文/黃超慧

目前，采深小于600m的煤礦巷道采用合適的支護(hù)方式均能有效控制圍巖，但對(duì)于采深大于600 m的深井巷道，巷道的掘進(jìn)與維護(hù)存在難度大、安全性差、成本高等問(wèn)題。面對(duì)深井復(fù)雜條件下的圍巖控制，普通錨桿支護(hù)技術(shù)不能滿足煤礦安全生產(chǎn)需要，巷道控制效果不夠理想，嚴(yán)重制約了礦井的安全生產(chǎn)。平煤股份四礦為優(yōu)化礦井生產(chǎn)系統(tǒng)，更好地滿足生產(chǎn)接替需要，根據(jù)礦井工程實(shí)際，通過(guò)采用理論分析，圍巖鉆孔檢查，錨固力試驗(yàn)，巷道變形監(jiān)測(cè)等綜合手段，探索適合復(fù)雜條件下的深井圍巖控制技術(shù)，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，為相似條件下礦區(qū)巷道圍巖控制提供了有益借鑒。

一、工程概況

平煤股份四礦戊九下延軌道第一車場(chǎng)為連接戊九采區(qū)與戊九下延采區(qū)準(zhǔn)備巷道，設(shè)計(jì)服務(wù)年限1 5 年，其對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高約為+240～+290m，井下標(biāo)高約為-540～-550m，該巷道垂深為740～930m，平均835m。戊九下延軌道第一車場(chǎng)的東西兩翼曾布置有兩個(gè)回采工作面，截至開(kāi)工之日，戊9-10-29190回采結(jié)束30天左右，戊9-10-29180回采結(jié)束50天左右。戊九下延軌道第一車場(chǎng)頂?shù)装逡苑凵百|(zhì)泥巖、細(xì)砂巖為主，且具有較強(qiáng)的膨脹性。巷道設(shè)計(jì)施工層位處于戊8煤層頂板上，自南向北與戊8煤層間距逐漸增大，車場(chǎng)南端距戊8煤層間距約2m，車場(chǎng)北端距戊8煤層間距約9m。

戊九下延軌道第一車場(chǎng)設(shè)計(jì)全長(zhǎng)為90m，40m為新掘巷道，50m為原有巷道維修。其中，50m原有巷道支護(hù)方式為錨網(wǎng)索噴注聯(lián)合支護(hù)，受深部高地應(yīng)力和附近采動(dòng)影響，巷道第1次局部（長(zhǎng)度約25m）挑頂擴(kuò)幫維修，采用錨網(wǎng)索支護(hù)形式；后采用36U5350可縮性拱形金屬支架進(jìn)行第2次維修，但是維修完工僅2個(gè)月后，巷道底鼓、支架變形嚴(yán)重，無(wú)法滿足通風(fēng)、軌道運(yùn)輸和行人等安全生產(chǎn)需要。所以，該巷道維修改造段是圍巖控制技術(shù)研究的關(guān)鍵區(qū)域。

二、巷道圍巖變形破壞特征分析

1.圍巖變形破壞特征

（1）深部巷道地應(yīng)力水平高，一旦巷道開(kāi)挖，圍巖即出現(xiàn)破壞。該施工巷道圍巖性質(zhì)主要以粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖為主，雖然巷道設(shè)計(jì)施工層位處于戊8煤層直接頂中，圍巖性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，但是由于巷道埋深超過(guò)800m，且受戊九下延軌道兩翼戊9-10-29190和戊9-10-29180采動(dòng)影響，所以巷道失修地段（50m）圍巖和支護(hù)呈現(xiàn)出工程軟巖巷道的破壞特征較為明顯。

（2）巷道變形出現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性變形破壞。原巷道采用錨網(wǎng)索噴注聯(lián)合支護(hù)，第1次維修前，巷道收縮變形后，頂板下沉、底鼓嚴(yán)重，巷道兩肩角處具有典型擠壓型變形破壞特征，圍巖破碎、噴層碎裂、金屬網(wǎng)張裂成兜。第2次維修時(shí)采用36U4550可縮性拱形支架支護(hù)（設(shè)計(jì)高度3000mm，下寬4550mm），施工時(shí)挑頂較少，支架不僅要支撐離層破碎巖石的自重，還要承載巷道圍巖深部應(yīng)力向淺部轉(zhuǎn)移的迭加，破壞特征呈現(xiàn)底鼓嚴(yán)重、支架扭曲折斷和兩幫收縮，最終巷道高度達(dá)到1400mm左右，下寬2900mm左右。巷道經(jīng)過(guò)多次維修圍巖松動(dòng)圈逐步擴(kuò)大，隨著時(shí)間推移變形壓力又迅速增大，新修巷道重新被破壞。

（3）大量現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果表明，在巷道維修整個(gè)過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的顯著變形破壞特征有以下幾個(gè)特點(diǎn)。一是錨桿破壞嚴(yán)重，維修現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錨桿以剪切彎扭破壞為主，少數(shù)錨桿為拉伸破壞，錨桿托盤(pán)出現(xiàn)明顯的外翻。二是錨索存在剪切破斷和拉伸破斷兩種現(xiàn)象，錨索單股鋼絞線斷口多數(shù)不等長(zhǎng)。三是金屬經(jīng)緯網(wǎng)在搭接處出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，錨桿錨索托盤(pán)將金屬網(wǎng)拉伸變形直至切斷。

2.圍巖鉆孔實(shí)測(cè)分析

維修施工中，采用鉆孔窺視儀對(duì)巷道圍巖破壞情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。原巷道經(jīng)過(guò)2次維修，2019年8月進(jìn)行第3次維修時(shí)，挑頂高度3.0～5.0m，擴(kuò)幫寬度（一側(cè)）為2.0～3.0m。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析：巷道頂板以上0～7m范圍內(nèi)局部出現(xiàn)裂隙，對(duì)錨桿（索）施工和支護(hù)質(zhì)量影響不大。巷幫0～2.7m范圍內(nèi)鉆孔時(shí)頻繁出現(xiàn)夾鉆、塌孔現(xiàn)象，以及藥卷穿不到孔底，不利于錨桿（索）施工，且對(duì)錨桿錨固力影響較大；巷幫2.7～5.0m范圍內(nèi)局部出現(xiàn)裂隙，對(duì)錨索施工和支護(hù)質(zhì)量有一定影響。巷幫采取注漿加固后，再施工錨桿錨索，對(duì)提高錨桿錨索錨固力、預(yù)應(yīng)力是十分必要的。

綜上所述，由于圍巖自身力學(xué)性質(zhì)差、支護(hù)系統(tǒng)整體承載能力有限、支護(hù)阻力與圍巖變形不協(xié)調(diào)、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)不及時(shí)，以及巷道位置、高地應(yīng)力和采動(dòng)影響的共同作用，造成了戊九下延軌道第一車場(chǎng)局部嚴(yán)重的變形失穩(wěn)，在巷道圍巖控制對(duì)策和技術(shù)路線確定時(shí)，需要綜合考慮以上因素的影響。

三、圍巖控制對(duì)策與支護(hù)方案設(shè)計(jì)

1.圍巖控制思路及對(duì)策

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及圍巖鉆孔實(shí)測(cè)資料分析，戊九下延軌道第一車場(chǎng)巷道圍巖破壞明顯，對(duì)圍巖穩(wěn)定控制造成較大困難，其中原有巷道維修段尤為突出。

（1）圍巖破碎。由于巷道圍巖破碎，普遍存在圍巖離層、掉頂片幫等現(xiàn)象，造成維修段刷大斷面以及巷道護(hù)表困難，此外，在施工錨桿作業(yè)時(shí)易出現(xiàn)錨固弱化，使得錨桿（索）支護(hù)效果降低。

（2）圍巖松動(dòng)圈范圍較大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔觀測(cè)，維修巷道圍巖松動(dòng)圈范圍較大，為1.4～2.5m，在該范圍內(nèi)鉆孔時(shí)易頻繁出現(xiàn)夾鉆、塌孔現(xiàn)象，不利于錨桿（索）施工。

（3）巷道斷面成型困難。由于巷道圍巖破碎松軟，且變形嚴(yán)重，在刷大或新掘巷道時(shí)，巷道成型輪廓不易把控，斷面形狀不規(guī)則，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低巷道整體穩(wěn)定性。

針對(duì)上述難點(diǎn)，圍巖控制思路及對(duì)策如下：

（1）提高巷道成型質(zhì)量。本次施工中采取預(yù)留光面層光爆法，爆破后人工刷擴(kuò)達(dá)到設(shè)計(jì)輪廓尺寸，控制圍巖環(huán)向裂隙，盡量保持巷道周邊的光滑平整，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)改善錨桿錨索安裝質(zhì)量基礎(chǔ)條件；然后初噴封閉圍巖，防止圍巖風(fēng)化潮解，出現(xiàn)離層、掉頂片幫等現(xiàn)象，減少圍巖強(qiáng)度的損失，維護(hù)和保持圍巖的殘余強(qiáng)度，為提高支護(hù)效果創(chuàng)造有利條件。

（2）提高圍巖自身承載力。對(duì)于破碎圍巖巷道支護(hù)，注漿加固是巷道圍巖控制的有效途徑。借鑒煤礦井巷圍巖“支護(hù)固”整體控制技術(shù)，為提高支護(hù)效果，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖狀況、施工條件，有針對(duì)性地優(yōu)化施工工藝。具體步驟如下：剝離圍巖松動(dòng)圈，在巷道掘出合格的斷面后，在最短的時(shí)間內(nèi)采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)控制頂板；巷道兩幫松動(dòng)圈大，進(jìn)行初噴注漿加固，漿液注入破碎圍巖裂隙，充填、嵌入破碎圍巖內(nèi)部裂隙，固化后整體性和抗壓強(qiáng)度顯著提高，再進(jìn)行錨桿錨索支護(hù)，可顯著提高錨桿錨索的錨固力與可靠性。

（3）提高錨桿錨索預(yù)緊力。錨桿支護(hù)剛度是關(guān)鍵因素，預(yù)應(yīng)力及其有效擴(kuò)散起決定性作用。合理的預(yù)應(yīng)力可使錨桿安裝后頂板處于壓應(yīng)力狀態(tài)，形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。單根錨桿作用范圍有限，需要通過(guò)托板、鋼帶等將預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到更遠(yuǎn)圍巖。深部復(fù)雜困難巷道應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度、高延伸率錨桿與錨索支護(hù)，通過(guò)合理的支護(hù)設(shè)計(jì)，盡量實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)有效控制圍巖變形，盡量避免二次支護(hù)。

（4）適時(shí)進(jìn)行二次支護(hù)與聯(lián)合支護(hù)。充分利用錨桿、錨索、錨注等各種支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，以適應(yīng)軟巖巷道變形，逐步地將圍巖變形量和變形速度控制在許可的范圍內(nèi)，最后形成圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定，取得預(yù)期的支護(hù)效果。需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)巷道進(jìn)行多次錨網(wǎng)索支護(hù)、噴注漿加固，對(duì)于支護(hù)抗力不是簡(jiǎn)單的疊加，而是根據(jù)圍巖的變形情況，對(duì)圍巖進(jìn)行多層面“分步加載、動(dòng)態(tài)耦合”，隨著圍巖松動(dòng)圈向圍巖深部發(fā)展，支護(hù)抗力由錨桿的淺部加載到長(zhǎng)錨索深部加載，根據(jù)圍巖變形逐步由淺到深分步完成，實(shí)現(xiàn)支護(hù)抗力與圍巖變形的空間和時(shí)間的耦合。

2.聯(lián)合支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)平煤股份四礦丁戊組石門(mén)、三水平皮帶機(jī)頭硐室、三水平己戊石門(mén)等地點(diǎn)高應(yīng)力軟巖巷道維修工程經(jīng)驗(yàn)，采用工程類比法，最終確定錨網(wǎng)索噴注聯(lián)合支護(hù)方案。其中，錨桿選用MSGLW500左旋無(wú)縱肋樹(shù)脂錨桿，規(guī)格為?22×2600mm；注漿管規(guī)格采用?=1 8 m m，L=2500mm中空注漿管；錨固劑采用MSCK2335和MSK2335型錨固劑，規(guī)格為?=23mm，L=350mm，類型為超快速和快速；錨索采用規(guī)格為?=22mm，L=7000mm，19絲鋼絞線錨索；注漿錨索采用規(guī)格為?=22mm，L=5300mm，中空注漿錨索。

具體支護(hù)參數(shù)：（1）巷道支護(hù)錨桿間排距為700×700mm；（2）注漿管間排距為1400×1400mm；（3）錨索間排距為1400×1400mm；（4）中空注漿錨索間排距為1400×1400mm。

巷道支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 維修支護(hù)斷面圖

四、工程應(yīng)用與效果分析

1.施工方案

戊九下延軌道第一車場(chǎng)巷道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)90m，其中50m為維修巷道，40m為掘進(jìn)巷道。維修段巷道由于圍巖松動(dòng)圈大，設(shè)計(jì)斷面高度10.0m，寬度10.0m，實(shí)體掘進(jìn)段巷道設(shè)計(jì)斷面高度4.5m，寬度5.8m。施工中，沿戊九下延軌道自北向南掘進(jìn)車場(chǎng)實(shí)體段，與戊九軌道下段貫通，后對(duì)戊九下延軌道失修巷道進(jìn)行維修改造為采區(qū)車場(chǎng)。

由于失修巷道圍巖破碎、松動(dòng)圈大，原U型鋼支護(hù)頂板上方已經(jīng)出現(xiàn)冒頂，最終確定采用挑頂擴(kuò)幫的施工方案，采取鉆爆法掘進(jìn)維修，挑頂高度3.0～5.0m，擴(kuò)幫寬度4.0～5.8m。鑒于巷道施工斷面大，采用臺(tái)階式施工法，自上而下，先頂后幫分階段進(jìn)行維修。施工工藝流程如下：

挑頂擴(kuò)幫刷大斷面達(dá)到設(shè)計(jì)輪廓尺寸→臨時(shí)支護(hù)，頂板施工錨桿錨索，防止頂板冒落→頂板、巷幫初噴，巷幫注漿加固→掛網(wǎng)施工幫錨桿錨索→復(fù)噴、第二次掛網(wǎng)打錨桿，打注漿錨索→第二次注漿→以礦壓監(jiān)測(cè)為依據(jù)，及時(shí)進(jìn)行復(fù)注。

為確保施工安全，巷道刷擴(kuò)斷面達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸后，必須在最短時(shí)間內(nèi)施工頂板錨桿錨索，做到頂板支護(hù)緊跟迎頭，允許兩幫錨桿適當(dāng)滯后。兩幫初噴4h后，打孔安裝注漿管注漿，兩幫錨桿允許滯后頂板支護(hù)最長(zhǎng)距離不超過(guò)4.8m。每個(gè)施工臺(tái)階高度控制在1.8m左右。按照高預(yù)應(yīng)力支護(hù)要求，錨桿預(yù)緊力矩不小于320N·m，錨索預(yù)緊力控制在250～450KN。

2.巷道圍巖控制效果分析

該巷道自2019年7月份開(kāi)工，10月份完工，采用巷道表面位移觀測(cè)方法進(jìn)行礦壓觀測(cè)。其中維修段共布設(shè)測(cè)站4個(gè)。測(cè)站1和測(cè)站2為頂板位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，兩個(gè)測(cè)站間距為25m。測(cè)站3為底板位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)站4為兩幫位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)站3和測(cè)站4位于測(cè)站1和測(cè)站2中間。巷道施工80天內(nèi)頂板最大下沉量為32mm，最大底鼓量為115mm，巷幫（兩側(cè)）最大移近量為63mm，支護(hù)效果良好。

五、結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、實(shí)測(cè)以及理論分析，對(duì)平煤股份四礦戊九下延軌道第一車場(chǎng)巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并開(kāi)展了工業(yè)性試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

1.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與鉆孔實(shí)測(cè)，分析了四礦戊九下延軌道第一車場(chǎng)巷道圍巖破壞特征，由于受采動(dòng)影響嚴(yán)重且埋深較大，其圍巖松動(dòng)圈范圍約為1.4～2.5m，且巷道表面淺層圍巖較為破碎，據(jù)此確定了圍巖控制方案。

2.針對(duì)軟巖巷道圍巖破壞特點(diǎn)和維修施工難點(diǎn)，提出了頂錨控頂，初噴護(hù)表，注漿加固，分步加載，耦合強(qiáng)化的圍巖控制思路，提出了多層次“錨噴注”一體化支護(hù)方案，打造以提高圍巖殘余強(qiáng)度和改善力學(xué)性質(zhì)為核心，以錨桿、錨索、錨注耦合支護(hù)為切入點(diǎn)，恢復(fù)和提高巷道圍巖支護(hù)工作阻力，形成一個(gè)由淺及深，由外而內(nèi)，由弱到強(qiáng)，多層次、多結(jié)構(gòu)和多單元的厚壁組合拱支護(hù)圈體，對(duì)控制軟巖巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定起到關(guān)鍵性作用。

3.根據(jù)支護(hù)方案，實(shí)施了工業(yè)性試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析表明巷道施工80天頂板最大下沉量32mm，最大底鼓量115mm，巷幫（兩側(cè)）最大移近量63mm，支護(hù)效果良好，為礦區(qū)相似條件下巷道圍巖控制提供了有益借鑒。