毛懷昆，王 寧，高 晨

(1.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤274918；2.山東科技大學(xué)，山東 青島266590)

地下空間開挖將本來處于三維受力狀態(tài)的巖石變成了二維受力狀態(tài)，巖石受力狀態(tài)發(fā)生了變化，其穩(wěn)定性被打破，所以，控制開挖巖體的穩(wěn)定是保證地下空間作業(yè)的前提。錨桿支護(hù)以其主動支護(hù)的方式在巷道應(yīng)用逐漸普遍，但在復(fù)雜高應(yīng)力地質(zhì)條件下[1-4]，單一的錨桿常常不能達(dá)到圍巖穩(wěn)定性的要求。近年來，基于傳統(tǒng)錨桿支護(hù)發(fā)展出了錨注支護(hù)技術(shù)。

錨注支護(hù)技術(shù)綜合發(fā)揮了錨網(wǎng)支護(hù)和噴漿支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，對煤礦巷道圍巖控制效果良好[5-7]。通過錨桿的軸向約束作用控制圍巖的運(yùn)動變形；通過注漿加固盡量恢復(fù)裂隙巖體的初始結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，提高巖體的自身強(qiáng)度[8-11]。王連國等[12]基于對深部軟巖巷道變形和破裂特征的長期監(jiān)測結(jié)果，提出了以“中空注漿錨索和高強(qiáng)注漿錨桿”為核心的新型深-淺耦合全斷面錨注支護(hù)技術(shù)體系。孟慶彬等[13]通過自主研制的破裂巖樣承壓注漿試驗(yàn)設(shè)備，開展了破裂巖體注漿加固力學(xué)特性試驗(yàn)，分析了破裂巖樣注漿加固前后的力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)，提出了“錨注加固體等效層”概念。陸銀龍等[14]根據(jù)對破裂軟巖注漿加固后的力學(xué)特性分析，運(yùn)用FLAC3D軟件的應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，對軟巖巷道最佳錨注支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化分析。

但是，對于錨注支護(hù)控制深井高應(yīng)力巷道圍巖的機(jī)理研究尚不成熟，其工程應(yīng)用尚不夠廣泛，有待進(jìn)一步深入研究。因此，以新巨龍煤礦2305N 下平巷為工程背景，研究了深井高應(yīng)力巷道錨注加固支護(hù)技術(shù)，并將其進(jìn)行工程應(yīng)用，通過現(xiàn)場觀測驗(yàn)證了其支護(hù)效果。

1 工程概況

新巨龍煤礦位于山東省巨野縣龍固鎮(zhèn)，現(xiàn)開采3#煤層，地面標(biāo)高為＋43.91 m，井下標(biāo)高為-830.8～-797.5 m，為形成2305N 采煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)，掘進(jìn)2305N 下平巷，走向343°～18°，傾向73°～108°，長度為872 m。2305N 下平巷北段位于2304N下平巷以東，-980 延深輔二下山以北，西為2304N下平巷，北為2305N 工作面。3#煤厚為9.27 m，巖性為炭質(zhì)泥巖，3#煤層屬穩(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)簡單。煤層走向?yàn)?43°～18°，傾向?yàn)?3°～108°，傾角為W21°～8°，屬低瓦斯礦井，-810 水平3#煤層有自然發(fā)火的傾向，最短發(fā)火期為46 d，煤塵爆炸指數(shù)為42.69%。巷道掘進(jìn)的直接充水含水層是3#煤的頂?shù)装迳皫r（“3砂”），預(yù)計(jì)2305N 下平巷北段掘進(jìn)時(shí)正常涌水量為2～10 m3/h，最大涌水量為30 m3/h。3#煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2305N 下平巷斷面為矩形斷面，凈寬4.8 m，凈高4 m，凈斷面為19.2 m2，巷寬5.1 m，巷高4.15 m，巷斷面為21.2 m2。支護(hù)參數(shù)確定原則是使錨桿約束作用合理分布，從而在保證支護(hù)效果的前提下，為提高成巷速度創(chuàng)造條件，為此需考慮圍巖的完整性、錨桿作用等。

2.1 錨桿長度

2.1.1 按懸吊理論計(jì)算錨桿長度

式中：L 為錨桿長度，m；H為垮落拱高度，m；K為安全系數(shù)，一般取K=2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗(yàn)取0.5 m；L2為錨桿在巷道中的外露長度，一般取0.15 m。

式中：B 為巷道開掘?qū)挾?，?.1 m；f 為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，煤取3。

則，L=2.35 m。

2.1.2 按組合理論計(jì)算錨桿長度

式中：L 為錨桿長度，m；b 為組合拱厚度，m，當(dāng)松動圈的厚度為2～3 時(shí)，取1.4 m；tanα 為錨桿對破裂巖體控制角之正切，一般取α＝45°；a 為錨桿的間距，m。

代入數(shù)據(jù)得L＝2.45 m，取錨桿長度為2.5 m。

2.2 錨桿間排距

2.2.1 按懸吊理論計(jì)算錨桿間距和排距

通常間排距相等，取a：

式中：a 為錨桿間排距，m；Q 為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，130 kN/根；K 為安全系數(shù)，一般取K=2；L3為錨桿有效長度，長度為2.5 m 的錨桿有效長度為1.85 m；ρ 為不穩(wěn)定巖層平均密度，取2.548 t/m3。

代入數(shù)據(jù)a=1.17 m。

2.2.2 按組合理論計(jì)算錨桿間排距

所選錨桿長度需驗(yàn)算組合梁各巖層層面間不發(fā)生相對滑動，并保證最下面1 層巖層的穩(wěn)定性，即錨桿間排距滿足下列要求：

式中：a 為錨桿間排距，m；m1為最下面1 層巖層的厚度，根據(jù)該巷道頂板巖性取0.5 m；σ1為最下1 層抗拉計(jì)算強(qiáng)度，取試驗(yàn)強(qiáng)度的0.3～0.5 倍，MPa；K 為安全系數(shù)，取8～10；p′為本層自重均布載荷，p′=ρ1gm1，kN/m2；ρ1為最下1 層巖層的平均密度，t/m3。

根據(jù)該巷道頂板巖性，最下面1 層巖層的厚度取0.5 m，最下1 層巖層抗拉實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度為7.646 MPa，σ1′=0.3×7.646=2.29 MPa，取最下1 層巖層密度為2.548 t/m3，本層自重均布載荷p′=79.75 kN/m2。代入數(shù)據(jù)，a≤3.42 m。

2.2.3 由自然平衡拱理論分析設(shè)計(jì)錨桿間排距

式中：a 為錨桿間排距，m；Z 為錨桿錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度，取1.0 m；m 為巷道的半跨度，巷道寬度為5.1 m，則半跨度取2.55 m；n 為頂板巖層的破壞深度，取0.8 m。

代入數(shù)據(jù)，a=4.02 m。

2.2.4 由加固拱理論設(shè)計(jì)錨桿間排距

加固拱理厚度、錨桿長度與錨桿間排距近似關(guān)系為：

式中：a 為錨桿間排距，m；L 為錨桿有效長度，直徑22 mm 錨桿取2.5 m；α 為錨桿在圍巖中的控制角，一般取45°；b1為加固拱厚度，根據(jù)新巨龍公司支護(hù)現(xiàn)狀及地質(zhì)條件，加固拱厚度取1.4 m。

代入數(shù)據(jù)，a=1.1 m，確定錨桿間距、排距不大于1.1 m 即可滿足設(shè)計(jì)要求。錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm。

3 注漿參數(shù)數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型

FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了3 種支護(hù)方案的模擬研究。模型尺寸為40 m×50 m×100 m，巷道斷面為矩形，寬度為4.5 m，高度為3.8 m。建立數(shù)值計(jì)算模型如圖1。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)上述錨桿參數(shù)計(jì)算機(jī)分析，設(shè)計(jì)錨網(wǎng)參數(shù)為：錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 500 mm，間排距為1 000 mm× 1 000 mm；錨索規(guī)格為φ16.8 mm×7 300 mm，頂板布置3 根錨索，錨索排距為2 000 mm；頂板和幫部均滿鋪鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm。

注漿材料主要包括42.5 普通硅酸鹽水泥、黏土、速凝劑、緩凝劑。其中，黏土為替代水泥摻加，黏土摻量為35%，速凝劑摻量為0.2%，緩凝劑摻量為1.5%。通過數(shù)值模擬主要研究漿液水灰比和注漿加固層厚度對巷道圍巖控制的影響。根據(jù)錨注支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，確定漿液水灰比為0.3～0.8，注漿加固層厚度為1 000～2 000 mm。

3.2 水灰比影響圍巖控制效果

在上述錨網(wǎng)參數(shù)和注漿漿液參數(shù)的條件下，假設(shè)注漿加固層厚度為1 500 mm，漿液水灰比分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，研究不同漿液水泥水灰比對錨注加固圍巖控制效果的影響。不同漿液水灰比與巷道圍巖變形的對應(yīng)曲線關(guān)系如圖2。

圖2 漿液水灰比與巷道圍巖變形曲線

由2 圖可知，錨注支護(hù)條件下巷道圍巖變形量隨著水灰比的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)水灰比從0.3 增大至0.5 時(shí)，巷道圍巖變形量隨著水灰比的增大而減小，這是由于水灰比過小導(dǎo)致漿液流動性不佳，漿液在巖體裂隙真的擴(kuò)散效果不佳；當(dāng)水灰比從0.5 增大至0.8 時(shí)，巷道圍巖變形量隨著水灰比的增大而增大，這是由于水灰比過大導(dǎo)致漿液固結(jié)體強(qiáng)度降低，進(jìn)而造成圍巖控制效果不佳。所以該錨注支護(hù)中漿液的最佳水灰比為0.5。

3.3 加固層厚度影響圍巖控制效果

在上述錨網(wǎng)參數(shù)和注漿漿液參數(shù)的條件下，確定水灰比為0.5，假設(shè)注漿加固層厚度分別為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0，研究不同注漿加固層厚度對錨注加固圍巖控制效果的影響。不同注漿加固層厚度與巷道圍巖變形的對應(yīng)曲線關(guān)系如圖3。

由圖3 可知，錨注支護(hù)條件下巷道圍巖變形量隨著注漿加固層厚度的增大，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這是由于注漿加固層厚度越大對巷道圍巖變形的約束力越強(qiáng)。當(dāng)注漿加固層厚度從1 000 mm 增大至1 800 mm 時(shí)，巷道圍巖變形量隨著注漿加固層厚度增大而減小的速率較快，當(dāng)注漿加固層的厚度大于1 800 mm 時(shí)，巷道圍巖變形量隨著注漿加固層厚度增大而減小的速率迅速減小，注漿加固層的厚度為1 800 mm 為1 個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)的巷道圍巖變形量為62 mm，巷道圍巖變形較小，能夠滿足圍巖控制要求。所以，綜合巷道圍巖控制效果和注漿加固成本，選取該注漿加固層厚度為1 800 mm。

圖3 注漿加固層厚度與巷道圍巖變形曲線

4 支護(hù)方案與現(xiàn)場觀測

4.1 支護(hù)方案

在2305N 下平巷采用錨注加固支護(hù)方案，具體支護(hù)方案為：錨桿為φ22 mm×2 500 mm 左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，每根錨桿對應(yīng)樹脂錨固劑各1 支，錨桿錨固力不小于150 kN。錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm。錨索采用φ16.8 mm× 7 300 mm 高預(yù)應(yīng)力鳥巢錨索，錨索托盤規(guī)格300 mm× 300 mm×12 mm，頂板布置3根錨索，排距為2 000 mm。巷道頂板和兩幫鋪掛φ6.0 mm 包邊鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。

在注漿漿液中，黏土為替代水泥摻加，黏土摻量為35%，速凝劑摻量為0.2%，緩凝劑摻量為1.5%，水灰比為0.5，注漿加固層厚度為1 800 mm。

4.2 現(xiàn)場觀測

將上述設(shè)計(jì)的錨注支護(hù)方案應(yīng)用于2305N 下平巷，對巷道進(jìn)行觀測，直至巷道變形趨于穩(wěn)定。觀測結(jié)果如圖4。

由圖4 可知，觀測時(shí)間0～21 d 過程中，隨著觀測時(shí)間的推移，巷道頂?shù)装遄冃魏蛢蓭妥冃屋^快；觀測21 d 之后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃嗡俾手饾u緩慢，27 d 后逐漸趨于穩(wěn)定；觀測點(diǎn)的巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?42 mm，兩幫最大位移量為104 mm；巷道最大頂?shù)装遄冃瘟亢妥畲髢蓭妥冃瘟烤谠试S的范圍內(nèi)。說明該錨注加固支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)較合理。

圖4 觀測點(diǎn)巷道圍巖變形量

5 結(jié) 論

1）通過理論計(jì)算確定選取錨桿長度為2.5 m，間排距為1 000 mm×1 000 mm。

2）在注漿漿液中，黏土摻量為35%，速凝劑摻量為0.2%，緩凝劑摻量為1.5%，水灰比為0.5，注漿加固層厚度為1 800 mm。

3）觀測點(diǎn)的巷道頂?shù)装逦灰屏孔畲鬄?42 mm，兩幫為104 mm；巷道最大頂?shù)装遄冃瘟亢妥畲髢蓭妥冃瘟烤谠试S的范圍內(nèi)。該錨注加固支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)較合理。