張廣超 謝國強 楊軍輝 龐茂瑜 張興娜 李二鵬

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

冀中能源股份有限公司邢東礦－980 m大巷埋深達千米以上，圍巖呈現(xiàn)軟巖特性，巷道使用過程中發(fā)生持續(xù)變形，支護系統(tǒng)損毀嚴重，多次擴刷整修，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制的基礎上，結合現(xiàn)場實踐條件，提出了 “錨網(wǎng)梁＋U型鋼支架＋噴漿、壁后注漿”的聯(lián)合支護技術，成功解決了－980 m軟巖巷道大變形問題，并為深部軟巖巷道支護提供了技術支撐。

1 工程概況

冀中能源股份有限公司邢東礦位于邢臺市東北約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輸及進風的永久性大巷。巷道埋深1040 m，依次穿過野青灰?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。

巷道原有支護形式為錨網(wǎng)噴支護，使用不到一年，巷道便出現(xiàn)大變形，頂板下沉量達159 mm，兩幫移近量404 mm，底臌量達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，需要不停地進行臥底、刷幫、補強等整修工作，有時還需要處理冒頂。巷道支護系統(tǒng)嚴重破壞，肩、幫部大面積的開裂片幫，多處出現(xiàn)網(wǎng)兜，噴漿層多處開裂，局部甚至出現(xiàn)斷錨索、斷錨桿、斷槽鋼現(xiàn)象。針對邢東礦－980 m大巷破壞特征，需結合軟巖巷道變形機制和支護特征確定相應的控制對策。

2 深井軟巖巷道維護特點及控制對策

2.1 深井軟巖巷道變形機制及支護要點

2.1.1 深井軟巖巷道變形機制

巷道開挖后原巖應力重新分布，在巷道邊緣一定范圍內產生數(shù)倍于原巖應力的集中應力，當集中應力超過圍巖強度極限時，圍巖將出現(xiàn)塑性變形，從巷道邊緣到深部一定范圍內出現(xiàn)塑性變形區(qū)，同時集中應力向圍巖深部移動。塑性變形區(qū)內部分圍巖強度明顯削弱，出現(xiàn)松動破壞，稱為不穩(wěn)定塑性區(qū)；未出現(xiàn)松動性破壞的區(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的計算式為：

式中：P——原巖應力，MPa；

Pi——支護阻力，MPa；

r0——巷道半徑，m；

φ——巖石內摩擦角，（°）；

C——巖石內聚力，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力P、反應圍巖強度性質的內摩擦角φ以及巖石內聚力C。與淺部地層相比，深部地層地應力高、巖體松軟、強度低、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間效應，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生流變，持續(xù)時間較長。

2.1.2 深井軟巖巷道支護機理

軟巖巷道淺部圍巖出現(xiàn)塑性變形是不可避免的，其支護關鍵在于充分發(fā)揮穩(wěn)定塑性區(qū)圍巖的塑性承載能力。針對初期來壓快、變形大、速度快的特點，應選用同時具備適宜剛度和一定可縮性的柔性支架及時支護，一方面允許巷道出現(xiàn)變形，以便圍巖中形成承載結構，達到塑性區(qū)最大承載能力；另一方面又要限制圍巖變形，以免變形過大圍巖破壞而喪失承載能力。針對軟巖巷道后期表現(xiàn)出的較強流變特性，要保證巷道較長時間的穩(wěn)定和服務期的安全，需選用具有較高支護阻力的支護結構對巷道進行二次支護，二次支護應在初次支護尚未失效，圍巖移近速度已經(jīng)很小的適當時間進行。此外，軟巖巷道變形破壞是個漸變過程，巷道環(huán)向非對稱受壓，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)整個支護結構的破壞失穩(wěn)，需對薄弱部位加強支護。

2.2 深井軟巖巷道變形控制對策

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制及支護機理的分析，綜合－980 m大巷地質生產條件及相關區(qū)域巷道破壞特征，認為造成巷道圍巖持續(xù)變形的主要因素有：

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

（2）構造應力復雜。巷道為穿層巷道，穿過數(shù)個地質層位，且中小斷層發(fā)育，地質條件、構造應力復雜。

（3）圍巖強度低、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）巷道底板未進行有效支護成為圍巖壓力釋放的突破口，引起大面積底臌，進而引發(fā)兩幫頂板破壞，導致支護體系承載結構破壞。

（5）支護參數(shù)不合理。－980 m大巷圍巖松散軟弱加之多次修復擾動影響，圍巖松動范圍大，錨桿不能錨固在松動圈以外的穩(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)合控制對策

結合邢東礦－980 m大巷地質生產條件，以深井軟巖巷道圍巖控制理論為基礎，提出了 “錨網(wǎng)梁＋U型鋼支架＋噴漿、壁后注漿”的聯(lián)合支護方案。該技術方案將錨網(wǎng)梁主動支護和U型鋼可縮型支架初撐力高、支護強度大的優(yōu)點有機結合，此外壁后注漿又充分提高了圍巖強度，使得支護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)梁支護結構具有薄、柔，與圍巖緊貼和早強的特性，是理想的初始支護方案。軟巖巷道開挖后，選擇具有合適預緊力的高強錨桿及時支護，使圍巖封閉處于三向受力狀態(tài)，避免錨固區(qū)內圍巖離層、滑動和擴容，改善圍巖力學性能，強化圍巖強度，提高塑性區(qū)圍巖承載能力；同時支護結構具有一定可縮性，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）待一次支護巷道變形穩(wěn)定后，選用U型鋼可縮性環(huán)形支架進行二次支護，其較高的初撐力和支護強度可以增大圍巖壓力，限制圍巖變形，提高圍巖強度，給巷道提供最終支護強度和剛度；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)，提高圍巖強度，同時實現(xiàn)對兩幫、頂角等薄弱部位的加強支護。

（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化作用的影響而降低本身的強度；低壓力注漿改善了巖體弱面的力學性能，增大巖體內部各結構面的相對位移阻力，提高圍巖強度，改善圍巖狀態(tài)，同時加強了錨網(wǎng)梁支護的整體性和協(xié)調性。

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

3 支護方案及工程效果

3.1 支護方案

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

圖1 －980 m大巷支護斷面圖

一次支護后，在巷道表面設置測站，監(jiān)測巷道表面位移，待巷道變形趨于穩(wěn)定時，采用36U環(huán)形鋼支架進行二次支護，支架搭接長度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。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，及時進行灑水保養(yǎng)。同時在巷道表面布置注漿孔，注漿孔分為3個層次，間排距為1500 mm×3200 mm，深淺孔交錯布置，每排8根，注漿孔深度分別為1 m、2 m、8 m，注漿管長度分別為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控制在1∶（0.1～0.3）；設計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

二次支護注漿后，再次在－980 m巷道表面布置測站，監(jiān)測巷道表面位移，監(jiān)測結果如圖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)，頂板累計下沉量為88 mm，兩幫累計變形量為207 mm，底板底臌量為92 mm。觀測數(shù)據(jù)分析表明，采用 “錨網(wǎng)梁＋U型鋼支架＋噴漿、壁后注漿”支護技術后，巷道圍巖強度極大改善，巷道變形得到有效控制，巷道支護體系穩(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果。地應力高、構造應力復雜、圍巖松軟易破壞是其變形失穩(wěn)的內在原因，支護方式和支護參數(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)時間長的特點，軟巖巷道支護的關鍵在于選用合理支護方式實現(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)合支護技術即 “錨網(wǎng)梁支護＋U型鋼環(huán)形支架＋噴漿、壁后注漿”3種支護方式有機結合，可以提高支護體系的承載能力和整體性，增強塑性區(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大巷的支護難題，保證了礦井安全生產，是控制軟巖巷道變形失穩(wěn)的一種有效方法。

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