郝志軍，王西林，何曉升，單仁亮

(1.山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 介休 032000；2.山西大同大學(xué)，山西 大同 037000；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

巷道支護(hù)的目的在于維護(hù)開挖空間的穩(wěn)定性，保證巷道功能的實(shí)現(xiàn)。為采區(qū)服務(wù)的準(zhǔn)備巷道一般服務(wù)年限在十年以上，且受到附近工作面回采的采動影響，若巷道圍巖軟弱破碎或原巖應(yīng)力較大，則巷道易發(fā)生流變變形，難以維持巷道的長期穩(wěn)定[1-7]。

汾西礦業(yè)(集團(tuán))公司南關(guān)煤業(yè)三采區(qū)西翼軌道巷、西翼皮帶巷和西翼回風(fēng)巷服務(wù)于三采區(qū)工作面回采以及未來的五采區(qū)工作面回采。巷道服務(wù)年限長，三條大巷圍巖持續(xù)變形始終困擾著該礦的煤炭生產(chǎn)。雖經(jīng)歷多次返修，巷道圍巖流變?nèi)噪y以控制，截至2018年12月，三條大巷因不滿足使用要求而需要刷擴(kuò)返修的巷道總長度約為3000m，巷道維修任務(wù)量很大。

鋼管混凝土支架具有承載能力大，延性好且便于安裝的特點(diǎn)。近年來，在一些軟巖巷道、斷層破碎區(qū)巷道和動壓巷道支護(hù)中發(fā)揮了良好的應(yīng)用效果[8-15]。

在分析巷道圍巖條件、原巖應(yīng)力條件和原有支護(hù)變形特征的基礎(chǔ)上，提出了基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案，并在3209工作面動壓影響區(qū)域進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。本文在理論分析的基礎(chǔ)上，論述了鋼管混凝土支架方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果，希望能為地質(zhì)條件相近的巷道支護(hù)提供有益借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

南關(guān)煤業(yè)西翼運(yùn)輸巷、西翼軌道巷和西翼回風(fēng)巷三條下山平行布置，沿2#煤層頂板掘進(jìn)，巷道埋深為500～560m。2#煤頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 巷道頂?shù)装鍘r性

1.2 原巖應(yīng)力情況

南關(guān)煤業(yè)井田區(qū)域內(nèi)斷層較多，為了解三采區(qū)原巖應(yīng)力狀況，分別在3201材巷和西翼回風(fēng)巷采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法進(jìn)行原巖應(yīng)力測量。地應(yīng)力測試空心包體應(yīng)力計(jì)安裝情況見表2，地應(yīng)力測試結(jié)果見表3。

由空心包體應(yīng)力計(jì)安裝情況可知，3201材料巷31°孔和西翼回風(fēng)巷14°孔所安裝應(yīng)力計(jì)處于泥巖中，泥巖在打鉆過程中易破裂松動，產(chǎn)生較大的應(yīng)力重分布，因此舍棄這兩個(gè)孔的測試結(jié)果。

表2 空心包體應(yīng)力計(jì)安裝情況

原巖應(yīng)力測量結(jié)果表明水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，水平應(yīng)力的方向?yàn)?3°～95°，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.90～2.50倍，由于水平地應(yīng)力造成的礦壓顯現(xiàn)向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，巷道頂?shù)装遄冃瘟看笥趦蓭褪湛s量。最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力以及三者之間的關(guān)系見表3。

表3 地應(yīng)力測試結(jié)果

2 巷道原有支護(hù)情況及變形特征

以南關(guān)煤業(yè)具有代表性的西翼軌道(巷道里程1320～1414m段)為例，分析巷道原有支護(hù)條件下的變形情況。該段巷道使用“36U型鋼支架+錨網(wǎng)噴”聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度較高，巷道受工作面回采動壓影響，與回采工作面停采線平距為133.5m，巷道流變變形量較大。三條大巷保護(hù)煤柱寬度為80m，與工作面臨近的大巷受采動影響最大，支護(hù)難度最大。

2.1 原有巷道支護(hù)情況

西翼軌道巷里程1320～1414m段于2014年10月進(jìn)行返修，支護(hù)采取錨網(wǎng)噴+馬蹄形36U型鋼支架聯(lián)合支護(hù)。巷道支護(hù)斷面如圖1所示。

具體參數(shù)如下：

錨桿選取型號為?20mm×2400mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm。

錨索選用規(guī)格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線，頂錨索布置3根，間排距為1600mm×1600mm。

巷道全斷面掛鋼筋網(wǎng)，采用直徑6.5mm圓鋼加工，網(wǎng)格為100mm×100mm，搭接長度為100mm。

錨筋網(wǎng)支護(hù)后，進(jìn)行全斷面初噴，初噴厚度為30～50mm，復(fù)噴70～50mm，噴射混凝土厚度為100mm，噴射混凝土強(qiáng)度等級為C20。復(fù)噴后架設(shè)36U型鋼支架，支架安裝滯后復(fù)噴10m以內(nèi) 。

36U型鋼支架間距為1m，支架結(jié)構(gòu)為6段式，相鄰各節(jié)以卡蘭搭接，每處搭接長度為0.5m。

圖1 西翼軌道巷支護(hù)斷面圖(mm)

2.2 巷道變形特征

截至2018年10月，巷道寬度收縮0.4m，高度收縮1.2m，U型棚扭曲變形。

2.3 巷道變形原因分析

巷道變形原因分析如下：①高構(gòu)造地應(yīng)力。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造較多，根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，水平應(yīng)力約為自重應(yīng)力的兩倍，巷道頂?shù)装逡平扛哂趦蓭鸵平浚虎诿簩訌?qiáng)度低。煤層單軸抗壓強(qiáng)度僅為10MPa，約為原巖最打應(yīng)力的2/3，約為巷道開挖后應(yīng)力重分布區(qū)域內(nèi)理論應(yīng)力峰值的1/3，在高應(yīng)力環(huán)境下，巷道兩幫煤壁極易發(fā)生破壞；③巷道未受采動影響期間，巷道圍巖呈緩慢流變狀態(tài)，累計(jì)頂?shù)滓平考s為660mm，說明巷道支護(hù)強(qiáng)度不足，難以維持巷道圍巖的長期穩(wěn)定；④巷道受到3211工作面回采動壓影響，3211工作面終采線與該段巷道平距為133.5m，2017年8月3211工作面回采完畢。工作面回采過程中，圍巖變形速度較快，回采動壓影響期間累計(jì)頂?shù)装逡平考s為540mm。

3 巷道圍巖變形機(jī)理與控制對策

巷道開挖后，未支護(hù)情況下，圍巖壓力大于巖石的極限強(qiáng)度，圍巖變形速度快，巷道圍巖切向應(yīng)力峰值向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移，巷道壁處圍巖壓力降低，有利于巷道穩(wěn)定。隨著塑性變形的繼續(xù)發(fā)展，開挖空間內(nèi)的圍巖塌落，形成松散巖體，對支護(hù)體產(chǎn)生松動壓力，松動壓力的升高不利于巷道穩(wěn)定。因此，巷道支護(hù)過程中，應(yīng)當(dāng)使支護(hù)體具有一定的讓壓變形能力，同時(shí)還應(yīng)提供較大支護(hù)反力。南關(guān)煤業(yè)西翼三條大巷已經(jīng)歷多次返修，圍巖破碎松散，巷道變形以“有害變形”為主。

南關(guān)煤業(yè)西翼三條大巷圍巖變形以長期流變變形為主，動壓影響期間巷道變形速度較大，無回采擾動影響時(shí)，圍巖變形速度較小。巷道變形速率特征表明，巖石處于強(qiáng)度極限鄰域內(nèi)。

所謂巖石強(qiáng)度極限鄰域，是對巖石應(yīng)力狀態(tài)而言的，在簡單的壓(拉、剪)應(yīng)力狀態(tài)下，巖石具有一個(gè)強(qiáng)度極限值σ0，依據(jù)一定條件給定一個(gè)Δσ，如果巖石的應(yīng)力σ滿足于：

|σ0-σ|≤Δσ

則稱巖石處于強(qiáng)度極限鄰域內(nèi)，Δσ稱之應(yīng)力強(qiáng)度極限鄰域的寬度，簡稱為鄰域?qū)挾?，Δσ代表了巖石強(qiáng)度極限鄰域的范圍。

使圍巖脫離強(qiáng)度極限鄰域的方法是增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度極限值，增大圍巖強(qiáng)度和巖石應(yīng)力的差值，支護(hù)體的支護(hù)力對巷道圍巖產(chǎn)生徑向約束，在徑向約束狀態(tài)下，提高了處于三軸應(yīng)力狀態(tài)下圍巖的σ3，提高巖體的長期強(qiáng)度σS和巖石極限強(qiáng)度σ1。支護(hù)力越大，對巖體的長期強(qiáng)度和極限強(qiáng)度提高就越大。當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度提高到一定值以后，圍巖便能夠脫離強(qiáng)度極限鄰域，巷道流變便得到了控制。

提高圍巖強(qiáng)度的主要技術(shù)方法：根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果可知，相同斷面的?194mm×8mm(支架主體線密度36kg/m)鋼管混凝土支架承載力是36U型鋼支架承載力的2.65倍[16]。因此，采用鋼管混凝土支架支護(hù)可有效提高大變形巷道支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度。建議采用基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)進(jìn)行巷道返修。

4 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)與支護(hù)效果分析

由于西翼三條大巷需要刷擴(kuò)返修的巷道總長度約為3000m，巷道返修人力物力投入大，南關(guān)煤業(yè)急需尋求一種能夠維持西翼三條大巷巷道動壓影響區(qū)域圍巖穩(wěn)定的支護(hù)形式。

為驗(yàn)證各種支護(hù)對策支護(hù)效果，選取3209工作面附近的西翼回風(fēng)巷為試驗(yàn)段。選取該段作為試驗(yàn)段的原因如下：①3209工作面于2019年9月17日進(jìn)行回采，預(yù)計(jì)2020年6月末結(jié)束，可在動壓影響前完成試驗(yàn)段返修加固，監(jiān)測回采動壓試驗(yàn)段巷道的圍巖變形情況；②該試驗(yàn)段與工作面平距最近，受動壓影響最大，若能夠保持該段巷道圍巖在回采動壓期間的圍巖穩(wěn)定，則可判定這種支護(hù)形式滿足使用要求，可推廣至三條大巷返修支護(hù)中；③該段巷道足夠長，礦方?jīng)Q定分別采用3種巷道返修加固方式(基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)段；全斷面錨索支護(hù)段；全斷面錨索+注漿加固支護(hù)段)，進(jìn)行現(xiàn)場對比實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)段位置如圖3所示。

圖2 巷道位置

4.1 鋼管混凝土支架支護(hù)段支護(hù)設(shè)計(jì)

西翼回風(fēng)巷鋼管混凝土支架支護(hù)段支護(hù)參數(shù)如下：①錨桿選取型號為?20mm×2400mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm；②錨索選用規(guī)格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線，頂錨索布置5根，間排距為1600mm×1600mm；③錨網(wǎng)支護(hù)后，進(jìn)行全斷面初噴，初噴厚度為30～50mm，復(fù)噴70～50mm，噴漿厚度為100mm，噴射混凝土強(qiáng)度等級為C20；④鋼管混凝土支架主體鋼管型號為 ?194mm×8mm，支架間距0.8m。支架壁后鋪?3賓格網(wǎng)，以水泥背板接頂密實(shí)。

試驗(yàn)段鋼管混凝土支架支護(hù)斷面如圖3所示。試驗(yàn)段于2020年4月20日施工完畢，此時(shí)3209回采工作面距離西翼回風(fēng)巷平距200m。

圖3 試驗(yàn)段鋼管混凝土支架支護(hù)斷面(mm)

4.2 “全斷面錨索+圍巖注漿”加固支護(hù)設(shè)計(jì)

由于巷道圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，為提高圍巖的自穩(wěn)能力和錨索支護(hù)效果，圍巖注漿加固段擬采用圍巖注漿加固和錨網(wǎng)索加強(qiáng)護(hù)巖的手段加固該段巷道。

圍巖注漿加固段支護(hù)參數(shù)如下：①錨索選用規(guī)格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線，全斷面錨索支護(hù)，間排距為800mm×800mm；②錨索配300mm×300mm×16mm托板，沿垂直于巷道軸線的斷面方向，錨索間以W鋼帶相連，W鋼帶內(nèi)鋪賓格網(wǎng)，增強(qiáng)支護(hù)體的整體性。③使用注漿錨索對該段巷道進(jìn)行圍巖注漿加固，采用水泥基注漿材料，水灰比為1∶2，中空注漿錨索注漿壓力不低于7MPa。

圍巖注漿加固2020年4月26日施工完畢。全斷面錨索支護(hù)試驗(yàn)段相比而言只是不進(jìn)行注漿加固。

4.3 變形監(jiān)測與效果分析

自2020年5月2日(回采工作面與試驗(yàn)段平距150m)，對實(shí)驗(yàn)段采用“十字布點(diǎn)法”監(jiān)測西翼回風(fēng)巷試驗(yàn)段巷道變形量。巷道變形監(jiān)測情況如圖4所示。

圖4 巷道寬度方向收斂量曲線

圖5 巷道高度方向收斂量曲線

其他情況說明：3209工作面5月15日(回采工作面與試驗(yàn)段平距103m)工作面終采，6月1日復(fù)采開始工作面末采，6月20日末采完畢。

支護(hù)效果分析：①總體而言，鋼管混凝土支架支護(hù)段巷道收斂量<注漿加固巷道收斂量<未注漿加固段巷道收斂量；②截止工作面末采完成20d后，鋼管混凝土支架支護(hù)段巷道最大收斂量在100mm以內(nèi)，且巷道圍巖變形已趨于穩(wěn)定；③沒有進(jìn)行鋼管混凝土支架支護(hù)段巷道，巷道最大收斂量大于460mm，且巷道流變變形還在持續(xù)。

綜上所述，所設(shè)計(jì)的鋼管混凝土支架支護(hù)能夠維持動壓影響下的南關(guān)煤業(yè)西翼回風(fēng)巷長期穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1)為解決南關(guān)煤業(yè)西翼三條大巷的支護(hù)問題，分析了巷道圍巖條件、原巖應(yīng)力條件和原有支護(hù)變形特征。

2)提出了基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案，并在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中與其他返修加固形式相對比。

3)根據(jù)“十字布點(diǎn)”監(jiān)測法監(jiān)測試驗(yàn)段巷道變形，工作面末采完成20d后，鋼管混凝土支架支護(hù)段巷道最大收斂量在100mm以內(nèi)，巷道圍巖變形已趨于穩(wěn)定。這種支護(hù)形式適用于南關(guān)煤業(yè)西翼三條動壓大巷支護(hù)。