李冰冰 姜鵬飛 焦金寶 程利興 張群濤

(1. 中煤新集阜陽(yáng)礦業(yè)有限公司，安徽省阜陽(yáng)市，236153；2. 天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3. 中煤新集能源股份有限公司，安徽省淮南市，232170)

隨著煤炭資源開(kāi)采強(qiáng)度不斷提升，我國(guó)礦井逐步進(jìn)入深部開(kāi)采階段，隨之而來(lái)的高應(yīng)力、圍巖松軟破碎以及巷道大變形等是現(xiàn)階段制約千米深井巷道支護(hù)的技術(shù)難題。鑒于此，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的研究成果。李大偉、許興亮、趙海軍等通過(guò)理論分析與試驗(yàn)研究，為正確認(rèn)識(shí)巷道圍巖變形破壞機(jī)理提供了可靠的依據(jù)；李學(xué)華等通過(guò)研究得出軟巖巷道圍巖的大變形具有階段性與區(qū)域性，提出了分階段分區(qū)域支護(hù)技術(shù)；康紅普等通過(guò)研究沿空留巷大變形特征，指出高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度、高剛度并具有足夠沖擊韌性的錨桿與錨索支護(hù)是比較適合深部沿空留巷的支護(hù)方式；方新秋等通過(guò)建立力學(xué)模型，研究了深井破碎圍巖巷道變形特征及影響因素，提出針對(duì)深井破碎圍巖巷道采用二次支護(hù)控制圍巖變形的方法；嚴(yán)紅、何富連等將深井大斷面煤巷圍巖的變形特征歸納為：巷道整體變形量大、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、敏感系數(shù)高及破壞針對(duì)性強(qiáng)；王衛(wèi)軍等研究了采動(dòng)應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力影響下巷道圍巖的大變形特征，指出強(qiáng)采動(dòng)和復(fù)雜構(gòu)造作用是造成巷道大變形失穩(wěn)破壞的兩個(gè)主要原因。上述研究成果在一定程度上豐富和完善了深井軟巖巷道的支護(hù)技術(shù)，但針對(duì)不同的地質(zhì)條件尚存在一定的局限性。

本文針對(duì)口孜東礦巨厚松散層、巷道埋藏深、圍巖巖性軟、地應(yīng)力高等多種復(fù)雜地質(zhì)條件的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究與實(shí)踐，提出了采用錨架充支護(hù)技術(shù)，解決了巷道大變形問(wèn)題，對(duì)深井大變形巷道的圍巖控制提供了重要的技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 礦井地質(zhì)條件

口孜東礦位于安徽省阜陽(yáng)市穎東區(qū)楊樓鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5.0 Mt/a，服務(wù)年限60.2 a。礦井采用立井開(kāi)拓，主、副、風(fēng)井三井筒井深均超過(guò)千米，目前開(kāi)采-967 m水平(第一水平)。

井田地處淮河沖積平原，煤系地層為石炭二疊系，覆蓋于煤系地層以上的新生界松散層，平均厚度591.60 m；礦井主要巷道揭露的巖層為泥巖、砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖，泥巖遇水膨脹，巷道變形極快，圍巖控制較困難，如北翼軌道石門(mén)原巷道掘進(jìn)斷面為29.79 m2，變形后不到10 m2，累計(jì)底鼓量超過(guò)4 m。

1.2 地應(yīng)力特征分析

在口孜東礦西翼矸石倉(cāng)三岔口、西翼軌道大巷與單軌吊交換站等3處進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，分析測(cè)試結(jié)果并得出如下結(jié)論：

(1)原巖應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，最大水平應(yīng)力的方向?yàn)镹E110°～125°。

(2)水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值最高為1.533，說(shuō)明該礦井巷道圍巖所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)大于上覆巖層重量計(jì)算得到的應(yīng)力值，因此較大的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)必然對(duì)井下巖層的變形破壞方式及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律會(huì)有很大的影響。

(3)實(shí)測(cè)的最大水平主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力的1.432～2.277倍，即說(shuō)明該區(qū)域地應(yīng)力具有明顯的方向性，因此，對(duì)巷道掘進(jìn)的影響亦具有較為明顯的方向性。

(4)實(shí)測(cè)的垂直應(yīng)力大致等于上覆巖層重量所計(jì)算的垂直應(yīng)力，但最大主應(yīng)力則遠(yuǎn)大于上覆巖層重量所計(jì)算的垂直應(yīng)力值，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造活動(dòng)比較強(qiáng)烈。

2 千米深井軟巖巷道圍巖控制技術(shù)探索

2.1 前期的支護(hù)探索

口孜東礦開(kāi)采深度大，地質(zhì)條件復(fù)雜，前掘后修、邊掘邊修、多次返修等現(xiàn)象屢屢發(fā)生，巷道支護(hù)困難，嚴(yán)重制約和影響礦井的安全生產(chǎn)。為有效解決深井大變形軟巖巷道支護(hù)難題，口孜東礦開(kāi)展了一系列的支護(hù)探索與實(shí)踐，主要復(fù)合支護(hù)形式有：錨架注支護(hù)，即錨網(wǎng)索噴+U36型棚+噴漿、注漿；雙層錨網(wǎng)噴+注漿支護(hù)，即一次錨索網(wǎng)噴、注漿+二次錨桿網(wǎng)噴(拱基以上)、注漿；封閉式錨架支護(hù)，即錨網(wǎng)索噴+U36型鋼反底拱棚+壁后充填；鋼管混凝土支護(hù)，即一次錨網(wǎng)索噴支護(hù)，其次架空鋼管混凝土支架，然后對(duì)支架壁后進(jìn)行充填，最后往支架內(nèi)部灌注鋼纖維混凝土，同時(shí)對(duì)底板進(jìn)行矸石回填。

2.2 不同支護(hù)方式圍巖破壞特征

錨網(wǎng)索噴支護(hù)巷道變形破壞情況如圖1所示。由圖1可以看出，在巷道底板整體發(fā)生擠出式底鼓，破壞方式為拉伸破壞，局部底鼓量達(dá)到1.5 m，且具有非常強(qiáng)烈的蠕變效應(yīng)，底鼓周期短，累計(jì)底鼓量達(dá)到5 m，相當(dāng)于整個(gè)巷道凈高。同時(shí)巷道頂板下沉跨落，幫部大面積鼓出。

通過(guò)接入外部電路測(cè)出測(cè)量電容上的電壓UM(t),根據(jù)式(3)求得E0(t),即為該點(diǎn)的電場(chǎng)。這就是電容傳感器測(cè)量電場(chǎng)的基本原理[8-14]。

鋼管混凝土支護(hù)巷道變形破壞方式如圖2所示。由圖2可以看出，破壞方式均為擠壓式破壞，以頂幫連接段和底拱段變形破壞為主。

經(jīng)過(guò)前期的實(shí)踐得知，無(wú)論是錨網(wǎng)類(lèi)復(fù)合支護(hù)，還是鋼管混凝土支護(hù)，在支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力、施工速度以及支護(hù)效果等方面均存在一定缺陷，單純依靠上述支護(hù)方式均難以從根本上解決口孜東礦控制巷道圍巖大變形的技術(shù)難題。為此，經(jīng)反復(fù)研究與總結(jié)，提出了采用了錨架充支護(hù)技術(shù)。

圖1 錨網(wǎng)索噴巷道變形破壞方式

3 錨架充支護(hù)技術(shù)

錨架充支護(hù)技術(shù)通過(guò)主被動(dòng)支護(hù)的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)“讓”與“抗”的有機(jī)結(jié)合，錨網(wǎng)索噴是主動(dòng)支護(hù)，套棚支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)，通過(guò)充填材料實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)的有機(jī)結(jié)合，巷道穩(wěn)定性好，承載能力強(qiáng)。

3.1 錨架充支護(hù)參數(shù)

(1)錨網(wǎng)索噴。錨桿采用?22 mm×2500 mm的左旋無(wú)縱筋MG500高強(qiáng)螺紋鋼，間排距為800 mm×800 mm，錨固力不低于120 kN，全長(zhǎng)錨固；錨網(wǎng)采用?6 mm×1000 mm×2000 mm，網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm；錨索采用?21.8 mm鋼絞線加工，間排距1.2 m×1.6 m，頂部錨索長(zhǎng)6.2 m，幫部錨索長(zhǎng)4.1 m，預(yù)緊力不低于160 kN；噴射混凝土厚70 mm，強(qiáng)度等級(jí)C20。

圖2 鋼管混凝土支護(hù)下巷道變形破壞方式

(2)套棚支護(hù)。采用U36型鋼加工，棚間距650 mm；棚搭接長(zhǎng)度700 mm，卡纜采用U36型鋼加工，每處均設(shè)三道搭接，卡纜螺栓力矩為300 N·m；棚與棚之間采用10#槽鋼加工的拉條固定，長(zhǎng)度為1580 mm，設(shè)7道拉條，棚梁正中、側(cè)梁正中及巷道腰線上700 mm、腰線下300 mm各一道，U型卡采用?16 mm圓鋼加工。

(3)充填支護(hù)。先在棚梁外緣鋪設(shè)錨網(wǎng)，再在錨網(wǎng)外側(cè)鋪塑料布，施工時(shí)塑料布卷成卷從棚頂向兩邊鋪開(kāi)；鋪隔斷管，每架設(shè)30架放1個(gè)隔斷管；施工時(shí)先將隔斷管充滿充填料，然后再對(duì)此30架進(jìn)行充填，直至整個(gè)中層充填空間填滿。

充填材料為水泥、粉煤灰、石英砂及添加劑，混合料必須保持干燥，通過(guò)充填材料輸送系統(tǒng)進(jìn)行輸送，直至在工作面站進(jìn)行與水混合；混合料與水混合后，坍落度要合適，具有較好的流動(dòng)性；充填后，初凝時(shí)間為30～60 min。

3.2 錨架充支護(hù)技術(shù)要求

(1)區(qū)分平巷充填和斜巷充填的技術(shù)要點(diǎn)。平巷起步充填時(shí)，每隔20架U型棚需用矸石袋堆積嚴(yán)實(shí)，防止跑漿；斜巷充填時(shí)，將充填管放入棚梁上方，濕料流動(dòng)性較好，相比于平巷，斜巷充填更為密實(shí)，且充填距離幾乎不受限制。

(3)充填料輸送過(guò)程中確保物料及壓風(fēng)的干燥。從地面站筒倉(cāng)至井下移動(dòng)工作面站加水?dāng)嚢枨?，中間經(jīng)過(guò)各級(jí)中轉(zhuǎn)站必須保證壓風(fēng)的干燥，避免物料潮濕堵塞管路。

(4)保證濕料流動(dòng)性的同時(shí)又要確保其凝固后的強(qiáng)度，確保其在5 h后混凝土強(qiáng)度達(dá)到5 MPa，12 h后強(qiáng)度達(dá)到10 MPa，24 h后強(qiáng)度達(dá)到15 MPa，48 h后強(qiáng)度達(dá)到20 MPa。

3.3 充填質(zhì)量檢測(cè)

(1)充填厚度檢測(cè)。套棚時(shí)，測(cè)量棚腿背面至巷道墻面間距離，確保預(yù)留充填厚度在250～350 mm之間。

充填凝固后，打孔進(jìn)行測(cè)量，在試驗(yàn)巷道段隨機(jī)選取檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)間距不大于40 m，并安排套棚施工單位每組檢測(cè)點(diǎn)用風(fēng)錘打檢測(cè)孔，檢查孔數(shù)不少于3個(gè)。

(2)充填強(qiáng)度檢測(cè)。在錨架充支護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取濕料，并用鋼模制作成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊；在養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行壓力試驗(yàn)，其受壓強(qiáng)度必須不小于20 MPa；每澆筑30～50 m，制取試塊不得少于2組，每組試塊不得少于3個(gè)，材料或配合比變更時(shí)，應(yīng)另作一組。

4 錨架充支護(hù)效果分析

錨架充支護(hù)是錨網(wǎng)索噴支護(hù)、U型棚支護(hù)及充填料支護(hù)三種支護(hù)合為一體的支護(hù)方式，增強(qiáng)了巷道抵抗深部高應(yīng)力的承載能力，保證了巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。前期應(yīng)用于口孜東礦西翼軌道大巷，隨后錨架充技術(shù)成熟后，在口孜東礦中央采區(qū)軌道上山和膠帶機(jī)上山等主要采區(qū)準(zhǔn)備上山修復(fù)時(shí)進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好。

4.1 錨架充巷道統(tǒng)計(jì)

口孜東礦實(shí)施錨架充支護(hù)以來(lái)，截至2018年5月底共施工錨架充巷道4838 m，其中掘進(jìn)巷道2973 m，巷修巷道1865 m，統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1和表2。

表1 口孜東礦錨架充支護(hù)掘進(jìn)巷道情況統(tǒng)計(jì)表

表2 錨架充支護(hù)巷修巷道情況統(tǒng)計(jì)表

4.2 巷道返修率降低

采用錨架充支護(hù)技術(shù)后，巷道返修率由最高時(shí)的8.3%下降至2015年的5%，巷道返修率大大降低，目前巷道嚴(yán)重返修率已下降至2.26%，見(jiàn)表3。

表3 口孜東礦危巷情況統(tǒng)計(jì)表

同時(shí)，巷道返修狀況得以較大程度的改善，礦井巷修隊(duì)伍人員數(shù)量也由原來(lái)的2100余人減少到500人左右，并大大降低了井下工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

其他支護(hù)與錨架充支護(hù)技術(shù)一次性投入支護(hù)成本及返修周期如下：

雙層錨網(wǎng)噴+注漿支護(hù)成本：11903元/m，1年返修；錨架注支護(hù)成本：19645元/m，1年返修；鋼管混凝土僅支護(hù)材料成本：21724元/m，2年返修；錨架充支護(hù)技術(shù)成本：20255元/m，暫未發(fā)生破壞返修情況。

錨架充技術(shù)實(shí)施至今已成功支護(hù)4838 m巷道，較雙層錨網(wǎng)噴+注漿支護(hù)、錨架注支護(hù)和鋼管混凝土支護(hù)分別節(jié)約1.04億元、2.35億元和0.86億元，平均節(jié)約1.42億元。

錨架充技術(shù)應(yīng)用后提高了巷道掘進(jìn)速度，避免了大巷返修，保障了開(kāi)采水平及工作面銜接，新增煤炭產(chǎn)量157萬(wàn)t，新增銷(xiāo)售額47257萬(wàn)元，新增利潤(rùn)11814萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)口孜東礦千米深井巷道圍巖大變形的支護(hù)技術(shù)難題，提出采用錨架充支護(hù)技術(shù)并成功應(yīng)用于實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

(1)錨架充技術(shù)不但掘進(jìn)巷道支護(hù)效果好，而且對(duì)于采區(qū)主要上山的支護(hù)效果同樣顯著，適用性強(qiáng)。

(2)錨架充支護(hù)通過(guò)主被動(dòng)支護(hù)“讓”與“抗”的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)了巷道支護(hù)體的承載能力與整體穩(wěn)定性，在很大程度上解決了千米深井軟巖巷道的大變形問(wèn)題。

(3)采用錨架充支護(hù)技術(shù)后，巷道返修率顯著降低，巷道返修人員減少3/4以上，提高了巷道掘進(jìn)速度，避免了大巷返修，保障了開(kāi)采水平及工作面接替，支護(hù)效果好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。