楊　春

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)有限責(zé)任公司)

斷裂構(gòu)造區(qū)域巖石破裂程度高、遇水膨脹、力學(xué)性能復(fù)雜，位于斷層附近的巷道變形較嚴(yán)重，易造成冒頂事故、巷道支護(hù)成本高、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、掘進(jìn)進(jìn)度很慢、支架復(fù)用率降低[1-5]。因此，巷道穿越斷層支護(hù)是目前煤礦巷道支護(hù)的難題之一。山西水峪煤礦礦井受NE向展布的F4、F2、F3斷層及NW向展布的方莊斷層和馮營斷層的切割和制約，使得區(qū)內(nèi)煤系地層形成了地塹、地壘和階梯狀的構(gòu)造形態(tài)，多為單斜構(gòu)造。該礦五級軌道二橫貫硐室位于五級軌道巷下山和五級機(jī)軌合一巷下山之間，中部有煤層穿過，圍巖破碎，裂隙發(fā)育，巷道全長33.4 m，沿煤層頂板掘進(jìn)，砂質(zhì)泥巖平均厚度為6.6 m，直接頂為粉砂巖，平均厚度為4.4 m，直接底以泥巖為主。-400 m 水平運輸大巷布置于巖層中，巷道位于二1煤層頂板巖巷內(nèi)，與二1煤層間距達(dá)98～101 m。該巷道局部頂板破碎，擴(kuò)修時需加強(qiáng)頂板管理，巷道周圍無臨近巷道。巷道掘進(jìn)期間穿過F2小莊斷層、F2-2斷層和F2-1斷層，三者為平行展布的分支斷層，為延伸長約2 km、走向約37°、傾向127°、傾角70°的高角正斷層，落差為30 m。由于受到斷層影響，且斷層附近巷道圍巖破碎，巷道變形嚴(yán)重，現(xiàn)有的U型鋼柱腿變形較大，錨桿、錨索被剪斷，影響到了機(jī)車正常通行。本研究以該礦五級軌道二橫貫硐室和-400 m水平運輸大巷為例，對巷道圍巖支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計，并對相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計算取值。

1　支護(hù)計算分析

根據(jù)文獻(xiàn)[6]中巷道圍巖破壞計算公式，以礦井-400 m水平巷道原支護(hù)為例，計算巷道在無支護(hù)和有支護(hù)條件下的塑性區(qū)半徑和破碎區(qū)半徑，為巷道支護(hù)方案設(shè)計提供可靠依據(jù)。該巷道圍巖參數(shù)如表1所示。

表1　巷道圍巖物理參數(shù)

計算表明：巷道在無支護(hù)和有支護(hù)的條件下，巷道圍巖的塑性區(qū)半徑分別為5.932，2.298 m；圍巖破碎區(qū)厚度分別為1.747，0 m；礦壓顯現(xiàn)主要表現(xiàn)在下盤巖層巷道，大傾角巷道支護(hù)體破壞或變形區(qū)域均位于破碎帶內(nèi)或下盤盤面處，并且平行應(yīng)力顯現(xiàn)較為突出；巷道錨固體強(qiáng)度提高后，圍巖應(yīng)力也隨之改變，巷道圍巖的破裂區(qū)半徑和塑性區(qū)半徑大幅度減小，巷道有必要采用錨網(wǎng)索與封閉支架相結(jié)合的剛性支護(hù)方案，錨桿長度不宜小于1.747 m。

2　支護(hù)方案及參數(shù)設(shè)計

根據(jù)本研究巷道圍巖特征以及相關(guān)計算分析，設(shè)計采用錨網(wǎng)索噴+U型鋼可縮性支架+注漿的聯(lián)合支護(hù)方案。錨桿、錨索與圍巖注漿工藝聯(lián)合使用，可以使得巷道圍巖組合成一個封閉拱，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化巷道加固質(zhì)量的目的[7-9]。圍巖注漿加固改變了巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)，注漿管與孔壁產(chǎn)生的摩擦剪應(yīng)力可以防止圍巖發(fā)生變形，長錨索能夠?qū)鷰r進(jìn)行加固，3種工藝聯(lián)合應(yīng)用可有效確保閉合拱形成一個強(qiáng)大的承載結(jié)構(gòu)，抵御圍巖變形[10]。

2.1　錨桿參數(shù)

錨桿采用左旋高強(qiáng)錨桿，使巷道巖層形成一個錨固層，來阻止圍巖出現(xiàn)張開裂隙和裂紋[11-12]。錨桿選用φ22 mm×2 400 mm左旋高強(qiáng)錨桿。螺紋錨桿桿體設(shè)計方向與攪拌樹脂藥卷方向相反，在該過程中，攪拌樹脂藥卷可以產(chǎn)生軸向擠壓力，同時在藥卷推向鉆孔深部的過程中對藥卷施以較大壓力，使得錨固劑擠入鉆孔裂隙中，可以有效提高錨桿的拉拔力。錨固劑選用φ28 mm樹脂藥卷，每種藥卷各1支，裝藥卷速度不宜過快，將藥卷推送至錨孔底部后，再攪拌20～35 s，停留等待時間不小于8 min，方可預(yù)緊錨桿，巖巷錨桿預(yù)緊力為120 N·m，錨固力為64 kN。

為有效控制巷道圍巖，需要將托梁、托盤和金屬網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合使用。托梁是由φ12 mm圓鋼焊接而成的鋼筋梯子梁，規(guī)格為2 900 mm×100 mm(長×寬)和1 500 mm×100 mm(長×寬)。鋼筋梯子梁必須緊貼巖體面，確保良好的錨固效果。托盤的承載能力應(yīng)適應(yīng)錨桿的力學(xué)性能。在支架背后鋪設(shè)經(jīng)緯金屬網(wǎng)，經(jīng)緯網(wǎng)采用φ6 mm鋼筋焊制，規(guī)格為1 500 mm×600 mm(長×寬)，網(wǎng)格規(guī)格為50 mm×50 mm(長×寬)；鋪設(shè)時，網(wǎng)格規(guī)格為100 mm×100 mm(長×寬)，網(wǎng)應(yīng)壓茬連接，搭接長度為100 mm，相鄰兩塊網(wǎng)之間采用10#鐵絲連接，連接點應(yīng)均勻布置，間距為200 mm，掛網(wǎng)時，橫筋向外，豎筋向內(nèi)。

2.2　錨索參數(shù)

錨索采用φ18.9 mm×9 000 mm鋼絞線配合鎖具、托盤制作，錨索長度視圍巖裂隙發(fā)育情況以及施工質(zhì)量而定。結(jié)合巷道圍巖條件及變形情況，需沿巷道均勻布置若干個錨固斷面，每排布置3根錨索，拱部3根錨索呈扇行分布，外端用槽鋼連接，形成連錨結(jié)構(gòu)(巷道拱部采用聯(lián)錨式小錨索，兩側(cè)用單錨式大錨索)。根據(jù)圍巖破碎情況，錨索有效長度不小于6 000 mm，外露部分長度不大于100 mm，錨索間距為1 500 mm，排距為2 500 mm，每孔使用4根樹脂錨固劑固定(眼底2根錨固劑型號為K2360，外側(cè)2根錨固劑型號為Z2360)。錨索預(yù)緊力為50 MPa，錨固力不宜小于200 kN/根。托盤為正方形，規(guī)格為150 mm×150 mm(長×寬)，用厚為10 mm 的鋼板壓制成弧形，承載力不小于157 kN。

2.3　注漿參數(shù)

在巷道開挖過程中或巷道通過圍巖破裂帶過程中向巷道圍巖裂隙或空洞中注入配置的水泥漿液，水泥漿液固化后充填了圍巖空洞和裂隙，有助于提高圍巖完整性，增加圍巖強(qiáng)度，可進(jìn)一步提高圍巖的承載能力[13]。

(1)噴漿。由于巷道穿過圍巖破裂帶，巷道圍巖表面存在較多裂隙，為有效防止注漿過程中發(fā)生“跑漿”現(xiàn)象，在進(jìn)行中深孔注漿前需要對巷道圍巖表面進(jìn)行噴漿，堵住跑漿裂隙通道，提高注漿效果。巷道圍巖表面噴漿應(yīng)滿足表面平整、均勻等要求，不能出現(xiàn)“厚此薄彼”的現(xiàn)象。

(2)中深孔圍巖注漿。進(jìn)行中深孔噴漿前，有必要確定巷道圍巖裂隙帶范圍，從而設(shè)計出適宜的噴漿孔參數(shù)(包括噴漿孔深度、間排距等)，并根據(jù)現(xiàn)場注漿效果及時調(diào)整噴漿鉆孔參數(shù)。根據(jù)本研究計算可知，在無支護(hù)情況下，巷道破碎區(qū)半徑為4.247 m，塑性區(qū)半徑為5.932 m，據(jù)此初步確定注漿范圍在圍巖周邊3～4 m深度以內(nèi)，故可沿巷道加固段全長按3～4 m劃分為1個注漿段，根據(jù)圍巖變形情況及時調(diào)整注漿參數(shù)。巷道圍巖破碎嚴(yán)重時，每段布置8個注漿孔，頂部2個，兩拱肩各1個，U36型鋼底角15°處各布置1個，底板2個。巷道頂部和兩幫圍巖完整而底板破碎時，考慮到巷道圍巖體內(nèi)裂隙欠發(fā)育，注漿效果不明顯，故僅對底板進(jìn)行注漿施工，巷道兩幫及頂板進(jìn)行錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)。注漿管可采用注漿復(fù)合錨桿，用無縱筋螺紋鋼制造，注漿后作為錨桿使用，直徑25.5 mm，長度3.1 m，注漿孔直徑32 mm，注漿壓力1.5～2.0 MPa，注漿孔排距3.2 m，間距根據(jù)圍巖破碎情況確定為2 m[14]。

3　支護(hù)效果

試驗巷道長33.4 m，1#測點布置于距五級機(jī)軌合一巷5 m處，2#測點布置于二橫貫避難硐室中間處，3#測點布置于距五級軌道巷5 m處。采用巷道斷面中腰線十字交叉法布置測點，分別對同一斷面上巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見圖1、圖2。

圖1　巷道圍巖移近量

圖2　巷道圍巖移近速率

分析圖1、圖2可知：經(jīng)過100 d巷道圍巖變形觀測，1#測點巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量分別為130，29 mm，2#測點巷道頂?shù)装逡平俊蓭鸵平糠謩e為117，27 mm，3#測點3巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量分別為132，31 mm；巷道開挖支護(hù)后70 d左右圍巖變形區(qū)域逐漸穩(wěn)定，圍巖總體變形速率較小，后期的變形速率頂?shù)装迤骄鶠?.16 mm/d，兩幫平均為0.04 mm/d，表明巷道變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，本研究巷道支護(hù)方案對于圍巖穩(wěn)定性的控制作用得到了有效體現(xiàn)。

4　結(jié)　語

結(jié)合山西水峪煤礦五級軌道二橫貫硐室和-400m水平運輸大巷的地質(zhì)條件，設(shè)計了錨網(wǎng)索噴+U型鋼可縮性支架+注漿的聯(lián)合支護(hù)方案。該方案采用巷道錨網(wǎng)索支護(hù)和封閉支架剛性聯(lián)合支護(hù)工藝將巷道圍巖的破裂區(qū)域和塑性區(qū)域變形進(jìn)行有效控制，即采用錨桿、掛金屬網(wǎng)和噴射混凝土工藝對地層破裂區(qū)域的圍巖變形進(jìn)行控制，增強(qiáng)地層破裂區(qū)域圍巖的整體效應(yīng)；應(yīng)用錨索支護(hù)工藝可將地層破裂區(qū)和塑性區(qū)內(nèi)的圍巖巖層進(jìn)行緊密聯(lián)結(jié)。巷道穩(wěn)定性監(jiān)測表明，巷道頂?shù)装?、兩幫移近量以及兩者的移近速率隨著監(jiān)測時間推移，均呈現(xiàn)出顯著降低趨勢，說明采用本研究支護(hù)方案后，巷道圍巖變形得到了有效控制。

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