張 根，韓 升

（1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 五陽煤礦，山西 長治046200；2.中國石油天然氣股份有限公司 華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 長治046000）

0 引 言

深部破碎巷道因其受深部惡劣地質(zhì)力學(xué)環(huán)境、復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)烈工程開挖擾動等影響，造成了圍巖控制的復(fù)雜性[1-3]。巷道圍巖全斷面的冒頂、收縮、片幫等動力破壞事故在深部破碎巷道中普遍存在，嚴(yán)重制約著煤礦綠色安全高效生產(chǎn)[4-6]。鑒于此，我國學(xué)者對深部破碎巷道圍巖控制進(jìn)行了研究，取得了成果。孟慶彬等提出了兼?zhèn)浣M合拱和組合梁效應(yīng)的拱—梁承載結(jié)構(gòu)理論[7]；賈穩(wěn)宏等提出了柔性TECCO網(wǎng)+預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿+注漿的圍巖控制技術(shù)[8]；謝小平等提出了不對稱錨網(wǎng)索噴二次聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[9]；王炳延等提出了高強(qiáng)錨網(wǎng)索噴+異常破碎段注漿加固的聯(lián)合支護(hù)方案[10]。

以上學(xué)者為深部破碎巷道圍巖控制奠定了良好的研究基礎(chǔ)。五陽煤礦南豐工區(qū)井底車場調(diào)車線巷道是典型的破碎巷道，在掘進(jìn)開挖和生產(chǎn)使用期間均發(fā)生了非線性大變形動力災(zāi)害現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。以五陽礦南豐工區(qū)立井井底車場調(diào)車線巷道為工程背景，分析其在深部惡劣地質(zhì)力學(xué)環(huán)境及圍巖強(qiáng)流變特性下的破壞機(jī)理，進(jìn)而提出了錨網(wǎng)索噴+中空注漿錨索的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對巷道圍巖的有效控制。

1 巷道變形破壞機(jī)制及控制對策

1.1 巷道變形破壞機(jī)制分析

五陽礦南豐工區(qū)井底車場調(diào)車線巷道在施工過程中，巷道圍巖呈現(xiàn)出碎脹變形嚴(yán)重、變形具有明顯的時間效應(yīng)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等特征，破壞機(jī)理分析如下。

（1）深部惡劣地質(zhì)力學(xué)環(huán)境。

五陽礦南豐工區(qū)井底車場調(diào)車線巷道埋深大，深部巖體處于高滲透壓力、高地應(yīng)力、高地溫梯度和強(qiáng)烈采掘擾動的“三高一擾動”相互耦合的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境中，使得巖體力學(xué)性質(zhì)極弱。在此情況下進(jìn)行深部巷道的掘進(jìn)，工程開挖將演化為不可逆的非線性、大變形力學(xué)的動態(tài)演變過程，極易誘發(fā)圍巖全斷面的冒頂、收縮、片幫等動力破壞事故。

（2）深部圍巖體強(qiáng)流變特性。

深部圍巖體因受惡劣地質(zhì)力學(xué)環(huán)境影響而表現(xiàn)出明顯的流變特征。擴(kuò)區(qū)井底車場調(diào)車線巷道開挖后變形具有顯著的長時性，裂隙持續(xù)發(fā)育，圍巖深部大范圍內(nèi)出現(xiàn)破碎區(qū)，使得巷道破壞程度和支護(hù)難度不斷增加。

1.2 深井破碎井底車場巷道控制對策

根據(jù)對五陽礦南豐工區(qū)井底車場調(diào)車線巷道圍巖破壞機(jī)理分析，以相關(guān)理論和技術(shù)為指導(dǎo)，并借鑒和應(yīng)用相關(guān)工程領(lǐng)域先進(jìn)支護(hù)技術(shù)，綜合確定井底車場調(diào)車線巷道圍巖控制對策。

（1）為避免在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，減低錨桿錨固性能，巷道圍巖一旦揭露應(yīng)即刻施打錨桿，并且力求一次錨桿支護(hù)就能有效控制圍巖變形，規(guī)避二次巷道翻修所帶來的工程困擾問題，實(shí)現(xiàn)降本增效。

（2）改性—錨固一體化協(xié)同控制原則。采用中空注漿錨索技術(shù)，形成厚層高強(qiáng)承載圈，提高支護(hù)系統(tǒng)抗沖能力，達(dá)到高應(yīng)力破碎井底車場巷道支護(hù)要求。

2 錨網(wǎng)索噴+中空注漿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)及機(jī)理

2.1 錨桿索強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)及機(jī)理

對巷道圍巖施打高強(qiáng)錨桿，能限制圍巖沿破裂滑移面和裂隙的剪切變形，在錨固區(qū)形成高強(qiáng)度、高剛度的錨桿預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)；而錨索能在圍巖深部較大范圍內(nèi)施加高壓預(yù)緊力，與錨桿施加產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū)疊加耦合，從而形成淺、深部相接的大范圍高穩(wěn)定性圍巖承載結(jié)構(gòu)，有效抑制圍巖裂隙發(fā)育。五陽礦南豐工區(qū)井底車場調(diào)車線巷道圍巖裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力差。因此，巷道開挖后及時采用強(qiáng)力錨桿索主動支護(hù)，在錨固區(qū)內(nèi)形成錨桿索疊加耦合強(qiáng)承載結(jié)構(gòu)，最大限度地限制圍巖初期大變形。錨桿索疊加耦合強(qiáng)承載結(jié)構(gòu)提供的支護(hù)阻力的計(jì)算公式為[11]：

式中：p為疊加耦合強(qiáng)承載結(jié)構(gòu)提供的支護(hù)阻力；QS、Qc分別為錨桿、錨索預(yù)緊力；φ為巖體內(nèi)摩擦角；lb、lc分別為錨桿、錨索有效長度；Db、Db'為錨桿間排距；Dc、Dc'為錨索間排距；?、?'分別為錨桿、錨索控制角；R為巷道有效半徑。

錨桿索間排距越小、預(yù)緊力越大、長度越大，圍巖承載能力越強(qiáng)?？梢?，只有實(shí)現(xiàn)錨桿索參數(shù)的最優(yōu)組合，才能最大程度地發(fā)揮錨桿索功效以限制圍巖大變形。

2.2 圍巖表面厚噴層封閉技術(shù)及機(jī)理

根據(jù)五陽煤礦井底車場調(diào)車線巷道地質(zhì)條件，采用FLAC3D軟件建立五陽礦南豐工區(qū)井底車場調(diào)車線巷道厚噴層支護(hù)數(shù)值模型。模型頂部為自由邊界，模型四周及底部均為固定邊界。模型模擬巷道圍巖未噴漿及噴漿層總厚度分別為100、200和300 mm時巷道圍巖塑性區(qū)破壞程度及應(yīng)力分布情況。

由圖1可知，巷道開挖后，圍巖塑性破壞區(qū)域范圍較大。當(dāng)噴射100 mm的混凝土?xí)r，圍巖塑性區(qū)范圍減小，但減小幅度不大；噴漿厚度由100 mm增加到200 mm時，巷道圍巖塑性區(qū)深度繼續(xù)減小，但普遍維持在3.4 m左右；噴層厚度由200 mm增加至300 mm，巷道圍巖塑性區(qū)深度進(jìn)一步減少，圍巖塑性區(qū)深度普遍維持在2 m左右。

圖1 不同噴漿厚度情況下巷道圍巖塑性破壞區(qū)范圍Fig.1 Range of plastic failure zone of surrounding rock under different shotcrete thickness

由圖2可以看出，隨著噴漿厚度增加，圍巖應(yīng)力峰值逐漸向圍巖淺部轉(zhuǎn)移，巷道周邊應(yīng)力低值區(qū)范圍明顯減小。這表明噴漿厚度的增加，使得巷道圍巖側(cè)向約束應(yīng)力增加，圍巖的殘余強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度得到提高，有效控制了巷道圍巖塑性區(qū)向深部拓展的趨勢，有利于維持巷道的長期穩(wěn)定。

圖2 不同噴漿厚度情況下巷道圍巖應(yīng)力分布（單位：Pa）Fig.2 Stress distribution of surrounding rock under different shotcrete thickness

2.3 深部裂隙圍巖中空注漿錨索加固技術(shù)及機(jī)理

注漿作為圍巖改性的主要手段，可填充圍巖不連續(xù)結(jié)構(gòu)面空間，將結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖體“黏結(jié)”到一起。漿液充滿到深部裂隙區(qū)、錨桿與孔壁間隙和淺部圍巖裂隙中，形成了包括集混凝土噴漿層、淺部圍巖裂隙、高強(qiáng)錨桿、深部圍巖裂隙及錨索的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，使得圍巖應(yīng)力狀態(tài)大幅改善。此外，注漿使得高強(qiáng)錨桿類似全長錨固，實(shí)現(xiàn)“改性—錨固”一體化，能及時和節(jié)理一同發(fā)揮抗剪作用，維持圍巖穩(wěn)定。

3 工程應(yīng)用

3.1 深部破碎井底車場巷道地質(zhì)生產(chǎn)條件

五陽煤礦南豐工區(qū)采用立井開拓，屬于生產(chǎn)礦井接續(xù)項(xiàng)目，建設(shè)規(guī)模保持3.00 Mt/a。擴(kuò)區(qū)立井井底車場調(diào)車線巷道埋深約760 m，巷道呈直墻半圓拱形，掘?qū)?.74 m，掘高4.77 m。巷道所處的煤系地層巖體破碎松軟，裂隙發(fā)育，含植物化石碎片。其所在區(qū)域煤層平均厚度5.8 m，賦存穩(wěn)定。煤層以上分別為1.22 m厚的炭質(zhì)泥巖，12.95 m的砂質(zhì)泥巖，以及11.1 m的泥巖。煤層以下分別為2.35 m的泥巖，以及3.71 m厚的砂質(zhì)泥巖。

3.2 具體支護(hù)方案及效果分析

3.2.1 支護(hù)方案

針對五陽礦南豐工區(qū)井底車場調(diào)車線巷道礦壓顯現(xiàn)特征，綜合理論分析、數(shù)值模擬及工程類比方法，確定錨網(wǎng)索噴+中空注漿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，如圖3所示。

圖3 聯(lián)合支護(hù)方案Fig.3 Combined support scheme

錨桿采用MSGW-500/22×2400 mm高強(qiáng)樹脂錨桿，間排距為800 mm×800 mm；錨索采用SKP22-1×19/1860高強(qiáng)錨索，長度為8 300 mm，間排距為1 600 mm×800 mm，錨桿錨索托盤橫縱之間采用φ14雙鋼筋梯子梁連接，壓緊鋼筋網(wǎng)片，梯子梁加工尺寸為1.0 m和1.8 m兩種尺寸，現(xiàn)場焊接加工，梯子梁搭接重疊一個限位孔搭設(shè)，金屬網(wǎng)網(wǎng)格搭接長度不少于100 mm，網(wǎng)片之間采用16號鉛絲雙道綁扎，綁扎點(diǎn)間距不大于100 mm。

兩幫及頂板噴射混凝土厚度120 mm，底板噴射混凝土厚度為300 mm，混凝土等級為C20。

注漿錨索采用SKZ29-1/1770-9300型錨索，間排距為1 600 mm×800 mm，交錯打設(shè)，每根注漿錨索采用1支MSK2850和3支MSZ2850樹脂藥卷錨固。注漿漿液為水泥漿，配比為水灰比1∶2.5，漿液內(nèi)摻加水泥重量8%的ACZ-1型注漿添加劑。

3.2.2 效果分析

為了解聯(lián)合支護(hù)技術(shù)效果，在井底車場調(diào)車場巷道設(shè)立監(jiān)測斷面，其監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)巷道圍巖表面位移Fig.4 Surface displacement of surrounding rock in test roadway

由圖可知，巷道開挖30 d后圍巖變形趨于穩(wěn)定，頂板及兩幫移近量最大分別為131.1 mm與109.6 mm，且巷道內(nèi)未出現(xiàn)錨桿索斷裂、鋼筋網(wǎng)撕裂以及噴漿層開裂等礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，保障了通道安全。

4 結(jié) 論

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著噴漿厚度的增加，巷道周邊應(yīng)力低值區(qū)范圍明顯減小，巷道圍巖側(cè)向約束應(yīng)力增加，圍巖的殘余強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度得到提高，有效控制了巷道圍巖塑性區(qū)向深部拓展的趨勢。

（2）圍巖淺部錨桿和深部錨索形成淺、深部相接的大范圍高穩(wěn)定性圍巖承載結(jié)構(gòu)，極大地控制了巷道圍巖大變形，且錨桿索間排距越小、預(yù)緊力越大、長度越大，承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越大。

（3）采用錨網(wǎng)索噴+中空注漿錨索聯(lián)合控制技術(shù)后，頂板及兩幫最大移近量分別為131.1 mm與109.6 mm，有效控制了巷道圍巖的變形，滿足了調(diào)車線通道安全。