深部復(fù)合巖層巷道圍巖控制技術(shù)

薛俊華1,2，范明建3，段昌瑞1,2，吳志堅1

(1.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司，安徽 淮南 232001；2.深部煤炭開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；

3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]針對深部礦井巖石巷道圍巖整體變形量大、持續(xù)時間長、局部破壞嚴重的支護難題，以朱集礦-965東翼軌道大巷為工程背景，在進行系統(tǒng)地質(zhì)力學測試、圍巖變形破壞特征分析、支護形式選取與現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，對深部高地應(yīng)力復(fù)合巖層巷道圍巖控制技術(shù)進行研究。通過優(yōu)化錨桿支護參數(shù)、合理選擇護表形式與構(gòu)件，實現(xiàn)了深部復(fù)合巖層巷道圍巖的一次主動支護，有效控制了深部巷道圍巖的長期持續(xù)變形，改變了深部巖巷“前掘后修、反復(fù)維修”的局面，取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

[關(guān)鍵詞]深部礦井；復(fù)合巖層；圍巖控制技術(shù)；強力錨桿支護

[中圖分類號]TD353[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-07-22

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.019

[基金項目]國家科技支撐計劃(2012BAB13B02)，淮南礦業(yè)集團科技項目計劃(HNKY-JT-JS-(2011))

[作者簡介]薛俊華(1963-)，男，江蘇泰州人，博士，教授級高級工程師，從事煤與瓦斯共采理論及技術(shù)研究。

Surrounding Rock Control of Roadway in Deep Composite Rock Strata

XUE Jun-hua1,2, FAN Ming-jian3, DUAN Chang-rui1,2, WU Zhi-jian1

(1.Huainan Mining (Group) Co., Ltd., Huainan 232001, China;

2.State Key Laboratory of Deep Coal Mining & Environment Protection, Huainan 232001, China;

3.Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Abstract:In order to solve the supporting problem of large and long-time deformation, local serious failure in deep rock roadway, surrounding rock control technology was researched on the basis of testing geo-stress, analyzing failure characteristic of surrounding rock, selecting supporting manner and field test.By operating anchored bolt parameters, rationally selecting supporting components, one-time initiative supporting of deep roadway with composite rock was realized and long-time deformation was controlled.The situation of “first-driving-second-repairing”was changed.Field application effect was excellent.

Keywords:deep mining; composite rock strata; surrounding rock control technology; powerful anchored bolt

[引用格式]薛俊華，范明建，段昌瑞，等.深部復(fù)合巖層巷道圍巖控制技術(shù)[J].煤礦開采，2015，20(1)：64-67.

深部煤炭資源開采以其開采環(huán)境的特殊性、生產(chǎn)與地質(zhì)條件的復(fù)雜性、工程災(zāi)害的突發(fā)性和頻發(fā)性，成為國內(nèi)外煤礦開采領(lǐng)域研究的焦點。多年來，專家學者和現(xiàn)場技術(shù)人員，在解決深部巷道圍巖控制與支護技術(shù)難題方面做了大量理論研究和實踐工作[1-5]。

從巷道支護方式來看，包括俄羅斯、德國、美國、澳大利亞在內(nèi)的世界主要深部煤炭開采國家，已由原來的“架棚支護、強力錨桿、組合錨桿(索)桁架”等單一支護形式，向“錨、網(wǎng)、索、帶、噴+封閉式剛性支架+架后巖體注漿”相結(jié)合、集支護與加固為一體的復(fù)合支護形式發(fā)展。目前，盡管俄羅斯和部分西歐國家在深部巷道圍巖多重高強聯(lián)合支護方面進行了較廣泛的研究，但因其支護工藝復(fù)雜、施工速度慢、支護成本高等原因，未能得到廣泛應(yīng)用。

目前，我國煤礦深部巷道主要多以“錨網(wǎng)索+U鋼棚”聯(lián)合支護為主，部分礦井深部復(fù)合巷道處于“前掘后修、反復(fù)維修、多次起底，套棚修復(fù)”的狀態(tài)，平均返修率達到70%以上。巷道掘進與維修成本最高達到2～3萬元/m[7-8]。近年來，隨著高強超高強支護材料的開發(fā)和部分施工機具的研制與引進，高預(yù)應(yīng)力、強力錨桿錨索支護系統(tǒng)在多個礦區(qū)的深部復(fù)合巷道中得到了推廣應(yīng)用并取得良好的支護效果與經(jīng)濟技術(shù)效益。

1巷道圍巖賦存條件

淮南礦區(qū)朱集煤礦北盤區(qū)-965東翼軌道大巷位于礦井-965m水平，巷道埋深980～1010m之間。巷道所處區(qū)域地層為二疊系煤系地層，位于8煤與11煤之間的泥巖、砂質(zhì)泥巖、中砂巖等巖層中，各巖層厚度一般集中在0.8～10m之間，局部為厚度20~30m的泥巖、中砂巖(表1)。巷道圍巖巖層總體為單斜構(gòu)造，傾向220°，傾角2~4°。巷道距下伏8煤層間距離39.0～48.1m，距離上覆11-1煤層間距24.1～32.7m。現(xiàn)場揭露的泥巖呈深灰色、致密，性脆，砂質(zhì)含量不均，局部因含砂質(zhì)較高相變成砂質(zhì)泥巖；粉砂巖，呈灰色-深灰色，夾薄層泥巖。-965東翼軌道大巷所處層位無明顯標志層，為典型的深部復(fù)合巖層巷道。

表1　朱集-965東翼軌道大巷巖層綜合柱狀

采用井下單孔多參數(shù)耦合快速地質(zhì)力學測試系統(tǒng)與裝備對-965東翼軌道大巷圍巖應(yīng)力環(huán)境、圍巖強度及圍巖結(jié)構(gòu)分布狀況進行相關(guān)測試。結(jié)果顯示，圍巖最大水平主應(yīng)力17.67～18.8MPa，最小水平主應(yīng)力9.79～9.96MPa，垂直主應(yīng)力為24.08～24.33MPa，屬于高地應(yīng)力區(qū)域。巷道圍巖受偏應(yīng)力作用顯著，相互垂直的主應(yīng)力差值最大達到14.54MPa。圍巖強度原位測試曲線(圖1)波動幅度較大，雖然頂板主要為砂巖，但含有弱面、節(jié)理、裂隙發(fā)育。砂巖平均強度在85～90MPa之間，泥巖強度平均為69.7MPa。巷道淺部圍巖強度偏低，集中在30～60MPa。巷道埋藏深度大、地應(yīng)力水平高、偏載作用顯著、復(fù)合巖層巖性變化頻繁、弱面夾層多、巖體強度變化大等多重復(fù)雜條件，對巷道圍巖控制造成較大困難。

圖1　頂板圍巖強度測試曲線

2圍巖變形特征與支護參數(shù)問題分析

2.1　支護形式與變形特征

-965東翼軌道大巷斷面為直墻半圓拱形，掘進斷面寬5700mm，墻高1600mm，拱高2850mm。巷道采用“錨網(wǎng)噴”聯(lián)合支護，錨桿選用直徑22mm，長度2500mm的高強螺紋鋼錨桿，間排距均為800mm；巷道拱頂選用直徑22mm，長度6300mm高強錨索進行加強支護，每排布置5根拱頂錨索，間距1000mm，排距1500mm。局部圍巖破碎時采用U29金屬棚進行加強支護。

由于巷道整體支護強度較高，特別是巷道頂板采用5根直徑22mm的錨索進行加強支護，頂板下沉量得到較好地控制。巷道掘進期間，頂板下沉量一般為70～100mm。巷道圍巖兩幫移近和底鼓一般發(fā)生在距迎頭20～30m以后，呈現(xiàn)“持續(xù)時間長、累計變形量大”的特點。部分巷道掘進期間，兩幫移近量平均達到300～400mm，底鼓量達到500mm以上。巷道拱頂兩肩和底角出現(xiàn)斷錨桿的現(xiàn)象。

2.2　支護參數(shù)存在問題分析

通過觀察巷道圍巖變形破壞過程與現(xiàn)場施工狀況，結(jié)合煤礦巷道圍巖控制理論與錨桿支護技術(shù)的相關(guān)研究成果，-965東翼回風大巷在支護形式與參數(shù)選取方面存在以下問題：

(1)支護系統(tǒng)缺少必要護表構(gòu)件，錨桿的支護應(yīng)力難以在圍巖中得到有效擴散。由于巷道斷面為直墻半圓拱形，鋼帶安裝難度較大且不易貼緊巷道頂板?，F(xiàn)場施工時，將錨桿托板直接壓在鋼筋網(wǎng)上，大大降低了錨桿支護作用范圍和對巷道圍巖的有效控制。對于拱形巷道，合理的錨桿護表構(gòu)件應(yīng)具有與桿體強度相匹配的強度和剛度；較合理的結(jié)構(gòu)尺寸，能夠有效擴大錨桿的作用范圍，在保證支護效果的同時，降低錨桿密度；能夠貼緊巷道表面，便于現(xiàn)場施工，減輕勞動強度。

(2)錨索支護全部布置在巷道拱頂，整體支護強度分布不均衡，錨索布置參數(shù)有待優(yōu)化。錨索的支護作用是將淺部圍巖中錨桿形成的承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連接。錨索具有能夠施加較高預(yù)緊力的優(yōu)點，能夠?qū)㈠^桿端部產(chǎn)生的拉應(yīng)力區(qū)消失，并轉(zhuǎn)換成有一定區(qū)域的壓應(yīng)力區(qū)。原設(shè)計中將5根錨索全部布置在巷道拱頂，支護強度極不均勻。在支護參數(shù)選取方面，應(yīng)首先考慮巷道整體支護強度，避免因局部支護強度偏低而造成的初期破壞，進而引起全斷面的變形破壞。

(3)錨桿(索)預(yù)緊力偏低，主動支護作用未能充分發(fā)揮?，F(xiàn)場施工時錨桿預(yù)緊扭矩為200N·m，其軸向預(yù)緊力僅為20～30kN，不足錨桿屈服載荷的15%?，F(xiàn)場錨索張拉力120kN，僅為錨索破斷強度的21.4%。根據(jù)巷道條件和施工機具水平，一般要求錨桿預(yù)緊力應(yīng)為桿體屈服強度的30%～50%，錨索預(yù)緊力應(yīng)為索體拉斷載荷的40%～70%[10]。

(4)幫部圍巖支護強度偏低，底角錨桿角度偏大，造成兩幫及底板變形明顯。巷道圍巖應(yīng)力場以垂直應(yīng)力為主，垂直應(yīng)力對巷道兩幫的影響要大于對頂?shù)装宓挠绊?。同時，通過提高幫部支護強度可有效控制底板的變形和破壞程度?，F(xiàn)場巷道幫部底角錨桿要求與水平方向呈30°～45°夾角，導(dǎo)致底角錨桿的支護應(yīng)力與其他錨桿形成整體的承載結(jié)構(gòu)分離，無法有效控制兩幫底角及附近底板的變形破壞。

3深部巷道支護理念與參數(shù)選取原則

隨著巷道埋藏深度的逐步增加，復(fù)雜多變的煤礦開采地質(zhì)與生產(chǎn)條件，巷道二次支護理論遇到了很大的挑戰(zhàn)。在深部、強烈動壓影響、特殊地質(zhì)構(gòu)造影響等區(qū)域，巷道采用二次支護后仍出現(xiàn)嚴重的變形破壞問題。與此同時，以強調(diào)支護系統(tǒng)初期支護強度和剛度的“高預(yù)應(yīng)力強力一次支護理論”在深部復(fù)合巷道中得到推廣和應(yīng)用，并取得了良好的支護效果。

針對礦井-965東翼回風大巷埋深大、地應(yīng)力水平高、復(fù)合巖層等地質(zhì)條件，在分析圍巖變形特征、原支護形式與參數(shù)選取存在問題的基礎(chǔ)上，提出以下巷道支護參數(shù)選取原則：

(1)支護系統(tǒng)應(yīng)具備與巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境相匹配的初期支護強度與剛度，確保能夠有效控制圍巖內(nèi)部離層、滑移、錯動以及裂隙張開和新裂紋的產(chǎn)生，保持圍巖的整體結(jié)構(gòu)不被破壞。

(2)在保證巷道整體支護強度的前提下，提高幫部支護強度。通過強化幫部支護，實現(xiàn)對底板圍巖變形破壞的控制，避免因巷道局部破壞而造成的大面積持續(xù)破壞。

(3)支護系統(tǒng)具有韌性和抗沖擊能力，在高應(yīng)力和動壓影響作用下，允許圍巖具有一定的變形和整體位移能力，以適應(yīng)深部高應(yīng)力巷道圍巖大變形特點。同時，巷道服務(wù)期間的總位移量應(yīng)滿足生產(chǎn)需要，圍巖整體支護結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)失穩(wěn)和破壞。

(4)支護形式與參數(shù)具有可操作性，便于井下施工，有利于提高巷道掘進速度和降低巷道綜合維護成本。

4現(xiàn)場試驗與支護效果評價

根據(jù)巷道現(xiàn)場條件與支護現(xiàn)狀，在地質(zhì)力學測試、存在問題分析、參數(shù)選取原則合理確定的基礎(chǔ)上，對原支護參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計(圖2)。

巷道開挖并初噴后，進行錨網(wǎng)索支護。錨桿為直徑22mm，長2400mm，屈服強度不低于500MPa的高強抗沖擊螺紋鋼錨桿，沖擊吸收功不低于60J。錨桿樹脂全長預(yù)應(yīng)力錨固，預(yù)緊力80～100kN。錨桿排距900mm，每排15根錨桿。選用高強度雙向四肋“井”型W鋼護板作為強力錨桿的附屬構(gòu)件，實現(xiàn)錨桿高預(yù)緊力在圍巖中的有效擴散。錨索為1×19股，直徑22mm煤礦專用鋼絞線，長度6.3m(頂)、4.3m(幫)，端部加長錨固，排距1800mm，每排5根，均布在巷道頂板與兩幫，錨索鎖定張拉力250~300kN。局部圍巖破碎時，對錨索自由段進行注漿加固，實現(xiàn)錨索全長預(yù)應(yīng)力錨固?！熬毙蚖鋼護板、錨索托板與φ6.5mm高強度鋼筋網(wǎng)共同組成巷道圍巖的護表系統(tǒng)，對錨桿(索)施加初始預(yù)緊力的同時，也給鋼筋網(wǎng)一定的拉緊力，實現(xiàn)巷道圍巖的高預(yù)緊力強力主動支護。

圖2　巷道關(guān)鍵支護參數(shù)示意

圖3　巷道礦壓監(jiān)測結(jié)果與支護效果

掘進期間，巷道礦壓監(jiān)測結(jié)果(圖3)顯示：巷道表面位移一般在距掘進迎頭50~60m范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。兩幫最大移近量為94mm，為巷道寬度的1.65%。兩幫移近量相當，上、下幫移近量分別為42mm和52mm。巷道頂?shù)滓平?7mm，其中底鼓量38mm。正常條件下，頂板離層值一般在5～7mm之間。錨桿(索)受力增加幅度普遍較小，一般保持在30~50kN之間。從不同位置處錨桿(索)最大受力值看，位于巷道拱頂左肩和左幫的錨桿(索)受力值普遍大于頂板中部和右?guī)偷腻^桿(索)。

5結(jié)論

(1)深部高地應(yīng)力復(fù)合巖層巷道支護單靠減小錨桿(索)間排距，難以有效控制圍巖變形破壞。通過恢復(fù)和強化圍巖的完整性和承載能力，與高預(yù)應(yīng)力強力錨桿支護系統(tǒng)共同組成具有高強度、高抗變形能力的完整承載結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對深部高應(yīng)力巷道圍巖的有效控制，盡量做到巷道一次支護便能滿足生產(chǎn)的需要，避免二次支護和巷道維修。

(2)選擇合理護表構(gòu)件形式與參數(shù)是保證錨桿(索)支護應(yīng)力擴散效果的關(guān)鍵。對于拱形巷道建議采用“雙向四肋‘井’型W鋼護板+鋼筋網(wǎng)”的方式進行護表。W鋼護板的強度與剛度應(yīng)與錨桿的強度相匹配。

(3)深部高地應(yīng)力巷道圍巖控制應(yīng)在保證整體支護強度的前提下，對關(guān)鍵部位進行強化支護，避免因局部破壞而造成的整個支護系統(tǒng)失效。支護系統(tǒng)應(yīng)具有一定的韌性和抗沖擊能力，在高應(yīng)力和動壓影響的作用下，允許圍巖具有一定的變形和整體位移能力，以適應(yīng)深部高應(yīng)力巷道圍巖大變形的特點。

(4)高預(yù)應(yīng)力強力錨桿錨索支護系統(tǒng)有效控制了深部高地應(yīng)力巷道圍巖的長期持續(xù)變形，改變了深部巖巷“前掘后修、反復(fù)維修”的局面，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

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