張德飛，張慶林，張洪偉，盧志國，鄭仰發(fā)，范明建

（1.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 華豐煤礦，山東 泰安 271413；2.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部，山東 泰安 271223；3.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013）

0 引 言

隨著我國煤炭開采規(guī)模的提升以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的快速增長，淺部資源逐漸枯竭，深部開采成為必然發(fā)展趨勢，習(xí)近平總書記提出“向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題”。 我國已探明1 000 m以深煤炭資源探明儲量占我國煤炭資源總量49%，超千米深井煤層開采過程中，回采巷道受強(qiáng)烈采動持續(xù)大變形、巖層巷道安全高效支護(hù)控制等系列難題亟待解決［1-2］。

張農(nóng)等［3］研究認(rèn)為巷道受采動影響時圍巖應(yīng)力可達(dá)到數(shù)倍、甚至近10 倍于原巖應(yīng)力，深部巷道原巖應(yīng)力大，開挖引起集中應(yīng)力對巷道圍巖破壞更劇烈，并且表現(xiàn)出與淺部巷道不同的特征，形成其獨(dú)特理論。 高應(yīng)力作用下，巷道圍巖強(qiáng)烈擴(kuò)容、持續(xù)大變形、嚴(yán)重破壞等非線性特征明顯［4］。 深部巷道圍巖分區(qū)破壞現(xiàn)象突出［5-7］，陳昊祥等［8］建立深部巷道圍巖分區(qū)破裂非線性模型。 高富強(qiáng)等［9］采用FLAC 對巷道分區(qū)破裂進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析巷道形狀對分區(qū)破裂的影響。 李術(shù)才等［10］研究了深部巷道圍巖分區(qū)破裂現(xiàn)象的現(xiàn)場檢測技術(shù)。 黃炳香等［11］指出深部巷道圍巖變形由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，圍巖流變、擴(kuò)容不斷增加，并對巷道圍巖流變及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)大變形理論進(jìn)行了研究。 在深部巷道圍巖控制方面，康紅普［12］提出了高預(yù)應(yīng)力錨桿一次支護(hù)理論，研發(fā)高壓劈裂注漿改性技術(shù)，開發(fā)水力壓裂技術(shù)，形成高預(yù)應(yīng)力錨桿-注漿改性-水力壓裂卸壓“三主動”協(xié)同支護(hù)理念。 馬念杰等［13］提出了蝶形塑性區(qū)理論，及深部大變形控制理論。 劉泉聲等［14］認(rèn)為深部巖石工程穩(wěn)定性受高地應(yīng)力、滲透壓力及溫度梯度影響，并提出了超高強(qiáng)錨桿支護(hù)-注漿固結(jié)-能量釋放等控制方法。 柏建彪等［15］認(rèn)為深部巷道控制的基本方法為提高圍巖自承能力，轉(zhuǎn)移圍巖高應(yīng)力。勾攀峰等［16］提出了基于強(qiáng)力支護(hù)原理的巷道錨桿-錨索協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)。 姜耀東等［17］分析高預(yù)應(yīng)力錨桿、強(qiáng)力錨索、金屬網(wǎng)和噴漿加固以及U 型支架對軟巖控制的互補(bǔ)作用，提出了互補(bǔ)綜合治理方案。文獻(xiàn)［18-21］針對深部不同功能類型的巷道研究了動壓大變形破壞及防沖條件的圍巖控制技術(shù)。

筆者以新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華豐煤礦埋深1 300 m 的回采巷道為工程背景，基于現(xiàn)場地質(zhì)力學(xué)綜合測試和圍巖非均勻性破壞機(jī)理研究，提出預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)錨桿-錨注錨索聯(lián)合支護(hù)方案；并實(shí)施了現(xiàn)場井下工業(yè)性試驗(yàn)，通過錨桿支護(hù)力、圍巖應(yīng)力與頂板多點(diǎn)離層等綜合監(jiān)測分析，驗(yàn)證了巷道支護(hù)安全穩(wěn)定性。 可為類似超深巷道圍巖控制提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

華豐煤礦已有百年開采歷史，采深超過千米之后，4 號主采厚煤層沖擊地壓顯現(xiàn)愈加強(qiáng)烈。 保護(hù)層開采可降低被保護(hù)層的沖擊危險性，是經(jīng)濟(jì)有效的卸壓防沖方法。 為從礦井“區(qū)域防沖”上治理沖擊地壓災(zāi)害，礦井布局為先開采底部6 號煤層作為保護(hù)層（無煤柱開采），充分卸壓后再開采上部4 號厚煤層。

2613 回采工作面下平巷位于井下五水平下山二采區(qū)-1 180 m 水平，埋深1 300 m 左右，目前是華豐煤礦采深最大的煤層巷道，直墻半圓拱斷面，掘進(jìn)寬度4 300 mm，高度3 350 mm。 6 號煤層為結(jié)構(gòu)簡單薄煤層，平均厚度1.1 m，厚度穩(wěn)定，黑色，光澤較暗，為亮-半暗型煤，煤層平均傾角32°，周圍無工作面掘進(jìn)采動影響。 煤層綜合柱狀圖如圖1 所示，頂板為粉砂巖（灰黑色，Ⅰb 級，水平層理發(fā)育，夾白色細(xì)條紋，斜向節(jié)理，易冒落）、中砂巖（厚層狀，多層理結(jié)構(gòu)），底板為粉砂巖。

2 現(xiàn)場圍巖地質(zhì)力學(xué)綜合測試

2.1 地應(yīng)力測試

2.2 頂板圍巖窺視

通過2613 回采工作面下平巷掘進(jìn)工作面頂板錨索鉆孔進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)窺視，孔壁平面展開如圖2所示。 鉆孔淺部0.2～0.5 m、1.1～1.3 m 范圍內(nèi)局部存在明顯張開裂隙、破碎情況，頂板砂巖自然賦存結(jié)構(gòu)完整性一般。

巷道掘進(jìn)過程短時期內(nèi)，受超高地壓卸壓擾動影響，常規(guī)錨桿支護(hù)范圍內(nèi)、圍巖表面淺部出現(xiàn)破碎變形情況，層理間出現(xiàn)逐漸滑移錯動現(xiàn)象。

3 巷道非均勻性變形破壞機(jī)理

3.1 現(xiàn)場勘查

通過巷道現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，2613 回采工作面下平巷（一段）巷道掘進(jìn)后下幫破碎鼓包，最大變形量1 000 mm，回采過程超前支護(hù)段兩幫移近量、底鼓量均超過1.5 m，巷道回縮率超過50%。 嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)。

圖2 頂板巖層結(jié)構(gòu)鉆孔窺視展開Fig.2 Expanded view in roof strata structure of drilling holes

巷道大變形影響因素包括以下2 個方面：

1）地質(zhì)條件方面。 首先，超高地應(yīng)力巖層開挖后，水平主應(yīng)力差值大，最大差值達(dá)18.1 MPa。 由于高偏應(yīng)力的作用，導(dǎo)致巷道開挖后煤巖體內(nèi)部節(jié)理、裂隙、裂紋張開，出現(xiàn)新裂紋，加快了巷道圍巖破壞速度。 巷道埋深大，地應(yīng)力水平、偏應(yīng)力高是導(dǎo)致巷道變形破壞嚴(yán)重、維護(hù)難度大的根本原因；其次，巖層32°大傾角在深部高地應(yīng)力的作用下易造成圍巖層理間移動或滑動現(xiàn)象的發(fā)生，為巷道支護(hù)帶來困難。 井下現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一般新掘拱形巷道的拱頂下拱部最先發(fā)生破壞，出現(xiàn)網(wǎng)兜鼓包、巖體破碎，該部位的錨桿剪切破斷概率高。 巷道圍巖首先從頂板的下拱部及下幫垂直巖層方向開始出現(xiàn)破壞，同時在頂板很大范圍內(nèi)出現(xiàn)離層現(xiàn)象，造成巷道出現(xiàn)非均勻性破壞。

2）支護(hù)技術(shù)方面。 支護(hù)材料主要為600 號熱軋細(xì)牙全螺紋錨桿，鋼材沖擊吸收功平均32.3 J，受深部沖擊能量頻繁釋放影響，孔內(nèi)巖層錯動容易將桿體無明顯頸縮下剪斷。 頂板注漿錨索出現(xiàn)在錨具與托板間發(fā)生破斷問題，主要原因是缺少調(diào)心球墊，安裝預(yù)緊時造成鋼絲受偏斜張拉，圍巖變形時分股破斷。

此外，頂板局部補(bǔ)強(qiáng)錨桿采用MG400 號熱軋全螺紋錨桿，破斷力較低。 錨索安裝預(yù)緊力設(shè)計(jì)值100 kN 偏低，不能充分發(fā)揮鋼絞線材料主動支護(hù)力性能。 以上支護(hù)材料的破壞失效進(jìn)一步造成圍巖大變形加劇。

3.2 巷道破壞數(shù)值模擬分析

依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)力學(xué)測量，采用3DEC 離散元模擬軟件研究2613 回采工作面下平巷在掘進(jìn)和回采全階段的圍巖應(yīng)力重新分布與變形破壞情況。1 300 m 埋深垂直地應(yīng)力為32.5 MPa，第一、第二水平主應(yīng)力分別為30.3、16.8 MPa。 巷道破壞模擬結(jié)果如圖3a 所示，巷道開挖后圍巖表面受卸載差應(yīng)力作用發(fā)生快速破壞，斷面呈現(xiàn)非均勻性變形破壞特征，超深煤層巷道中，受巖層大傾角地質(zhì)特征的影響，巷道下拱部及下幫位移量和底鼓量較大。

受工作面回采超前動壓影響過程的巷道變形如圖3b 所示，巷道斷面回縮率大于50%。 通過監(jiān)測不同測點(diǎn)的垂直位移、水平位移及總位移繪制巷道變形輪廓線，直觀清晰地反映出巷道圍巖不同位置變形破壞形態(tài)，為巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

反思環(huán)節(jié)是翻轉(zhuǎn)課堂必不可少的一個內(nèi)容.通過該環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生對本節(jié)課的知識進(jìn)行總結(jié)，對解題方法進(jìn)行提煉.

圖3 超深巷道掘進(jìn)回采變形破壞模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of deformation and failure in ultra-deep roadway excavation

4 工程試驗(yàn)與監(jiān)測分析

4.1 巷道支護(hù)方案

基于上述現(xiàn)場地質(zhì)力學(xué)測試、巷道變形機(jī)理研究，提出了超高強(qiáng)熱處理預(yù)應(yīng)力錨桿-錨注錨索聯(lián)合支護(hù)方案（圖4），對應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)、注漿加固，并在2613 回采工作面下平巷（二段）開展了巷道支護(hù)現(xiàn)場試驗(yàn)。

圖4 試驗(yàn)巷道新型支護(hù)布置Fig.4 Layout drawing of new support for test roadway

1） 超 高 強(qiáng) 錨 桿 材 料： CRMG700 屈 服 強(qiáng) 度700 MPa，屈服力不低于266 kN，極限拉斷力不低于323 kN，斷后延伸率不低于18%，沖擊吸收功不低于100 J。 桿體直徑22 mm，長度為2.4 m，桿尾螺紋規(guī)格為M24，螺紋長度150 mm，采用滾絲加工工藝成型。

錨桿間排距900 mm×900 mm，每排11 根；安裝預(yù)緊轉(zhuǎn)矩≥450 N·m，轉(zhuǎn)化軸向預(yù)緊力80 ～100 kN。

2）先錨固后注漿錨索材料：?22 mm，1×9 股高強(qiáng)度低松弛中空預(yù)應(yīng)力鋼絞線，破斷拉力不低于480 kN，最大力延伸率不小于5%，配套封堵膠塞；頂板用錨索長度6 300 mm，巷幫用錨索長度4 300 mm，鉆孔直徑30 mm。 錨索排距1 800 mm，每排4根，頂板下拱部布置2 根，兩幫各1 根。 錨索初始預(yù)緊力要求安裝張拉損失后不低于250 kN。 注漿材料為42.5 等級普通硅酸鹽水泥，混水?dāng)嚢钑r添加ACZ-1 注漿劑（添加比例8%）。 距掘進(jìn)工作面50 m 后使用氣動泵進(jìn)行一次集中注漿，終止壓力不大于3 MPa。

頂板護(hù)表構(gòu)件采用六孔拱形W 鋼帶，規(guī)格尺寸為4 300 mm×280 mm×4 mm，巷幫采用W 型四肋鋼護(hù)板護(hù)表，規(guī)格尺寸為450 mm×280 mm×6 mm，圍巖表面鋪設(shè)8 號菱形鐵絲網(wǎng)。

4.2 綜合監(jiān)測

1）錨桿支護(hù)力監(jiān)測。 在試驗(yàn)巷道距掘進(jìn)工作面20 m 處安裝了全斷面錨桿測力計(jì)，距掘進(jìn)工作面24 m 后錨桿所受穩(wěn)定軸力比預(yù)緊載荷普遍增加1倍以上，全斷面錨桿最大軸向拉力為261 kN（下幫拱肩4 號錨桿）。

高預(yù)緊力錨桿增阻較快且容易達(dá)到穩(wěn)定值，1號下幫中部錨桿在安裝2 d 后迅速增阻達(dá)到穩(wěn)定值，4 號錨桿在安裝5 d 后迅速增阻達(dá)到穩(wěn)定值（超過桿體屈服力），受掘巷擾動時間空間效應(yīng)均較短，距掘進(jìn)工作面30 m 左右時已基本達(dá)到承載穩(wěn)定狀態(tài)。 對阻止圍巖變形作用顯著。 低預(yù)緊力錨桿增阻緩慢，且受掘巷擾動時間空間效應(yīng)均較長，距掘進(jìn)工作面80 m 后才基本達(dá)到穩(wěn)定承載狀態(tài)。 穩(wěn)定后承載值仍然較高，對阻止圍巖變形作用較遲緩。

2）四點(diǎn)離層量監(jiān)測。 在巷道圍巖內(nèi)設(shè)計(jì)4 個深度點(diǎn)進(jìn)行相對離層監(jiān)測，緊跟掘進(jìn)工作面頂板、下幫拱腳各安裝1 套在線四點(diǎn)離層實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，鉆孔內(nèi)監(jiān)測深度分別為2.3、4、5、6.5 m。

監(jiān)測系統(tǒng)安裝24 d 后，巷幫監(jiān)測鉆孔內(nèi)淺部0～2.3 m 深度內(nèi)（錨桿支護(hù)范圍）圍巖離層變形量104 mm，0 ～4 m 深度范圍內(nèi)離層變形量155 mm，2.3～4.0 m 深度范圍圍巖離層變形量51 mm。 0 ～6.5 m 深度范圍內(nèi)總離層變形量175 mm（儀器安裝第4 周內(nèi)變形量未增加）。 因此，分析可知，巷幫錨索支護(hù)范圍的4 m 深度內(nèi)圍巖離層變形量相對監(jiān)測孔0～6.5 m 深度范圍的占比超過88.6%，說明圍巖主要膨脹變形發(fā)生于距巷表4 m 深度內(nèi)。 下幫各點(diǎn)深度圍巖位移已基本穩(wěn)定，頂板離層傳感器的錨固點(diǎn)鋼絲因孔內(nèi)巖層破碎錯動被剪斷（圖5）。

圖5 四點(diǎn)離層儀在線監(jiān)測曲線Fig.5 Online monitoring curve of four-point separator

3）鉆孔應(yīng)力監(jiān)測。 2613 回采工作面下平巷（二段）安裝了KJ649 煤礦沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)，每隔25 m 在上幫煤層內(nèi)安裝1 組（2 個）鉆孔應(yīng)力監(jiān)測計(jì)，深度分別為5、10 m，初始預(yù)載壓應(yīng)力4.5 MPa，掘巷初期3 個月內(nèi)煤層應(yīng)力變化曲線如圖6 所示。

圖6 鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 Monitoring data of drilling stress gauge

連續(xù)監(jiān)測分析可得：安裝初期受巷道開挖擾動影響均出現(xiàn)鉆孔應(yīng)力迅速增大的現(xiàn)象，最大應(yīng)力6.1 MPa，增阻比例35%。 受超深部沖擊能量多次作用后，鉆孔應(yīng)力呈現(xiàn)緩慢或較快降低的過程。 之后出現(xiàn)應(yīng)力重復(fù)增加-降低現(xiàn)象。 鉆孔應(yīng)力在巷道開挖后至長期蠕變階段呈現(xiàn)大幅值增降循環(huán)規(guī)律。

4.3 支護(hù)效果對比分析

1）采用700 MPa 超高強(qiáng)熱處理錨桿支護(hù)后，相比較于600 號普通熱軋全螺紋錨桿桿體，基本解決了其因沖擊載荷而發(fā)生無頸縮破斷的問題，巷幫錨桿承載屈服后被拉斷的數(shù)量明顯減少。

2）相比較于頂板全錨索支護(hù)方案，巷道兩幫寬度最大回縮量1 600 mm 以上，全巷需要刷幫擴(kuò)修才能正?；夭?；新型700 號錨桿新支護(hù)方案掘巷穩(wěn)定后兩幫平均收縮量478 mm；回采超前段巷幫最大回縮量800 mm，整體變形量減少50%，超高強(qiáng)錨桿試驗(yàn)巷段控制效果較好。

3）原支護(hù)方案掘進(jìn)日進(jìn)尺3 m（排距1 m），新支護(hù)方案掘進(jìn)日進(jìn)尺3.6 m（排距0.9 m），掘進(jìn)速度提高了20%。 頂板全錨索支護(hù)方案每米材料成本4 343.48 元，700 號錨桿方案后每米材料成本降低1 026.6 元，減少材料成本比例23.6%。

5 結(jié) 論

1）1 300 m 埋深回采巷道處于30 MPa 以上超高地應(yīng)力場狀態(tài)，受超高地壓、煤巖層大傾角構(gòu)造及層理發(fā)育影響，巷道掘進(jìn)擾動后體現(xiàn)出非均勻性大變形特征。

2）綜合現(xiàn)場地質(zhì)力學(xué)測試與巷道變形破壞機(jī)理研究提出了超高強(qiáng)熱處理預(yù)應(yīng)力錨桿-錨注錨索聯(lián)合支護(hù)方案。 研發(fā)的CRMG700 號熱處理錨桿破斷強(qiáng)度達(dá)到850 MPa，沖擊吸收功達(dá)100 J；首次在1 300 m埋深煤礦巷道進(jìn)行了現(xiàn)場支護(hù)試驗(yàn)。 700 MPa 超高強(qiáng)熱處理錨桿基本解決了熱軋錨桿因沖擊載荷下發(fā)生無頸縮破斷情況，巷幫錨桿承載屈服后被拉斷根數(shù)明顯減少。

3）通過試驗(yàn)巷道掘進(jìn)、回采多參數(shù)綜合監(jiān)測表明：1 300 m 超深巷道在爆破開挖擾動下，整體圍巖變形距離掘進(jìn)工作面80 m 后基本穩(wěn)定；但圍巖深部應(yīng)力仍然長期蠕變且呈現(xiàn)大幅值增降循環(huán)規(guī)律。

4）相比頂板全錨索支護(hù)方案，新型超高強(qiáng)錨桿-注漿錨索聯(lián)合支護(hù)巷道在回采階段變形量整體降低50%，掘進(jìn)支護(hù)效率提高20%，節(jié)省支護(hù)材料成本比例23.6%。 為礦區(qū)超深部復(fù)雜巷道支護(hù)提供了新技術(shù)支撐。