MPa，開(kāi)挖引起的集中應(yīng)力系數(shù)2～3，圍巖一直處于高應(yīng)力狀態(tài)。

（2）構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜。巷道為穿層巷道，穿過(guò)數(shù)個(gè)地質(zhì)層位，且中小斷層發(fā)育，地質(zhì)條件、構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜。

（3）圍巖強(qiáng)度低、承載能力差。－980 m大巷軟巖特征明顯，屬V類不穩(wěn)定巖層，圍巖單軸抗壓強(qiáng)度小于20 MPa，圍巖承載能力差，極易發(fā)生塑性破壞。

（4）巷道底板未進(jìn)行有效支護(hù)成為圍巖壓力釋放的突破口，引起大面積底臌，進(jìn)而引發(fā)兩幫頂板破壞，導(dǎo)致支護(hù)體系承載結(jié)構(gòu)破壞。

（5）支護(hù)參數(shù)不合理。－980 m大巷圍巖松散軟弱加之多次修復(fù)擾動(dòng)影響，圍巖松動(dòng)范圍大，錨桿不能錨固在松動(dòng)圈以外的穩(wěn)定巖層中，錨固力衰減甚至喪失，難以控制圍巖塑性圈的發(fā)展。

2.2.2 千米深井軟巖巷道聯(lián)合控制對(duì)策

結(jié)合邢東礦－980 m大巷地質(zhì)生產(chǎn)條件，以深井軟巖巷道圍巖控制理論為基礎(chǔ)，提出了 “錨網(wǎng)梁＋U型鋼支架＋噴漿、壁后注漿”的聯(lián)合支護(hù)方案。該技術(shù)方案將錨網(wǎng)梁主動(dòng)支護(hù)和U型鋼可縮型支架初撐力高、支護(hù)強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，此外壁后注漿又充分提高了圍巖強(qiáng)度，使得支護(hù)體系與圍巖相互作用形成共同承載體系，充分發(fā)揮圍巖塑性區(qū)承載能力，保持圍巖的穩(wěn)定。其原理分析如下：

（1）錨網(wǎng)梁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有薄、柔，與圍巖緊貼和早強(qiáng)的特性，是理想的初始支護(hù)方案。軟巖巷道開(kāi)挖后，選擇具有合適預(yù)緊力的高強(qiáng)錨桿及時(shí)支護(hù)，使圍巖封閉處于三向受力狀態(tài)，避免錨固區(qū)內(nèi)圍巖離層、滑動(dòng)和擴(kuò)容，改善圍巖力學(xué)性能，強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度，提高塑性區(qū)圍巖承載能力；同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定可縮性，允許圍巖在巷道安全的條件下出現(xiàn)一定量變形，釋放變性能。

（2）待一次支護(hù)巷道變形穩(wěn)定后，選用U型鋼可縮性環(huán)形支架進(jìn)行二次支護(hù)，其較高的初撐力和支護(hù)強(qiáng)度可以增大圍巖壓力，限制圍巖變形，提高圍巖強(qiáng)度，給巷道提供最終支護(hù)強(qiáng)度和剛度；在U型鋼支架和錨網(wǎng)梁間充填袋裝碎渣，可將圍巖壓力均勻作用在環(huán)形支架上，改善支架受力狀態(tài)，提高圍巖強(qiáng)度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩幫、頂角等薄弱部位的加強(qiáng)支護(hù)。

（3）在圍巖表面噴漿封堵了圍巖裂隙，隔絕了空氣，防止圍巖受水以及風(fēng)化作用的影響而降低本身的強(qiáng)度；低壓力注漿改善了巖體弱面的力學(xué)性能，增大巖體內(nèi)部各結(jié)構(gòu)面的相對(duì)位移阻力，提高圍巖強(qiáng)度，改善圍巖狀態(tài)，同時(shí)加強(qiáng)了錨網(wǎng)梁支護(hù)的整體性和協(xié)調(diào)性。

（4）錨網(wǎng)梁、U型鋼可縮性環(huán)形支架、壁后注漿3種支護(hù)方式有機(jī)結(jié)合形成一個(gè)多層有效組合拱，即噴網(wǎng)組合拱、環(huán)形支架支護(hù)拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱、噴層薄拱及漿液擴(kuò)散加固拱，多層組合拱共同作用擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，從而可以對(duì)圍巖提供更高的支護(hù)阻力，控制圍巖塑性區(qū)的持續(xù)發(fā)展。

3 支護(hù)方案及工程效果

3.1 支護(hù)方案

綜合理論分析、數(shù)值模擬及工程類比法確定－980 m大巷支護(hù)方案，巷道支護(hù)斷面如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)刷斷面后及時(shí)對(duì)巷道斷面進(jìn)行噴漿，噴漿厚度為30 mm，然后進(jìn)行錨網(wǎng)梁支護(hù)，鋼筋梯子梁選用?14 mm雙筋焊接而成，規(guī)格為4500 mm×50 mm（長(zhǎng)×寬），頂網(wǎng)為金屬編織網(wǎng)，規(guī)格為1100 mm×1100 mm（長(zhǎng)×寬）；錨桿選用?22 mm×3000 mm螺紋鋼超強(qiáng)錨桿，間排距為800 mm×800 mm，外露長(zhǎng)度為10～50 mm，每孔使用S2360和Z2360樹(shù)脂錨固劑各一卷；頂板采用?21.8 mm×8500 mm鋼絞線錨索加強(qiáng)支護(hù)，間排距為2000 mm×800 mm，外露長(zhǎng)度為200～300 mm，每孔使用1卷S2360和2卷Z2360樹(shù)脂錨固劑。

圖1 －980 m大巷支護(hù)斷面圖

一次支護(hù)后，在巷道表面設(shè)置測(cè)站，監(jiān)測(cè)巷道表面位移，待巷道變形趨于穩(wěn)定時(shí)，采用36U環(huán)形鋼支架進(jìn)行二次支護(hù)，支架搭接長(zhǎng)度450 mm，搭接段用兩道卡纜擰緊，卡纜間距80 mm，支架間距800 mm，兩架之間用扁鋼連桿連住，每架3根，支架安裝完畢后，在幫、頂處鋪金屬網(wǎng)片，網(wǎng)片上用編織袋裝碎渣充填，支架空幫、空頂處必須充填密實(shí)。用道渣、碎石充填巷道底部至規(guī)定高度，并在巷道表面噴射混凝土50 mm，及時(shí)進(jìn)行灑水保養(yǎng)。同時(shí)在巷道表面布置注漿孔，注漿孔分為3個(gè)層次，間排距為1500 mm×3200 mm，深淺孔交錯(cuò)布置，每排8根，注漿孔深度分別為1 m、2 m、8 m，注漿管長(zhǎng)度分別為600 mm、1200 mm、2000 mm，如圖2所示。注漿材料選用42.5＃普通硅酸鹽水泥、水玻璃，水泥漿的水灰比控制在（0.7～1）∶1，水泥漿與水玻璃之比應(yīng)控制在1∶（0.1～0.3）；設(shè)計(jì)淺孔注漿壓力第一次為 1.0 MPa，第二次為2.5 MPa，深孔注漿壓力為6 MPa。

圖2 －980 m大巷注漿孔布置圖

3.2 工程效果分析

二次支護(hù)注漿后，再次在－980 m巷道表面布置測(cè)站，監(jiān)測(cè)巷道表面位移，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出巷道變形在62 d后基本趨于平穩(wěn)，頂板累計(jì)下沉量為88 mm，兩幫累計(jì)變形量為207 mm，底板底臌量為92 mm。觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，采用 “錨網(wǎng)梁＋U型鋼支架＋噴漿、壁后注漿”支護(hù)技術(shù)后，巷道圍巖強(qiáng)度極大改善，巷道變形得到有效控制，巷道支護(hù)體系穩(wěn)定性和完整性得到提高。

圖3 －980 m大巷圍巖變形曲線

4 結(jié)論

（1）冀中能源股份有限公司邢東礦－980 m大巷發(fā)生變形失穩(wěn)是多種因素綜合作用的結(jié)果。地應(yīng)力高、構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜、圍巖松軟易破壞是其變形失穩(wěn)的內(nèi)在原因，支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)不合理是其破壞的外在原因。

（2）深井軟巖巷道變形具有變形量大、速度快、流變性、自穩(wěn)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，軟巖巷道支護(hù)的關(guān)鍵在于選用合理支護(hù)方式實(shí)現(xiàn)支架與圍巖相互作用，以充分發(fā)揮塑性區(qū)圍巖的承載能力。

（3）深井軟巖聯(lián)合支護(hù)技術(shù)即 “錨網(wǎng)梁支護(hù)＋U型鋼環(huán)形支架＋噴漿、壁后注漿”3種支護(hù)方式有機(jī)結(jié)合，可以提高支護(hù)體系的承載能力和整體性，增強(qiáng)塑性區(qū)圍巖的承載能力，能夠有效控制軟巖巷道變形，解決了－980 m大巷的支護(hù)難題，保證了礦井安全生產(chǎn)，是控制軟巖巷道變形失穩(wěn)的一種有效方法。

［1］錢(qián)鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制 ［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［2］宋宏偉，劉剛.井巷工程 ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008

［3］李海燕，李術(shù)才.膨脹性軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009（3）

［4］張璨，張農(nóng)，許興亮等.高地應(yīng)力破碎軟巖巷道強(qiáng)化控制技術(shù)研究 ［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010（1）

［5］魏樹(shù)群，張吉雄，張文海等.高應(yīng)力硐室群錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù) ［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008（3）

［6］劉長(zhǎng)武，陸士良.錨注加固對(duì)巖體完整性與準(zhǔn)巖體強(qiáng)度的影啊 ［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（3）

［7］周廷振，黃茂鴻.軟巖大變形巷道卸壓與可控大變形支架支護(hù)技術(shù) ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010（8）

［8］萬(wàn)援朝.深水平高應(yīng)力區(qū)巷道錨注支護(hù)技術(shù)實(shí)踐［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2005（10）

［9］徐磊，桑普天，王凌燕.深部軟巖巷道噴、棚、錨、注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2011（11）