趙新慧，崔瑞環(huán)

(陽(yáng)泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

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·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

錨網(wǎng)噴、錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在深部巖巷中的應(yīng)用

趙新慧，崔瑞環(huán)

(陽(yáng)泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

針對(duì)某礦1215工作面運(yùn)料車場(chǎng)巷道圍巖在原支護(hù)系統(tǒng)下?lián)p壞嚴(yán)重的情況，分析了其變形破壞的形態(tài)和誘因，闡述了錨網(wǎng)噴、錨索聯(lián)合支護(hù)作用機(jī)理，提出了“長(zhǎng)錨桿(索)+強(qiáng)金屬網(wǎng)+二次噴漿”的聯(lián)合支護(hù)方式，并應(yīng)用于1215工作面運(yùn)料車場(chǎng)巷道的擴(kuò)刷工程中。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，支護(hù)效果顯著，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

深部巖巷；變形破壞；聯(lián)合支護(hù)；巷道擴(kuò)刷

我國(guó)煤炭賦存整體上埋藏較深，據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，許多井工煤礦目前開采或開拓延伸深度已超過了800 m，甚至達(dá)到千米級(jí)，且開采深度以8～12 m/年的速度增加[1,2]. 深部巷道由于所處的地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力增大、破裂區(qū)的存在及圍巖軟化特性，其受力變形和破裂程度比淺部巷道要嚴(yán)重得多，這就對(duì)巷道圍巖支護(hù)技術(shù)提出了更高的要求[3,4].

1 工程概況

某礦井生產(chǎn)能力為150萬(wàn) t/年，屬于低瓦斯礦井，礦井開拓方式為立井雙水平(-650 m、-830 m)開拓，含可采煤層6層，主采2#和8#煤層。其中，1215工作面作為-650 m水平二采區(qū)的第5個(gè)生產(chǎn)工作面，埋深為786～839 m，平均812 m. 工作面位于-650 m軌道大巷以東，西邊為1623探巷，南部200 m為F23導(dǎo)水?dāng)鄬?。考慮導(dǎo)水?dāng)鄬拥拇嬖?，北?0 m左右為F16斷層，綜合多種因素，工作面沿F16斷層布置，而作為連接-650 m軌道大巷和運(yùn)料巷樞紐的運(yùn)料車場(chǎng)，平行于水平大巷沿巖層掘進(jìn)。由于-650 m軌道大巷與運(yùn)料巷之間高差及F23導(dǎo)水?dāng)鄬拥燃榷ǖ刭|(zhì)條件的限制，加之運(yùn)料絞車自身長(zhǎng)度及行車條件的約束，運(yùn)料車場(chǎng)并沒有將兩巷道以直線形式貫通，而是以折線方式，在距運(yùn)料巷道口與等高線呈15°斜角方向，約60 m處交岔點(diǎn)匯合，全長(zhǎng)為180 m的巖巷。在工作面運(yùn)料車場(chǎng)掘進(jìn)過程中揭露一條東西走向落差為7 m的F26-2正斷層，附近圍巖巖體破碎，承載能力較弱。

1215工作面運(yùn)料車場(chǎng)巷道斷面形狀為直墻半圓拱，掘進(jìn)規(guī)格寬5.0 m×高4.0 m，凈斷面14.96 m2. 原有支護(hù)采用較為傳統(tǒng)的樹脂全長(zhǎng)錨固錨桿(d22 mm、長(zhǎng)度為2.4 m的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm)和金屬網(wǎng)作為基本支護(hù)；后以d21.8 mm、L6.5 m的鋼絞線，采用樹脂藥卷錨固方式補(bǔ)強(qiáng)加固，方式較為單一，總體支護(hù)強(qiáng)度較弱，在掘進(jìn)階段，巷道因受采動(dòng)應(yīng)力及斷層作用，錨桿已不能有效地阻止頂板下沉，曾多次發(fā)生破碎巖塊冒漏現(xiàn)象。投入使用后不久，兩幫圍巖變形，底鼓嚴(yán)重，錨桿彎曲、松動(dòng)，托盤損壞、脫落，不得不重新擴(kuò)刷。

2 巷道變形破壞原因

對(duì)于“三高一擾動(dòng)”深部巷道環(huán)境，圍巖失穩(wěn)破壞的影響因素有很多，主要包括圍巖強(qiáng)度、應(yīng)力狀況及支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系[5]. 通過分析工作面運(yùn)料車場(chǎng)圍巖及支護(hù)體的礦壓顯現(xiàn)特征，可將其巷道變形破壞影響因素歸納為以下幾個(gè)方面：

1) 巷道埋深。

1215工作面運(yùn)料車場(chǎng)埋深約815 m，原巖應(yīng)力高達(dá)25.63 MPa，其承載上覆巖層的重量大，巖體內(nèi)部積聚大量的彈性能，而且巷道的斷面尺寸較大，對(duì)采掘擾動(dòng)影響及地應(yīng)力場(chǎng)變化更為敏感，一旦巷道開挖卸壓，圍巖中的彈性能急劇釋放，易引起巷道圍巖擴(kuò)容變形。

2) 地質(zhì)構(gòu)造。

地質(zhì)構(gòu)造的存在不僅會(huì)影響圍巖應(yīng)力大小和方向，而且會(huì)破壞巖體的整體性和連續(xù)性，降低巖體強(qiáng)度，加劇巖層節(jié)理裂隙的擴(kuò)展。工作面運(yùn)料車場(chǎng)在連接-650 m大巷端口附近地段會(huì)受到導(dǎo)水?dāng)鄬拥挠绊?，且在掘進(jìn)過程中又遇到一斷層，整條巷道處于較多斷層區(qū)域，因構(gòu)造應(yīng)力的存在而加劇巷道破壞變形。

3) 圍巖物理力學(xué)性質(zhì)。

1215工作面運(yùn)料車場(chǎng)頂?shù)装逯饕苑凵皫r和細(xì)砂巖為主，且周邊存在較多復(fù)雜斷層，在高應(yīng)力作用下，圍巖巖體進(jìn)入大變形軟化狀態(tài)，其抗剪、抗拉強(qiáng)度嚴(yán)重削弱，裂隙和弱面的啟裂、擴(kuò)展、貫通以及分支裂紋的產(chǎn)生等劣化行為均會(huì)有所加劇。

4) 支護(hù)方式與支護(hù)結(jié)構(gòu)。

深部巖體介質(zhì)已進(jìn)入到塑性、黏塑性和流變性的階段，傳統(tǒng)的淺部支護(hù)系統(tǒng)已不能與圍巖產(chǎn)生良好的耦合作用關(guān)系。深部高應(yīng)力場(chǎng)中，常規(guī)的錨網(wǎng)支護(hù)較為被動(dòng)地承載圍巖壓力，一旦變形超出其極限強(qiáng)度范圍，極易造成支護(hù)體的損壞而支護(hù)失敗。工作面運(yùn)料車場(chǎng)原有支護(hù)形式單一、支護(hù)構(gòu)建不配套，支護(hù)強(qiáng)度不足，亦未能充分發(fā)揮圍巖的自承能力，因此巷道支護(hù)體出現(xiàn)不同程度的破壞。

5) 施工工藝。

該巷道斷面為直墻拱形，由直墻和拱形弧段組成，在支護(hù)施工操作上相比矩形巷道更為復(fù)雜。錨桿鉆孔孔徑和角度的偏差，樹脂藥卷攪拌不均勻，托盤與巷道面傾斜接觸，螺母未擰緊等均會(huì)使錨桿預(yù)緊力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，而影響整體支護(hù)效果。

3 錨網(wǎng)噴、錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理

1) 錨桿(索)承壓拱支護(hù)作用。

預(yù)應(yīng)力錨桿錨入圍巖后，其兩端附近會(huì)形成錐形壓縮區(qū)，隨著巷道圍巖不斷外移變形，錨桿所受拉應(yīng)力不斷加大，兩端錐形壓縮區(qū)不斷擴(kuò)大后交融形成錨桿高壓支承區(qū)，見圖1. 相鄰錨桿間的支承區(qū)相互疊加，在靠近錨桿頂部附近形成低壓支承區(qū)，進(jìn)而發(fā)展成一個(gè)連續(xù)壓應(yīng)力承壓拱，共同承載著上部巖體的巨大載荷[6]. 同時(shí)，錨桿群承壓拱可將淺部處于松動(dòng)圈內(nèi)的塑性巖塊緊密束縛在深部完整巖體上，抑制淺部巖層離層、裂隙張開。

錨桿群支護(hù)形成的壓縮承載拱因現(xiàn)有錨桿長(zhǎng)度的限制，其作用的有效圍巖深度相對(duì)較小。而錨索是以拉應(yīng)力為主要受載方式的柔性支護(hù)體，通過錨索可將整個(gè)錨桿承壓拱與深部圍巖相連，既提高承載壓縮拱的穩(wěn)定性，又使圍巖應(yīng)力均勻擴(kuò)散，減弱圍巖局部應(yīng)力集中，從而充分發(fā)揮深部圍巖的自承能力，使得更大范圍的巖體共同承擔(dān)壓力。錨索支承區(qū)及疊加區(qū)雖然承載力較小，但范圍較廣，亦可在深部圍巖內(nèi)形成一定承載力的組合壓縮拱，與錨桿群形成的承載壓縮拱組合成雙拱支護(hù)結(jié)構(gòu)，主動(dòng)控制圍巖，保證巷道圍巖的完整體。

圖1 錨桿(索)支護(hù)承壓拱示意圖

2) 噴層拱支護(hù)作用。

巷道開挖后及時(shí)噴層處理，可減弱圍巖巖體的潮解和風(fēng)化作用，防止因圍巖膨脹變形而加劇巖體節(jié)理裂隙的擴(kuò)展；同時(shí)高壓噴射混凝土，會(huì)使部分混凝土漿液滲入圍巖原生或次生裂隙中，起到膠結(jié)加固的效果，提高巷道圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[7]. 混凝土噴層拱外鋪設(shè)金屬網(wǎng)，使得拱形結(jié)構(gòu)具有較高的抗彎剛度和強(qiáng)度，既可以限制圍巖產(chǎn)生較大變形，又可以利用噴層自身的柔韌性適度讓壓，減弱因圍巖變形施加在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力，較好地協(xié)調(diào)支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的耦合作用[8,9]. 此外混凝土噴射往往不止一次，噴層固化后具有連續(xù)性和均勻性，保證了錨桿群形成的承壓拱具有良好傳遞外力的介質(zhì)。

4 支護(hù)方案與參數(shù)的確定

經(jīng)過論證，工作面運(yùn)料車場(chǎng)巷道擴(kuò)刷時(shí)，選用“長(zhǎng)錨桿(索)+強(qiáng)金屬網(wǎng)+二次噴漿”聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)。

1) 錨桿長(zhǎng)度及間排距。

錨桿是巷道淺部圍巖的骨架結(jié)構(gòu)，合適的錨桿長(zhǎng)度及間排距，能夠提高錨固區(qū)圍巖強(qiáng)度，形成承載能力大的承壓拱。錨桿長(zhǎng)度可由式(1)確定：

(1)

式中：

l—錨桿長(zhǎng)度，m；

l1—頂板離層位置到巷道頂?shù)木嚯x，m；

l2—錨桿有效錨固長(zhǎng)度，m；

l3—錨桿外露長(zhǎng)度，m.

錨桿支護(hù)密度可由經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算得到：

(2)

式中：

e—每排錨桿間距，m；

n—每排錨桿數(shù)，根；

P—錨桿承載力，kN；

Ks—安全系數(shù)；

Q—載荷集中程度，kN/m.

根據(jù)相關(guān)規(guī)程資料，將工作面運(yùn)料車場(chǎng)巷道支護(hù)及圍巖參數(shù)帶入式(1)、(2)可得錨桿參數(shù)如下：采用d22 mm螺紋鋼超強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)度3 000 mm，每排布置13根，間排距800 mm×800 mm，底角處錨桿與水平方向呈15°；錨桿預(yù)緊扭矩不小于480 N·m.

2) 頂錨索長(zhǎng)度及間排距。

頂板錨索長(zhǎng)度與巷道寬度、頂板巖性等密切相關(guān)，可由式(3)來確定：

(3)

式中：

L—錨索長(zhǎng)度，m；

L1—錨索外露長(zhǎng)度，m；

L2—錨索有效錨固長(zhǎng)度，m；

L3—錨索端長(zhǎng)度，m.

錨索有效錨固長(zhǎng)度，經(jīng)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，可取經(jīng)驗(yàn)公式(4)：

L2=max[1.5a，∑hi]

(4)

式中：

a—巷道寬度，m；

∑hi—由巷道頂板到安全穩(wěn)定層位間各巖層厚度之和，m；錨索外露長(zhǎng)度取0.15～0.3，錨固端長(zhǎng)度取0.5～1.

錨索間排距主要取決于錨固區(qū)圍巖的重量，可由經(jīng)驗(yàn)公式(5)計(jì)算：

(5)

式中：

b—錨索間距，m；

σt—錨索極限抗拉強(qiáng)度，MPa；

k—安全系數(shù)；

γ—圍巖平均容重，kN/m3.

將1215工作面運(yùn)料車場(chǎng)尺寸及使用材料參數(shù)帶入式(3)、(4)、(5)中可得頂錨索參數(shù)：采用19股鋼絞線加強(qiáng)支護(hù)，d21.8 mm，長(zhǎng)度8 500 mm，每排布置3根，間排距2 000 mm×1 600 mm，五花眼布置；錨索預(yù)緊力不小于140 kN.

3) 支護(hù)構(gòu)件參數(shù)。

金屬網(wǎng)材質(zhì)選用d6 mm冷拔絲鋼筋，網(wǎng)片規(guī)格1 200 mm×1 200 mm，每排布置12片；鋼筋梁d16 mm，長(zhǎng)3 900 mm，每排布置4根；采用長(zhǎng)2 800 mm的16號(hào)槽鋼進(jìn)行連鎖，排距1 500 mm；托盤為拱形，保證托盤一面與錨桿垂直，一面緊貼巖面。

4) 噴層混凝土厚度。

混凝土噴層拱的作用在于阻止巷道淺部圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)松動(dòng)破裂，當(dāng)圍巖塑性變形產(chǎn)生的壓力大于混凝土噴層拱極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，混凝土噴層將發(fā)生剪切破壞[10]. 由剪切破壞理論可得混凝土噴層厚度：

(6)

式中：

d—混凝土噴層厚度，m；

k—安全系數(shù)；

Pi—巷道圍巖即將處于塑性狀態(tài)下作用在支護(hù)體上的壓力，MPa；

r0—巷道等效半徑，m；

τ—混凝土噴層抗剪強(qiáng)度，MPa.

代入相關(guān)參數(shù)得：采用強(qiáng)度等級(jí)為C20的混凝土進(jìn)行噴漿，巷道擴(kuò)刷后及時(shí)進(jìn)行第一噴漿，噴層厚度50 mm；施錨掛梁網(wǎng)后進(jìn)行第二次噴漿，噴層厚度為50 mm；每排噴漿量為1.96 m3.

整個(gè)巷道的支護(hù)參數(shù)和布置方式見圖2.

圖2 擴(kuò)刷時(shí)的巷道支護(hù)方式示意圖

5 支護(hù)效果分析

為監(jiān)測(cè)1215工作面運(yùn)料車場(chǎng)擴(kuò)刷后的支護(hù)效

果，分別在連接1215工作面運(yùn)料巷交岔點(diǎn)附近區(qū)段、車場(chǎng)中部區(qū)段、連接-650 m軌道大巷交岔點(diǎn)附近區(qū)段，設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，采用“十字”布點(diǎn)法測(cè)量巷道頂?shù)装濉蓭偷奈灰魄闆r，見圖3，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖4.

圖3 監(jiān)測(cè)斷面布置圖

由圖4可知，3個(gè)測(cè)面巷道圍巖收斂量隨支護(hù)時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同。支護(hù)初期圍巖變形較快，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖逐漸耦合平衡，圍巖變形速度減緩，最終趨于平穩(wěn)。從巷道圍巖收斂量看，運(yùn)料車場(chǎng)交岔點(diǎn)附近區(qū)段圍巖變形量較車場(chǎng)中部稍大，頂板最大下沉量為59 mm，底板最大移近量為78 mm，兩幫最大相對(duì)移近量123 mm. 1215工作面運(yùn)料車場(chǎng)維護(hù)期間未出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等嚴(yán)重礦壓現(xiàn)象，表明“長(zhǎng)錨桿(索)+金屬網(wǎng)+二次噴漿”的聯(lián)合支護(hù)方案對(duì)深部巖巷的控制效果良好。

圖4 巷道表面位移量與時(shí)間關(guān)系曲線圖

6 結(jié) 語(yǔ)

礦井開采深度日趨加大，復(fù)雜的“三高一擾動(dòng)”深部地下環(huán)境必然會(huì)造成更大強(qiáng)度的巷道圍巖破壞，給傳統(tǒng)的巷道圍巖支護(hù)方式帶來巨大挑戰(zhàn)。因此，加大對(duì)深部巷道圍巖變形破壞的致因、機(jī)理和動(dòng)態(tài)過程的研究顯得尤為重要，在此基礎(chǔ)上，加強(qiáng)多學(xué)科交叉理論、方法與技術(shù)的融合，對(duì)深部巷道圍巖的支護(hù)方式與結(jié)構(gòu)進(jìn)行積極的探索創(chuàng)新，已成為深部煤炭資源安全高效開采保障系統(tǒng)中重要的一環(huán)。通過對(duì)該巷道擴(kuò)刷過程中巷道支護(hù)方式的改進(jìn)，有效促進(jìn)了支護(hù)與圍巖之間的耦合作用，優(yōu)化了巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀況，明顯提高了巷道圍巖支護(hù)的穩(wěn)定性，保障了礦井的安全生產(chǎn)。

[1] 李化敏,付 凱.煤礦深部開采面臨的主要技術(shù)問題及對(duì)策[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006,23(4):468-471.

[2] 藍(lán) 航,陳東科,毛德兵.我國(guó)煤礦深部開采現(xiàn)狀及災(zāi)害防治分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016,44(1):39-46.

[3] 孫廣義,林井祥.深部巷道支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐[J].煤礦開采,2010,15(1):54-57.

[4] 張廣超,何富連.深井高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)制及控制[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015,32(4):571-577.

[5] 曾正良.巷道變形破壞的因素及控制方法[J].煤炭技術(shù),2008,27(4):141-143.

[6] 謝生榮,謝國(guó)強(qiáng),何尚森,等.深部軟巖巷道錨噴注強(qiáng)化承壓拱支護(hù)機(jī)理及其應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(3):404-409.

[7] 史 玲.地下工程中噴層支護(hù)機(jī)理研究進(jìn)展[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(4):759-763.

[8] 侯 斌,劉永立.錨噴支護(hù)的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2008,27(6):54-55.

[9] 黃 偉,馬芹永,袁文華,等.深部巖巷錨噴支護(hù)作用機(jī)理及其力學(xué)性能分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(1):28-32.

[10] 李大偉.軟巖巷道錨噴支護(hù)破裂分析與對(duì)策[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(6):641-646.

Application of Combined Support Technology with Bolt Mesh Spray and Anchor Cable in Deep Rock Roadway

ZHAO Xinhui, CUI Ruihuan

Aiming at the serious damage of the surrounding rock of the roadway in 1215 working face in a coal mine, the form and cause of the deformation and failure are analyzed. The mechanism of the combined support is introduced. The Long anchor (cable)+strong metal net+guniting joint support mode are applied to the roadway section-expansion engineering in the working face for material transportation. The practice shows remarkable effect in support with good value to promote in similar cases.

Deep rock roadway; Deformation and failure; Combined support; Roadway expansion

2017-03-02

趙新慧(1988—)，男，山西陽(yáng)泉人，2010年畢業(yè)于山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助理工程師，主要從事煤礦井下采掘技術(shù)管理工作

(E-mail)3410955640@qq.com

TD353

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1672-0652(2017)05-0039-04