王 軍，陳 鋒，劉國(guó)磊，張西忠

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;2.冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺(tái) 054001)

0 引言

千米深井軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題是困擾煤礦深部開(kāi)采的一大難題，其原因主要有:1)圍巖所處的巖體環(huán)境變差:垂向地應(yīng)力超過(guò)20 MPa，構(gòu)造應(yīng)力顯現(xiàn)強(qiáng)烈。2)圍巖自身物理力學(xué)性能變化:巖石極易風(fēng)化，流變性增強(qiáng)，遇水軟化崩解。3)圍巖的工程特征變化:圍巖來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，變形具有四周來(lái)壓的特點(diǎn)，來(lái)壓和變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，圍巖的穩(wěn)定難以控制。4)現(xiàn)有支護(hù)不足:錨網(wǎng)索鋼架配合不合理，支護(hù)體承載力不足，巷道無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定。5)煤礦技術(shù)人員對(duì)軟巖問(wèn)題認(rèn)識(shí)不深入:支護(hù)時(shí)重復(fù)淺層支護(hù)規(guī)律，對(duì)深井軟巖機(jī)制和難度認(rèn)識(shí)不充分、不深入［1－2］。

隨著采掘深度的不斷增加，近年來(lái)專家學(xué)者對(duì)深井支護(hù)問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，提出了諸如高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿錨索［3］、圍巖注漿加固［4］、型鋼支架及桁架［5］等多種支護(hù)技術(shù)，并取得了一定的支護(hù)效果。但是，進(jìn)入千米深井巷道后，隨著地壓大幅增加，常規(guī)支護(hù)技術(shù)已不能滿足巷道支護(hù)穩(wěn)定的需求，主要表現(xiàn)為支護(hù)體承載力不足、變形嚴(yán)重，巷道返修頻繁，不但增加了支護(hù)投入，而且阻礙了正常生產(chǎn)。

研制承載力高、經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)是千米深井巷道支護(hù)的必然趨勢(shì)。高延法等［6］提出了井下灌注式鋼管混凝土支架，地面加工空鋼管支架，井下安裝后灌注混凝土形成鋼管混凝土支架，鋼管混凝土支架的突出特點(diǎn)是承載力高。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，φ 194×8無(wú)縫鋼管灌注 C40混凝土，其短柱承載力可達(dá)320 t［7］;做成鋼管混凝土支架，支架斷面凈寬 4 m、凈高3.8 m，其承載力可達(dá)203.5 t;相同單位用鋼量的U36型鋼支架，其承載力僅為49 t。由于鋼管混凝土支架的突出特點(diǎn)，近年來(lái)已成功解決全國(guó)20多個(gè)難支護(hù)礦井的巷道支護(hù)問(wèn)題，目前正越來(lái)越多地應(yīng)用于千米深井支護(hù)。

邢東礦位于邢臺(tái)市東北角，于2001年竣工投產(chǎn)，年生產(chǎn)能力約125萬(wàn)t，是華北地區(qū)煤層賦存最深的礦井。隨著礦井煤炭資源的開(kāi)采，采掘深度逐漸從埋深800 m進(jìn)入埋深1 300 m。隨著采掘深度的不斷增加，巷道支護(hù)越來(lái)越困難［8］，表現(xiàn)為圍巖條件越來(lái)越差、巷道破壞程度加劇、巷道返修頻繁、采掘成本增加。

本文以邢東礦二水平皮帶下山巷為研究對(duì)象，使用鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)，配合圍巖注漿加固，以期為千米深井軟巖巷道支護(hù)提供一套行之有效的支護(hù)技術(shù)。

1 二水平皮帶下山巷地質(zhì)分析

1.1 皮帶下山巷地質(zhì)分析

二水平皮帶下山沿2#煤頂板下山掘進(jìn)，巷道頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為細(xì)砂巖，兩幫為煤體，煤層標(biāo)高在 －960 ～ －1 180，煤層厚度在2.8 ～3.5 m，巷道坡度為8°～13°，全長(zhǎng)862 m，全部使用鋼管混凝土支架返修。

1.1.1 巷道遠(yuǎn)場(chǎng)地壓

二水平皮帶下山埋深為1 010～1 230 m，取巖石平均容重為 25 kN/m3，垂直地應(yīng)力為 25.3～30.8 MPa，巷道所處地段斷層較多，水平構(gòu)造應(yīng)力大于垂向地應(yīng)力。

1.1.2 巖石力學(xué)參數(shù)

在二水平皮帶下山中段取巷道頂板與兩幫巖石試塊做單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，頂板砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度為34 MPa，底板細(xì)砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為42 MPa。

1.1.3 巖石水理性質(zhì)與礦物成分

二水平皮帶下山頂板泥質(zhì)砂巖、底板細(xì)砂巖吸水不膨脹，自然狀態(tài)下浸水輕度崩解(僅出現(xiàn)裂紋，仍保持整體);兩幫煤體吸水膨脹，中度崩解(裂成較大塊度，塊度大于20 mm);頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r不含黏土礦物。

1.1.4 二水平皮帶下山的變形特征

二水平皮帶下山巷已掘出多年，前后經(jīng)歷多次返修，以錨網(wǎng)索支護(hù)和U36型鋼支架支護(hù)為主。目前巷道變形嚴(yán)重，頂板下沉，底鼓較大，多次落底仍不能解決問(wèn)題。巷道變形特征如圖1所示。

圖1 二水平皮帶下山巷破壞原貌Fig.1 Damaged roadway

綜合分析，二水平皮帶下山埋深大、地壓明顯，巷道圍巖偏于軟弱，經(jīng)多次返修導(dǎo)致淺部圍巖破碎加劇，裂隙充分發(fā)育，圍巖承載能力下降。

1.2 皮帶下山巷支護(hù)建議與措施

1.2.1 支護(hù)建議

支護(hù)體要具備較大的承載力，給圍巖強(qiáng)大的支護(hù)力，使用鋼管混凝土支架;后期要圍巖注漿重塑圍巖整體結(jié)構(gòu)，結(jié)合鋼管混凝土支架構(gòu)筑支護(hù)承壓環(huán)，增強(qiáng)圍巖整體承載力，以保持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

1.2.2 支護(hù)措施

鋼管混凝土支架支護(hù)+圍巖注漿加固，臨時(shí)支護(hù)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)。

2 鋼管混凝土支架支護(hù)設(shè)計(jì)

鋼管混凝土支架屬于高強(qiáng)度支架，是目前承載能力最大的支架結(jié)構(gòu)［9－10］，二水平皮帶下山巷以鋼管混凝土支架作為主要支護(hù)體。

2.1 鋼管混凝土支架支護(hù)設(shè)計(jì)原則與斷面要求

滿足斷面與支護(hù)強(qiáng)度要求;先支撐住，后優(yōu)化;成本合理，施工方便，結(jié)構(gòu)可靠?？紤]支護(hù)強(qiáng)度與巷道斷面有效利用率，鋼管混凝土支架斷面形狀設(shè)計(jì)為橢圓形，斷面尺寸為3.624 m ×3.5 m(凈寬 × 凈高)。

2.2 鋼管混凝土支架型號(hào)選擇

根據(jù)工程類比，預(yù)估支架型號(hào)為 φ 194×8(36.7 kg/m)，以此為基本型支護(hù)，同時(shí)，φ 194×10(45.4 kg/m)型號(hào)支架作為強(qiáng)化型鋼管混凝土支架作對(duì)比，確保找到適合巷道支護(hù)的低成本支架。

2.3 鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支架斷面形狀設(shè)計(jì)為橢圓形，斷面尺寸為3 624 mm×3 500 mm(凈寬×凈高)，臥底量620 mm;支架分為4段，套管連接;支架間距為700 mm，支架間用頂桿連接。支架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(單位:mm)Fig.2 Structure of concrete-filled tube support(mm)

2.4 核心混凝土配比設(shè)計(jì)

鋼管內(nèi)混凝土按C40配比，選用強(qiáng)度為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑≤20 mm的碎石，細(xì)骨料選用河砂，摻入早強(qiáng)減水劑和鋼纖維外加劑?；炷僚浔扰c材料用量見(jiàn)表1。

表1 混凝土材料配比表Table 1 Mixing proportion of concrete kg/m3

2.5 鋼管混凝土支架承載能力驗(yàn)算

2.5.1 鋼管混凝土短柱承載能力計(jì)算

支架鋼管型號(hào)為φ 194×8，鋼管選用20號(hào)鋼，鋼材的屈服極限為fs=215 N/mm2，鋼管的橫截面積為As=4 673 mm2。設(shè)計(jì)混凝土為C40，加入鋼纖維的核心混凝土抗壓強(qiáng)度為fc=25 N/mm2，鋼管內(nèi)填混凝土橫截面的凈面積Ac=24 872 mm2。

根據(jù)文獻(xiàn)［11］，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)軸壓短柱極限承載力

式中套箍指標(biāo)θ=Asfs/Acfc=(4 673×215)/(24 872 ×25)=1.62 。

將θ帶入式(1)得

2.5.2 支架軸向承載力計(jì)算

鋼管混凝土支架為壓彎構(gòu)件，承載力計(jì)算應(yīng)考慮長(zhǎng)細(xì)比和偏心率影響。取支架上半拱為研究對(duì)象，近似半徑為2.3 m的半圓拱，其軸向極限承載能力

式中:φ為折減系數(shù)，取0.8;φl(shuí)為整體長(zhǎng)細(xì)比影響;φe為偏心率影響。

支架上半圓拱的軸向極限承載力

Nu=2 521.3 × 0.8=2 017 kN。

即:支架承載能力為2 017 kN，約202 t。

2.5.3 支架對(duì)圍巖的支護(hù)反力計(jì)算

圖3 鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.3 Structural mechanical model of concrete-filled tube support

支架對(duì)圍巖的支護(hù)反力

式中:S為支架間距，0.8 m;R為巷道計(jì)算半徑，2.3 m(依橢圓換算);σ0為支架支護(hù)反力。

由式(3)可以求出φ194×8鋼管混凝土支架對(duì)圍巖的支護(hù)反力σ0=1.1 MPa。同理，可以求出φ194×10鋼管混凝土支架對(duì)圍巖的支護(hù)反力σ0=1.23 MPa。

3 圍巖注漿加固設(shè)計(jì)

圍巖注漿加固能夠?qū)⑵扑榈膰鷰r重新膠結(jié)成整體結(jié)構(gòu)［13－14］，二水平皮帶下山巷采用深淺交叉式注漿加固方案。

3.1 注漿孔布置方式

采用深淺交叉式排列布置，淺孔孔深2.0 m，深孔孔深8 m;排距均為3.2 m，深淺孔之間的排距為1.6 m;每排7個(gè)注漿孔，注漿孔布置為頂板3個(gè)，巷中注漿孔垂直頂板，兩角注漿孔外擺15°，兩幫各2個(gè)，接近底板注漿孔垂直巷幫，接近頂板注漿孔上擺15°。

3.2 注漿材料

淺孔、深孔注漿均采用水泥漿，采用強(qiáng)度為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥，水泥漿的水灰質(zhì)量比控制在1∶0.7。

3.3 注漿要求

淺孔注漿壓力兩幫為2 MPa，頂板為3 MPa;深孔注漿壓力兩幫為4 MPa，頂板為6 MPa。施工時(shí)，通過(guò)調(diào)整漿液的膠凝速度、滲透性和注漿終壓，保證實(shí)際有效擴(kuò)散半徑不小于2.5 m。

4 二水平皮帶下山巷施工工藝及支護(hù)監(jiān)測(cè)

4.1 巷道支護(hù)施工工藝

1)巷道擴(kuò)幫臥底，保留完整頂板;2)巷道噴漿50 mm，封閉圍巖;3)安裝空鋼管支架，背部掛網(wǎng)，網(wǎng)后設(shè)置均壓卸壓層;4)鋼管支架灌注混凝土;5)圍巖深淺交叉注漿加固［7］。

4.2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)十字布點(diǎn)法［15］，在二水平皮帶下山巷選擇4個(gè)點(diǎn)作為基本觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)內(nèi)容包括頂?shù)装逡平?、兩幫收斂量和底鼓量。根?jù)測(cè)量結(jié)果，分析二水平皮帶下山巷圍巖的位移變化速度和變化量，從而判斷支護(hù)效果和圍巖的穩(wěn)定狀況，為完善支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)。

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)4個(gè)基本點(diǎn)進(jìn)行3個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，巷道變形微小或沒(méi)有變形，充分說(shuō)明了鋼管混凝土支架承載力良好，圍巖注漿加固改善了圍巖整體穩(wěn)定性。巷道支護(hù)至今已有半年多，沒(méi)有可見(jiàn)變形，支護(hù)效果如圖4所示。

5 結(jié)論與討論

本文依據(jù)二水平皮帶下山巷的地質(zhì)分析和深井巷道的變形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了鋼管混凝土支架+圍巖注漿加固的支護(hù)方案;同時(shí)，做出了φ194×8和 φ 194×10 2種鋼管混凝土支架對(duì)比設(shè)計(jì)。方案實(shí)施后，巷道圍巖得到了良好控制，巷道穩(wěn)定無(wú)變形。

圖4 二水平皮帶下山巷鋼管混凝土支架支護(hù)效果Fig.4 Roadway with concrete-filled tube support

5.1 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的φ194×8和φ 194×10橢圓形鋼管混凝土支架，理論承載能力分別達(dá)到202 t和225 t，支護(hù)反力分別為1.1 MPa和1.23 MPa。經(jīng)過(guò)半年多支護(hù)應(yīng)用驗(yàn)證，鋼管混凝土支架滿足支護(hù)要求，巷道穩(wěn)定無(wú)可見(jiàn)變形。

5.2 討論

同樣巖性的巖體，淺部使用常規(guī)支護(hù)即可滿足巷道穩(wěn)定，進(jìn)入千米深井后常規(guī)支護(hù)卻不能達(dá)到巷道穩(wěn)定，這與圍巖荷載增大有關(guān)，但目前業(yè)界一般不能準(zhǔn)確地給出圍巖荷載值，這給合理地選擇支護(hù)體增加了困難。

邢東礦為解決千米深井支護(hù)難題，先后試用預(yù)應(yīng)力錨索、高效圍巖注漿、大工字鋼支架等多種支護(hù)措施，這些措施先后出現(xiàn)各種問(wèn)題，最終無(wú)法滿足深井巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。鋼管混凝土支架+圍巖注漿加固方案應(yīng)用于邢東礦最難支護(hù)的地段，支護(hù)效果良好，目前被驗(yàn)證為全礦支護(hù)效果最好的方案。

為進(jìn)一步驗(yàn)證鋼管混凝土支架是否適合在千米深井支護(hù)中推廣應(yīng)用，還應(yīng)挑選其他難支護(hù)的地段試用鋼管混凝土支架，并在支護(hù)穩(wěn)定的前提下探討如何進(jìn)一步降低支護(hù)成本。

［1］ 王波.軟巖巷道變形機(jī)理分析與鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)研究［D］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，2009:14－15.

［2］ 王襄禹.高應(yīng)力軟巖巷道有控卸壓與蠕變控制研究［D］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，2008:23－24.

［3］ 康紅普.煤礦深部巷道錨桿支護(hù)理論與技術(shù)研究新進(jìn)展［J］.煤礦支護(hù)，2007(2):1－8.(KANG Hongpu.New development of bolt support theory and technology in coal mine deep roadway［J］.Coal Mine Support，2007(2):1 －8.(in Chinese))

［4］ 張農(nóng)，王保貴，鄭西貴，等.千米深井軟巖巷道二次支護(hù)中的注漿加固效果分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010(5):41 －45，53.(ZHANG Nong，WANG Baogui，ZHENG Xigui，et al.Analysis on grouting reinforcement results in secondary support of soft rock roadway in kilometer deep mine［J］.Coal Science and Technology，2010(5):41 － 45，53.(in Chinese))

［5］ 何富連，楊綠剛，楊洪增，等.千米深井大跨度煤巷頂幫桁架聯(lián)合控制技術(shù)［J］.中國(guó)礦業(yè)，2011，20(3):68 －71，88.(HE Fulian，YANG Lvgang，YANG Hongzeng，et al.Combined control technology of large-span coal entry with top and side cable truss in kilometer deep mine［J］.China Mining Magazine，2011，20(3):68 －71，88.(in Chinese))

［6］ 高延法，王波，王軍，等.深井軟巖巷道鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)及應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010(S1):22 － 27.(GAO Yanfa，WANG Bo，WANG Jun，et al.Test on structural property and application of concretefilled steel tube support of deep mine and soft rock roadway［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010(S1):22－27.(in Chinese))

［7］ 黃萬(wàn)朋.深井巷道非對(duì)稱變形機(jī)理與圍巖流變及擾動(dòng)變形控制研究［D］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，2012:95－106.

［8］ 趙祥，田立新.邢東礦特深礦井錨網(wǎng)巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2012(4):115 －116，140.

［9］ 李學(xué)彬.鋼管混凝土支架強(qiáng)度與巷道承壓環(huán)強(qiáng)化支護(hù)理論研究［D］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，2012:24－25.

［10］ 荊升國(guó).高應(yīng)力破碎軟巖巷道棚－索協(xié)同支護(hù)圍巖控制機(jī)理研究［D］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，2009:33 －34.

［11］ 蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu):修訂版［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［12］ 童根樹(shù).鋼結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)穩(wěn)定［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［13］ 曹明，荊升國(guó)，謝文兵，等.深部高應(yīng)力軟巖巷道注漿加固圍巖控制技術(shù)［J］.能源技術(shù)與管理，2012(3):61－62，102.

［14］ 于廣龍，王軍，何曉升.膨脹性軟巖礦井鋼管支架支護(hù)技術(shù)研究［J］.城市建設(shè)理論研究，2012(43):78－81.(YU Guanglong，WANG Jun，HE Xiaosheng.Steel tube scaffold supporting technology research in swelling soft rock mines［J］.Urban Construction Theory Research，2012(43):78 －81.(in Chinese))

［15］ 張?jiān)?，周長(zhǎng)冰，劉渝，等.巷道表面位移觀測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新性研究［D/OL］.(2010－01－08)［2013－06－26］.http://www.paper.edu.cn.