孫 輝，陳 晨，馬振乾，師 思

(1.重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，重慶 404100；2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

隨著煤炭資源的進一步開發(fā)，復(fù)雜條件下的煤層開采，逐漸成為制約煤礦高效生產(chǎn)的瓶頸，重復(fù)跨采軟巖巷道圍巖控制技術(shù)難題便是其中之一[1-4]。對此，眾多學(xué)者開展了一系列研究[5-12]，例如：荊升國等針對蘆嶺煤礦28采區(qū)底板準(zhǔn)備巷道需承受上部工作面重復(fù)跨采影響的特點，在分析巷道圍巖變形機理和巷道原有支護技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出“主-被動耦合一體化支護技術(shù)”[13]。馬振乾等通過相似模擬試驗結(jié)合數(shù)值計算研究了重復(fù)跨采下煤層底板巷道圍巖應(yīng)力及位移特征，提出了雙層錨網(wǎng)噴聯(lián)合中空注漿錨索的控制技術(shù)[14]。李學(xué)華等通過FLAC2D模擬了高水平應(yīng)力跨采巷道圍巖的變形破壞規(guī)律，提出了在關(guān)鍵部位采取非均勻支護的技術(shù)體系[15]。王建行等通過回歸分析和FLAC3D模擬預(yù)測了復(fù)雜開采條件下底板巷道在跨采過程中的最大位移變形量，根據(jù)結(jié)果提出了巷道的二次加固方案[16]。

重復(fù)跨采軟巖巷道在多次采動應(yīng)力影響下，圍巖強度大幅降低、巖體呈現(xiàn)松散破碎狀，具有明顯的流變性、膨脹性特征，常規(guī)支護手段都難以控制該類巷道保持長期穩(wěn)定。鑒于此，以淮北蘆嶺礦II82運輸上山為工程背景，在分析重復(fù)跨采影響下巷道變形破壞原因的基礎(chǔ)上，提出采用“常規(guī)錨網(wǎng)噴+淺部圍巖注漿強化加固+礦用高強錨索束聯(lián)合中空注漿錨索支護”控制技術(shù)，取得了較好的效果，可為相似圍巖條件的巷道支護提供一定的借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

淮北蘆嶺礦Ⅱ82運輸上山，上距9煤底板平均法距為40m，埋深為-460～-585m，巖層傾角為5°～10°，局部巖性較弱，以泥巖和粉砂巖為主，且層理較發(fā)育。巷道布置如圖1所示。Ⅱ82運輸上山上覆煤層主要為8煤、9煤，平均厚度分別為10.3m、2.3m，都具瓦斯突出危險，開采過程中先采8煤頂分層解突，再通過綜放采8煤底分層，最后對9煤進行開采。Ⅱ82運輸上山同一區(qū)段在上覆煤層開采過程中需承受高達9次的跨采影響。

圖1 II82運輸上山布置示意圖

2 巷道變形破壞分析

2.1 巷道變形破壞特征

Ⅱ82運輸上山一至四區(qū)段采用U29支架支護，五區(qū)段采用“錨網(wǎng)噴+注漿+錨索”支護。在經(jīng)歷2次跨采后，變形破壞具以下特征：

1)U29支架支護段巷道破壞特征主要表現(xiàn)為支架非對稱變形、嚴(yán)重底鼓。在空頂、空幫及上覆采面跨采方向的作用下，支架負(fù)載不均勻，加之支架自身側(cè)面抗壓能力差，導(dǎo)致支架發(fā)生整體變形甚至傾倒，呈現(xiàn)出非對稱變形破壞。

2)錨網(wǎng)噴支護段巷道破壞特征主要表現(xiàn)為巷道頂、底、幫整體劇烈緊縮變形破壞，巷道多從鋼帶接合處和金屬網(wǎng)壓茬處突破破壞。

2.2 巷道動態(tài)失穩(wěn)原因分析

2.2.1 巷道圍巖強度

為進一步分析巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)，在Ⅱ82運輸上山取巖塊加工制成巖石試件分別進行抗壓和抗拉強度實驗，實驗采用815.02型電液伺服巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)。由于巖塊松軟，難以加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸圓柱形試件，為保證巖石試件能完整加工成圓柱形，故適當(dāng)加大了試件直徑和高度，理論上與標(biāo)準(zhǔn)尺寸圓柱形試件實驗結(jié)果相近，存在一定差別，但基本能反映巖石整體的力學(xué)性質(zhì)。巖石抗壓強度實驗試件直徑為60～65mm，高度為96～108mm；巖石抗拉強度實驗試件直徑為59～65mm，高度為54～57mm，實驗結(jié)果見表1和表2。

表1 巖石抗壓強度實驗結(jié)果

表2 巖石抗拉強度實驗結(jié)果

巖石試件的平均抗壓強度為15.26MPa，堅固性系數(shù)f為1.526，級別為VI級，堅固程度比較軟；巖石試件的平均抗拉強度僅為1.43MPa。由此可見，Ⅱ82運輸上山局部巖性弱，自身強度低，難以在多次重復(fù)跨采下保持穩(wěn)定。

2.2.2 圍巖流變影響

蘆嶺煤礦Ⅱ82運輸上山，圍巖中泥巖所占比重大，且泥巖中黏土成分含量高，同時層理發(fā)育充分，自身強度低，屬于典型的軟巖巷道。通過礦壓觀測分析，Ⅱ82運輸上山在掘出90d后的1年內(nèi)圍巖的平均變形速度高達1.8～3.2mm/d，比正常巷道的流變速度高5～8倍左右。由此可見，在復(fù)雜高應(yīng)力、圍巖流變的影響下，Ⅱ82運輸上山自掘出以來，一直處于持續(xù)變形階段，始終無法穩(wěn)定下來，當(dāng)圍巖變形量一旦突破臨界點，巷道即完全失穩(wěn)。

2.2.3 巷道承受多次重復(fù)跨采影響

為進一步探究重復(fù)跨采對Ⅱ82運輸上山的變形破壞影響，在巷道變形破壞最嚴(yán)重處布置了3個6m深的窺視鉆孔，觀察分析圍巖松動圈的發(fā)展情況。結(jié)果顯示：左幫鉆孔深0～0.1m內(nèi)橫向和斜向裂隙環(huán)生，1m處出現(xiàn)15mm寬的環(huán)向大裂隙；右?guī)豌@孔深2.6m處出現(xiàn)8mm寬的斜向大裂隙，3.6m以后巖層完整性較好，如圖2所示。頂板上方0～0.2m內(nèi)，圍巖以松散碎裂狀為主，鉆孔深2.3m處出現(xiàn)寬9mm的環(huán)向裂隙，3.1m以上圍巖完整情況較好，如圖3所示?，F(xiàn)場鉆孔窺視分析表明，圍巖松動圈破壞范圍高達3～3.6m左右。

圖2 巷道幫部鉆孔窺視圖

圖3 巷道頂板鉆孔窺視圖

2.2.4 巷道支護方式

支護方式不合理，Ⅱ82運輸上山大部分區(qū)段采用U29支架支護，空頂空幫的存在，加之圍巖內(nèi)部未進行注漿加固，表層未進行噴漿，導(dǎo)致支架與圍巖間留有空隙不能緊密貼合，在重復(fù)跨采影響下，支架負(fù)載不均，承載能力急劇下降。

綜上，在巷道圍巖流變?nèi)趸?、多次重?fù)跨采影響、巷道支護方式不合理的相互耦合作用下，Ⅱ82運輸上山變形破壞劇烈，最終發(fā)生嚴(yán)重失穩(wěn)。

3 新型礦用高強錨索束

3.1 支護原理

礦用高強錨索束是一種多鋼絞線組合預(yù)應(yīng)力錨索。自由段鋼絞線表面加裝光滑套管以保證后期可自由張拉，在錨固段注漿錨固后，聯(lián)同錨頭的鎖緊，將錨頭施加的拉力傳至錨固區(qū)域，同時實現(xiàn)淺部圍巖的加固。錨固段的鋼絞線裸露不采用光滑套管能與砂漿良好粘結(jié)，通過注漿管進行全長注漿，完成端部錨固，在強化加固巷道破碎圍巖的同時將自由段的預(yù)應(yīng)力傳遞到巷道圍巖深處，進一步提高圍巖錨固體的承壓作用。

3.2 結(jié)構(gòu)特點

礦用高強錨索束的主體由4根直徑15.24mm(最小抗拉強度值大于等于1860MPa)的鋼絞線和注漿管構(gòu)成，錨索束結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。其他構(gòu)件包括：導(dǎo)向帽、堵漿圓鋼、箍環(huán)、自由段鋼絞線光滑套管、雙止?jié){塞、多孔鎖具、方形托板。

圖4 錨索束整體結(jié)構(gòu)

圖5 錨索束結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

3.3 施工方法

現(xiàn)場施工方法主要包括4步：

1)鉆孔：礦用高強錨索束直徑約為65mm，安裝孔徑設(shè)計為75～80mm，可采用大孔徑地質(zhì)鉆機進行施工，鉆孔結(jié)束后要檢查成孔質(zhì)量，不可堵塞，孔深要略大于錨索束設(shè)計長度，以便后期能順利推送入孔底。

2)安裝：礦用高強錨索束的現(xiàn)場安裝采用人工合作推送，由于主體由4根鋼絞線和注漿管構(gòu)成，鋼絞線具有一定韌性，所以現(xiàn)場安裝時確保束體順直。

3)注漿：礦用高強錨索束利用錨固段的鋼絞線裸露不采用光滑套管能與砂漿良好粘結(jié)，通過注漿管采用水泥砂漿進行全長注漿，同時實現(xiàn)端部錨固。水泥砂漿由325號普通硅酸鹽水泥、粒徑小于2mm的中細(xì)砂和水配制而成，比例為1∶0.5∶1。采用高壓注漿，壓力控制在5～6MPa，完成注漿后可用化學(xué)封孔劑或快凝水泥封孔。

4)張拉：礦用高強錨索束采用4根鋼絞線聯(lián)合協(xié)同預(yù)緊，整體預(yù)應(yīng)力按400kN設(shè)計，單根鋼絞線則為100kN。在漿液完全硬化凝固后方可張拉，間隔期一般不小于7d。錨具采用4孔一體式圓形錨具，張拉通過千斤頂采取分段逐級方式，以20kN為一級逐段逐根張拉。

4 工程應(yīng)用實踐

Ⅱ82運輸上山在多次跨采影響下，呈現(xiàn)應(yīng)力條件復(fù)雜、縱橫裂隙交叉發(fā)育、圍巖松動破壞范圍大等特點，在巷道試驗段采用了“常規(guī)錨網(wǎng)噴+淺部圍巖注漿強化加固+礦用高強錨索束聯(lián)合中空注漿錨索支護”控制技術(shù)。

4.1 巷道圍巖加固方案

4.1.1 常規(guī)錨網(wǎng)噴

首先將試驗巷道擴刷修復(fù)至4600mm×3600mm，然后對圍巖表層進行噴漿處理，厚度50mm。錨桿規(guī)格為M24-Φ22-2400mm，間排距為800mm×800mm，巷道正中頂部錨桿垂直布置，兩幫底角錨桿下扎25°布置，錨固方式為加長錨固，預(yù)緊力不小于80kN，錨固力不小于150kN。托板外形為方形球面，規(guī)格為200mm×200mm×10mm；金屬網(wǎng)尺寸為2500mm×900mm，施工結(jié)束后再次噴漿處理，厚度為50mm。

4.1.2 淺部圍巖注漿強化加固

完成常規(guī)錨網(wǎng)噴支護后，進行注漿錨桿淺部圍巖注漿強化，注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥，間排距1600mm×2400mm，從巷道底角依次向上注漿。注漿錨桿長度設(shè)計為2.0m，注漿鉆孔直徑為42mm，深度為2.8m，注漿壓力控制在不得大于3MPa。

4.1.3 礦用高強錨索束聯(lián)合中空注漿錨索加固

礦用高強錨索束規(guī)格設(shè)計為Φ65mm×10300mm，一個斷面布置4套，距巷道頂板中線兩邊1600mm各布置一套，距底板200mm處兩幫下扎25°各布置一套，排距設(shè)計為2400mm。中空注漿錨索一個斷面布置3套，間排距設(shè)計為3200mm×2400mm，規(guī)格為Φ22mm×6300mm，端部采用錨固劑錨固，注漿采用水灰比為1∶1的水泥漿液，高壓注漿，壓力保證在5～7MPa之間。支護完成后噴漿處理圍巖表面，厚度100mm，具體支護參數(shù)如圖6所示。

圖6 錨索束聯(lián)合中空注漿錨索支護參數(shù)圖(mm)

4.2 巷道圍巖加固效果分析

通過礦山壓力監(jiān)測與觀察，得到Ⅱ82運輸上山變形曲線，如圖7所示：

1)由圖7(a)圖可看出，常規(guī)支護非試驗段巷道在工作面跨采過程中，巷道底鼓量高達105mm，頂板位移最大達35mm，兩幫位移最大達58mm。

2)由圖7(b)圖可看出，礦用高強錨索束應(yīng)用試驗段巷道在工作面跨采過程中，巷道頂板、底板、幫部位移量依次為20mm、42mm、25mm，相對常規(guī)支護段分別降低43%、60%、57%，圍巖穩(wěn)定性得到大幅提高。

圖7 Ⅱ82運輸上山變形曲線

5 結(jié) 論

1)Ⅱ82運輸上山在經(jīng)歷上覆工作面2次跨采影響后，圍巖嚴(yán)重失穩(wěn)，變形破壞具有以下特征：U29支架支護段主要表現(xiàn)為支架非對稱變形、嚴(yán)重底鼓；錨網(wǎng)噴支護段則表現(xiàn)為頂、底、幫整體劇烈緊縮變形破壞。

2)通過巖石力學(xué)強度試驗、現(xiàn)場鉆孔窺視，結(jié)合理論分析，得出了重復(fù)跨采影響下Ⅱ82運輸上山動態(tài)失穩(wěn)的主要原因，即：巷道圍巖自身強度低、圍巖流變影響、多次重復(fù)跨采影響、支護方式選擇不合理。

3)針對重復(fù)跨采影響下的Ⅱ82運輸上山，采用“常規(guī)錨網(wǎng)噴+淺部圍巖注漿強化加固+礦用高強錨索束聯(lián)合中空注漿錨索支護”控制技術(shù)，結(jié)果顯示，在工作面跨采期間巷道頂板、底板、幫部位移量依次為20mm、42mm、25mm，相對常規(guī)支護非試驗段巷道分別降低43%、60%、57%，實現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制，可為相似圍巖條件的巷道支護提供一定借鑒。