劉金廣，劉建莊

(1.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063800；2.華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210)

我國中東部礦區(qū)歷經(jīng)多年開采，越來越多的煤礦轉(zhuǎn)入深部，“三高一擾”引發(fā)的支護(hù)失效和安全問題愈發(fā)突出[1，2]，為破解深井高壓力下軟巖巷道的支護(hù)難題，相關(guān)單位和學(xué)者在應(yīng)力實(shí)測、支護(hù)理論和技術(shù)優(yōu)化等方面，開展了積極的探索和實(shí)踐[3-7]，豐富了支護(hù)理論和控制技術(shù)[8-10]。然而，深井孤島煤柱區(qū)石門受原巖應(yīng)力和多邊采動(dòng)應(yīng)力的疊加影響，巷道應(yīng)力環(huán)境極其復(fù)雜，呈現(xiàn)典型的非線性大變形趨勢，圍巖破碎范圍大，常規(guī)支護(hù)較難保障空間安全，借鑒案例不多。以開灤呂家坨礦-950二采運(yùn)輸石門揭7煤段為背景，通過理論分析綜合評定了孤島區(qū)域的應(yīng)力規(guī)模，結(jié)合FLAC3D模擬分析，實(shí)踐優(yōu)化了“多層次錨桿+錨索+注漿”的密集錨注技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了破碎圍巖的改性強(qiáng)化，確保了套修安全和支護(hù)穩(wěn)定。

1 工程概況

開灤集團(tuán)呂家坨礦位于河北省唐山市古冶區(qū)境內(nèi)，礦區(qū)地表為第四紀(jì)沖積平原。-950二采運(yùn)輸石門設(shè)計(jì)坡度8°13′20″～2°4′57″，巷道全長220m，研究地段地面標(biāo)高介于+22～+31m，揭露層厚3.64m的7-2煤40m左右，直接頂板為層厚4.38m的粉砂巖，上覆0.42m的7-1煤和14.75m厚的粉砂巖，直接底為層厚4.45m的泥巖～粉砂巖互層，下伏1.59m的8煤與9.90m的細(xì)砂巖，地層傾角6.0°，標(biāo)高-798.4～-800.3m。-950二采運(yùn)輸石門正斜交于-950二采運(yùn)輸山上方，與之最小距離在上部溜煤小井處12m，西北側(cè)與-950二采軌道巷水平間距29m，與-950二采軌道巷水平間距55m，與-950二采回風(fēng)石門水平間距71m，延展方向與5480Y運(yùn)輸巷在標(biāo)高-797.6點(diǎn)貫通，兩側(cè)上山煤柱各留設(shè)50m，外圍分別為6270、6271、6273工作面采空區(qū)，巷道關(guān)系如圖1所示。

圖1 -950二采運(yùn)輸石門孤島區(qū)域巷道布置

石門巷道初掘?yàn)榧芘镏ёo(hù)，支架規(guī)格4.8m×3.5m的29U(14m2)支架，棚距750mm，巷道初掘后25日內(nèi)收斂變形達(dá)960mm，單日變形收斂速度最高近42mm/d，變形最嚴(yán)重處巷道斷面縮小為不足7.0m2，大部分地段不足9.0m2，不能滿足過風(fēng)、設(shè)備安裝和運(yùn)輸?shù)囊?，亟待完成支護(hù)方案的改進(jìn)升級。

2 孤島區(qū)應(yīng)力分析

2.1 類型機(jī)理

石門巷道變形嚴(yán)重地段主要集中在揭煤區(qū)和小構(gòu)造發(fā)育區(qū)，巷道先后揭露12煤至8煤間5個(gè)煤層，需穿過落差低于25m的小斷層6個(gè)，加之深井高應(yīng)力下采掘應(yīng)力的疊加作用，巷道周邊較大范圍煤巖體破碎，自穩(wěn)能力低下，其周期失穩(wěn)進(jìn)程為構(gòu)造揭露點(diǎn)和上幫角煤巖界面的巖體首先擠入，造成U型鋼棚扭曲失效，可見，造成初掘支護(hù)失效的主要原因在于高應(yīng)力作用下巖體破碎，架棚被動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度不足。根據(jù)金尼克地應(yīng)力假說，取巖體容重24.5kN/m3和泊松比0.25，計(jì)算所得孤島區(qū)-800m標(biāo)高垂直應(yīng)力σv=20.75MPa，水平應(yīng)力σh=7.25MPa。2014年采用KX-81型空心包體法測得的呂家坨礦-800m八采區(qū)5831運(yùn)輸石門原巖最大主應(yīng)力近水平方向26.64MPa，中間主應(yīng)力接近自重應(yīng)力21.95MPa，最小主應(yīng)力15.49MPa，屬于構(gòu)造應(yīng)力場類型[11-15]，與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本一致。

2.2 理論計(jì)算

為進(jìn)一步查明孤島區(qū)域在巷道側(cè)向方向受6270、6271、6273等工作面的采動(dòng)應(yīng)力影響情況，依據(jù)傳統(tǒng)的礦山壓力理論，工作面回采后，根據(jù)極限平衡理論，計(jì)算采動(dòng)超前應(yīng)力影響區(qū)，煤壁前方支承壓力計(jì)算時(shí)，分別計(jì)算塑性區(qū)和彈性區(qū)的支承壓力[16]?；谑T所在的7-2煤，塑性區(qū)應(yīng)力由式(1)計(jì)算，彈性區(qū)應(yīng)力由式(2)計(jì)算。

式中，C為界面粘聚力，取0.02MPa；φ為層間內(nèi)摩擦角，取25°；x為待求應(yīng)力點(diǎn)距離終采線距離，m；m為煤層厚度，取3.64m；P1為終采線煤壁約束力，取0MPa；β為測壓系數(shù)，取0.4；k為垂直應(yīng)力集中系數(shù)，取2；x0為塑性區(qū)寬度，m；x1為彈性應(yīng)力升高區(qū)寬度，m。

垂直應(yīng)力取21.95MPa進(jìn)行計(jì)算，由式(3)和式(4)可得塑性區(qū)寬度為11.26m，彈性應(yīng)力升高區(qū)寬度為45.80m，則整個(gè)采動(dòng)應(yīng)力影響區(qū)寬度為34.4m，其中-950二采運(yùn)輸石門東南側(cè)采動(dòng)應(yīng)力分布如圖2所示，可見孤島區(qū)域留設(shè)的50m護(hù)巷煤柱可避開兩側(cè)采動(dòng)應(yīng)力的顯著疊加，但局部破碎地段和構(gòu)造殘余地段高應(yīng)力下會引起石門周邊塑性區(qū)和破碎區(qū)的加大，鉆孔窺視儀實(shí)測的圍巖松動(dòng)圈范圍為1.8～2.6m，常規(guī)架棚和錨桿均不能確保巷道安全和運(yùn)營。

圖2 -950二采運(yùn)輸石門采動(dòng)應(yīng)力分布曲線

3 密集錨注聯(lián)合支護(hù)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 密集錨注聯(lián)合支護(hù)方案

針對-950二采運(yùn)輸石門孤島區(qū)域過煤破碎地段圍巖應(yīng)力高、破碎范圍大等支護(hù)難點(diǎn)，將原被動(dòng)架棚支護(hù)方案，調(diào)整為“兩層次錨桿+錨索+注漿”的密集錨注聯(lián)合支護(hù)方案，如圖3所示。

圖3 -950二采運(yùn)輸石門聯(lián)合支護(hù)方案(mm)

1)頂板選用直徑?20mm的長度2.4m的HRB400-20MnSi無縱肋右旋螺紋鋼錨桿，煤幫為同類型長度2.6m的螺紋鋼錨桿，一層次錨桿間排距750mm×750mm，二層次在間排空擋間補(bǔ)打同種規(guī)格錨桿，形成間排距530mm×530mm的密集錨桿布置方式，托盤為120mm×120mm、厚度6mm的蝶型托盤。

2)錨索為長度6.0m直徑?18.9mm的1×7股1860級高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，排距為1.5m，配合400mm×400mm、厚度14mm的大托盤強(qiáng)力護(hù)表。

3)注漿錨桿選用內(nèi)部設(shè)置逆止閥的自閉注漿錨桿，基體桿外徑?20mm，長度為2.2m，間排距1.1m×1.5m，注漿用P.O42.5水泥，水灰比0.8～1.1，注漿壓力為1.5～2.5MPa，注漿壓力不大于3MPa。

4)混凝土噴層強(qiáng)度C20，采用三次噴層兩次掛網(wǎng)布置，開挖后初噴凈漿厚度60～80mm，第二噴層厚度80～100mm、第三噴層厚度40～60mm，掛網(wǎng)為礦用廢棄鋼絲繩經(jīng)緯編網(wǎng)，主繩?6mm×4股，輔繩?6mm×2，網(wǎng)孔規(guī)格為120mm×120mm。

施工工藝為：打預(yù)注漿錨桿、預(yù)注漿→掘進(jìn)→進(jìn)行一層次噴漿→打錨桿孔安裝錨桿→掛鋼絲繩→打錨索孔安裝錨索→打注漿錨桿孔安裝注漿錨桿→進(jìn)行二層次噴漿→打二層次錨桿→進(jìn)行三層次噴漿→注幫底注漿錨桿→注頂板注漿錨桿。

3.2 聯(lián)合支護(hù)方案FLAC3D數(shù)值模擬分析

為綜合評定密集錨注方案的可靠性，以ANSYS12.0有限元軟件建立模型并導(dǎo)入FLAC3D軟件開展比對模擬研究[17]，F(xiàn)LAC3D塊體模型如圖4所示。模型包括煤、細(xì)砂巖、粉砂巖等各類巖層9層，模型四周和底部滾軸支撐，Z向上邊界加載應(yīng)力21.95MPa，采用應(yīng)變軟化本構(gòu)關(guān)系，注漿區(qū)塑性參數(shù)強(qiáng)化為原值的3倍，支架以BEAM單元模擬，錨桿和錨索以CABLE單元模擬，BEAM單元參數(shù)按照29U型鋼選取，CABLE單元參數(shù)分別按照?20mm螺紋鋼、?18.9mm鋼絞線和?20mm注漿管選取。

圖4 FLAC3D塊體模型

塑性區(qū)和位移云圖如圖5所示，模擬結(jié)果顯示，兩方案塑性區(qū)均較大，剪切破壞為主，架棚支護(hù)方案塑性區(qū)深達(dá)9.2～12.4m，密集錨注方案塑性區(qū)為5.1～7.6m。但明顯可以看出，前者兩幫、底部變形劇烈、屈服過程明顯，后者對頂幫區(qū)域塑性發(fā)展控制明顯，最大位移僅為69.4mm。

圖5 塑性區(qū)和位移云圖

最大主應(yīng)力SZZ云圖如圖6所示，應(yīng)力云圖顯示，應(yīng)力下降調(diào)整范圍比后者更小(前者最大21.62MPa，后者20.83MPa)。云圖整體顯示后者錨桿受拉分布較為均勻、后期位移隨計(jì)算時(shí)步趨穩(wěn)，應(yīng)判定支護(hù)穩(wěn)定，密集錨注方案在塑性區(qū)發(fā)育、應(yīng)力調(diào)整和收斂位移控制方面，效果更佳，具備確保輪廓收斂值低于10cm的可靠性。

圖6 最大主應(yīng)力SZZ云圖

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

通過石門密集錨注修復(fù)治理，巷道施工198d兩幫最大移近量降低為128mm，頂?shù)鬃畲笠平?35mm，實(shí)測結(jié)果見表1。由實(shí)測結(jié)果可知，巷道沒有發(fā)生底鼓擠軌和噴層爆漿現(xiàn)象，滿足了設(shè)備運(yùn)輸和安裝要求，與原支護(hù)的多次架棚套修相比，米巷節(jié)約直接費(fèi)用6030.6元，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

表1 呂家坨礦深部區(qū)域原巖應(yīng)力實(shí)測結(jié)果

4 結(jié) 語

呂家坨礦孤島區(qū)留設(shè)50m的停采煤柱可避開石門遭受兩側(cè)采動(dòng)應(yīng)力疊加影響，但深井高原巖應(yīng)力下被動(dòng)架棚支護(hù)難以在支護(hù)強(qiáng)度上確保石門長期支護(hù)穩(wěn)定。因此，采用“兩層次錨桿+錨索+注漿”的密集錨注聯(lián)合支護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)了對破碎圍巖的改性強(qiáng)化，錨桿和錨索能夠生根錨固，提供支護(hù)強(qiáng)度高，有效控制了巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育和收斂位移。