張德飛，張慶林，張洪偉，盧志國(guó)，鄭仰發(fā)，范明建

（1.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 華豐煤礦，山東 泰安 271413；2.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部，山東 泰安 271223；3.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013）

0 引 言

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采規(guī)模的提升以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的快速增長(zhǎng)，淺部資源逐漸枯竭，深部開(kāi)采成為必然發(fā)展趨勢(shì)，習(xí)近平總書(shū)記提出“向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問(wèn)題”。 我國(guó)已探明1 000 m以深煤炭資源探明儲(chǔ)量占我國(guó)煤炭資源總量49%，超千米深井煤層開(kāi)采過(guò)程中，回采巷道受強(qiáng)烈采動(dòng)持續(xù)大變形、巖層巷道安全高效支護(hù)控制等系列難題亟待解決［1-2］。

張農(nóng)等［3］研究認(rèn)為巷道受采動(dòng)影響時(shí)圍巖應(yīng)力可達(dá)到數(shù)倍、甚至近10 倍于原巖應(yīng)力，深部巷道原巖應(yīng)力大，開(kāi)挖引起集中應(yīng)力對(duì)巷道圍巖破壞更劇烈，并且表現(xiàn)出與淺部巷道不同的特征，形成其獨(dú)特理論。 高應(yīng)力作用下，巷道圍巖強(qiáng)烈擴(kuò)容、持續(xù)大變形、嚴(yán)重破壞等非線性特征明顯［4］。 深部巷道圍巖分區(qū)破壞現(xiàn)象突出［5-7］，陳昊祥等［8］建立深部巷道圍巖分區(qū)破裂非線性模型。 高富強(qiáng)等［9］采用FLAC 對(duì)巷道分區(qū)破裂進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析巷道形狀對(duì)分區(qū)破裂的影響。 李術(shù)才等［10］研究了深部巷道圍巖分區(qū)破裂現(xiàn)象的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)。 黃炳香等［11］指出深部巷道圍巖變形由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，圍巖流變、擴(kuò)容不斷增加，并對(duì)巷道圍巖流變及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)大變形理論進(jìn)行了研究。 在深部巷道圍巖控制方面，康紅普［12］提出了高預(yù)應(yīng)力錨桿一次支護(hù)理論，研發(fā)高壓劈裂注漿改性技術(shù)，開(kāi)發(fā)水力壓裂技術(shù)，形成高預(yù)應(yīng)力錨桿-注漿改性-水力壓裂卸壓“三主動(dòng)”協(xié)同支護(hù)理念。 馬念杰等［13］提出了蝶形塑性區(qū)理論，及深部大變形控制理論。 劉泉聲等［14］認(rèn)為深部巖石工程穩(wěn)定性受高地應(yīng)力、滲透壓力及溫度梯度影響，并提出了超高強(qiáng)錨桿支護(hù)-注漿固結(jié)-能量釋放等控制方法。 柏建彪等［15］認(rèn)為深部巷道控制的基本方法為提高圍巖自承能力，轉(zhuǎn)移圍巖高應(yīng)力。勾攀峰等［16］提出了基于強(qiáng)力支護(hù)原理的巷道錨桿-錨索協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)。 姜耀東等［17］分析高預(yù)應(yīng)力錨桿、強(qiáng)力錨索、金屬網(wǎng)和噴漿加固以及U 型支架對(duì)軟巖控制的互補(bǔ)作用，提出了互補(bǔ)綜合治理方案。文獻(xiàn)［18-21］針對(duì)深部不同功能類(lèi)型的巷道研究了動(dòng)壓大變形破壞及防沖條件的圍巖控制技術(shù)。

筆者以新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華豐煤礦埋深1 300 m 的回采巷道為工程背景，基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)綜合測(cè)試和圍巖非均勻性破壞機(jī)理研究，提出預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)錨桿-錨注錨索聯(lián)合支護(hù)方案；并實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)井下工業(yè)性試驗(yàn)，通過(guò)錨桿支護(hù)力、圍巖應(yīng)力與頂板多點(diǎn)離層等綜合監(jiān)測(cè)分析，驗(yàn)證了巷道支護(hù)安全穩(wěn)定性。 可為類(lèi)似超深巷道圍巖控制提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

華豐煤礦已有百年開(kāi)采歷史，采深超過(guò)千米之后，4 號(hào)主采厚煤層沖擊地壓顯現(xiàn)愈加強(qiáng)烈。 保護(hù)層開(kāi)采可降低被保護(hù)層的沖擊危險(xiǎn)性，是經(jīng)濟(jì)有效的卸壓防沖方法。 為從礦井“區(qū)域防沖”上治理沖擊地壓災(zāi)害，礦井布局為先開(kāi)采底部6 號(hào)煤層作為保護(hù)層（無(wú)煤柱開(kāi)采），充分卸壓后再開(kāi)采上部4 號(hào)厚煤層。

2613 回采工作面下平巷位于井下五水平下山二采區(qū)-1 180 m 水平，埋深1 300 m 左右，目前是華豐煤礦采深最大的煤層巷道，直墻半圓拱斷面，掘進(jìn)寬度4 300 mm，高度3 350 mm。 6 號(hào)煤層為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單薄煤層，平均厚度1.1 m，厚度穩(wěn)定，黑色，光澤較暗，為亮-半暗型煤，煤層平均傾角32°，周?chē)鸁o(wú)工作面掘進(jìn)采動(dòng)影響。 煤層綜合柱狀圖如圖1 所示，頂板為粉砂巖（灰黑色，Ⅰb 級(jí)，水平層理發(fā)育，夾白色細(xì)條紋，斜向節(jié)理，易冒落）、中砂巖（厚層狀，多層理結(jié)構(gòu)），底板為粉砂巖。

2 現(xiàn)場(chǎng)圍巖地質(zhì)力學(xué)綜合測(cè)試

2.1 地應(yīng)力測(cè)試

2.2 頂板圍巖窺視

通過(guò)2613 回采工作面下平巷掘進(jìn)工作面頂板錨索鉆孔進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)窺視，孔壁平面展開(kāi)如圖2所示。 鉆孔淺部0.2～0.5 m、1.1～1.3 m 范圍內(nèi)局部存在明顯張開(kāi)裂隙、破碎情況，頂板砂巖自然賦存結(jié)構(gòu)完整性一般。

巷道掘進(jìn)過(guò)程短時(shí)期內(nèi)，受超高地壓卸壓擾動(dòng)影響，常規(guī)錨桿支護(hù)范圍內(nèi)、圍巖表面淺部出現(xiàn)破碎變形情況，層理間出現(xiàn)逐漸滑移錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。

3 巷道非均勻性變形破壞機(jī)理

3.1 現(xiàn)場(chǎng)勘查

通過(guò)巷道現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，2613 回采工作面下平巷（一段）巷道掘進(jìn)后下幫破碎鼓包，最大變形量1 000 mm，回采過(guò)程超前支護(hù)段兩幫移近量、底鼓量均超過(guò)1.5 m，巷道回縮率超過(guò)50%。 嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)。

圖2 頂板巖層結(jié)構(gòu)鉆孔窺視展開(kāi)Fig.2 Expanded view in roof strata structure of drilling holes

巷道大變形影響因素包括以下2 個(gè)方面：

1）地質(zhì)條件方面。 首先，超高地應(yīng)力巖層開(kāi)挖后，水平主應(yīng)力差值大，最大差值達(dá)18.1 MPa。 由于高偏應(yīng)力的作用，導(dǎo)致巷道開(kāi)挖后煤巖體內(nèi)部節(jié)理、裂隙、裂紋張開(kāi)，出現(xiàn)新裂紋，加快了巷道圍巖破壞速度。 巷道埋深大，地應(yīng)力水平、偏應(yīng)力高是導(dǎo)致巷道變形破壞嚴(yán)重、維護(hù)難度大的根本原因；其次，巖層32°大傾角在深部高地應(yīng)力的作用下易造成圍巖層理間移動(dòng)或滑動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，為巷道支護(hù)帶來(lái)困難。 井下現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一般新掘拱形巷道的拱頂下拱部最先發(fā)生破壞，出現(xiàn)網(wǎng)兜鼓包、巖體破碎，該部位的錨桿剪切破斷概率高。 巷道圍巖首先從頂板的下拱部及下幫垂直巖層方向開(kāi)始出現(xiàn)破壞，同時(shí)在頂板很大范圍內(nèi)出現(xiàn)離層現(xiàn)象，造成巷道出現(xiàn)非均勻性破壞。

2）支護(hù)技術(shù)方面。 支護(hù)材料主要為600 號(hào)熱軋細(xì)牙全螺紋錨桿，鋼材沖擊吸收功平均32.3 J，受深部沖擊能量頻繁釋放影響，孔內(nèi)巖層錯(cuò)動(dòng)容易將桿體無(wú)明顯頸縮下剪斷。 頂板注漿錨索出現(xiàn)在錨具與托板間發(fā)生破斷問(wèn)題，主要原因是缺少調(diào)心球墊，安裝預(yù)緊時(shí)造成鋼絲受偏斜張拉，圍巖變形時(shí)分股破斷。

此外，頂板局部補(bǔ)強(qiáng)錨桿采用MG400 號(hào)熱軋全螺紋錨桿，破斷力較低。 錨索安裝預(yù)緊力設(shè)計(jì)值100 kN 偏低，不能充分發(fā)揮鋼絞線材料主動(dòng)支護(hù)力性能。 以上支護(hù)材料的破壞失效進(jìn)一步造成圍巖大變形加劇。

3.2 巷道破壞數(shù)值模擬分析

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)測(cè)量，采用3DEC 離散元模擬軟件研究2613 回采工作面下平巷在掘進(jìn)和回采全階段的圍巖應(yīng)力重新分布與變形破壞情況。1 300 m 埋深垂直地應(yīng)力為32.5 MPa，第一、第二水平主應(yīng)力分別為30.3、16.8 MPa。 巷道破壞模擬結(jié)果如圖3a 所示，巷道開(kāi)挖后圍巖表面受卸載差應(yīng)力作用發(fā)生快速破壞，斷面呈現(xiàn)非均勻性變形破壞特征，超深煤層巷道中，受巖層大傾角地質(zhì)特征的影響，巷道下拱部及下幫位移量和底鼓量較大。

受工作面回采超前動(dòng)壓影響過(guò)程的巷道變形如圖3b 所示，巷道斷面回縮率大于50%。 通過(guò)監(jiān)測(cè)不同測(cè)點(diǎn)的垂直位移、水平位移及總位移繪制巷道變形輪廓線，直觀清晰地反映出巷道圍巖不同位置變形破壞形態(tài)，為巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

反思環(huán)節(jié)是翻轉(zhuǎn)課堂必不可少的一個(gè)內(nèi)容.通過(guò)該環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本節(jié)課的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)解題方法進(jìn)行提煉.

圖3 超深巷道掘進(jìn)回采變形破壞模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of deformation and failure in ultra-deep roadway excavation

4 工程試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)分析

4.1 巷道支護(hù)方案

基于上述現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試、巷道變形機(jī)理研究，提出了超高強(qiáng)熱處理預(yù)應(yīng)力錨桿-錨注錨索聯(lián)合支護(hù)方案（圖4），對(duì)應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)、注漿加固，并在2613 回采工作面下平巷（二段）開(kāi)展了巷道支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖4 試驗(yàn)巷道新型支護(hù)布置Fig.4 Layout drawing of new support for test roadway

1） 超 高 強(qiáng) 錨 桿 材 料： CRMG700 屈 服 強(qiáng) 度700 MPa，屈服力不低于266 kN，極限拉斷力不低于323 kN，斷后延伸率不低于18%，沖擊吸收功不低于100 J。 桿體直徑22 mm，長(zhǎng)度為2.4 m，桿尾螺紋規(guī)格為M24，螺紋長(zhǎng)度150 mm，采用滾絲加工工藝成型。

錨桿間排距900 mm×900 mm，每排11 根；安裝預(yù)緊轉(zhuǎn)矩≥450 N·m，轉(zhuǎn)化軸向預(yù)緊力80 ～100 kN。

2）先錨固后注漿錨索材料：?22 mm，1×9 股高強(qiáng)度低松弛中空預(yù)應(yīng)力鋼絞線，破斷拉力不低于480 kN，最大力延伸率不小于5%，配套封堵膠塞；頂板用錨索長(zhǎng)度6 300 mm，巷幫用錨索長(zhǎng)度4 300 mm，鉆孔直徑30 mm。 錨索排距1 800 mm，每排4根，頂板下拱部布置2 根，兩幫各1 根。 錨索初始預(yù)緊力要求安裝張拉損失后不低于250 kN。 注漿材料為42.5 等級(jí)普通硅酸鹽水泥，混水?dāng)嚢钑r(shí)添加ACZ-1 注漿劑（添加比例8%）。 距掘進(jìn)工作面50 m 后使用氣動(dòng)泵進(jìn)行一次集中注漿，終止壓力不大于3 MPa。

頂板護(hù)表構(gòu)件采用六孔拱形W 鋼帶，規(guī)格尺寸為4 300 mm×280 mm×4 mm，巷幫采用W 型四肋鋼護(hù)板護(hù)表，規(guī)格尺寸為450 mm×280 mm×6 mm，圍巖表面鋪設(shè)8 號(hào)菱形鐵絲網(wǎng)。

4.2 綜合監(jiān)測(cè)

1）錨桿支護(hù)力監(jiān)測(cè)。 在試驗(yàn)巷道距掘進(jìn)工作面20 m 處安裝了全斷面錨桿測(cè)力計(jì)，距掘進(jìn)工作面24 m 后錨桿所受穩(wěn)定軸力比預(yù)緊載荷普遍增加1倍以上，全斷面錨桿最大軸向拉力為261 kN（下幫拱肩4 號(hào)錨桿）。

高預(yù)緊力錨桿增阻較快且容易達(dá)到穩(wěn)定值，1號(hào)下幫中部錨桿在安裝2 d 后迅速增阻達(dá)到穩(wěn)定值，4 號(hào)錨桿在安裝5 d 后迅速增阻達(dá)到穩(wěn)定值（超過(guò)桿體屈服力），受掘巷擾動(dòng)時(shí)間空間效應(yīng)均較短，距掘進(jìn)工作面30 m 左右時(shí)已基本達(dá)到承載穩(wěn)定狀態(tài)。 對(duì)阻止圍巖變形作用顯著。 低預(yù)緊力錨桿增阻緩慢，且受掘巷擾動(dòng)時(shí)間空間效應(yīng)均較長(zhǎng)，距掘進(jìn)工作面80 m 后才基本達(dá)到穩(wěn)定承載狀態(tài)。 穩(wěn)定后承載值仍然較高，對(duì)阻止圍巖變形作用較遲緩。

2）四點(diǎn)離層量監(jiān)測(cè)。 在巷道圍巖內(nèi)設(shè)計(jì)4 個(gè)深度點(diǎn)進(jìn)行相對(duì)離層監(jiān)測(cè)，緊跟掘進(jìn)工作面頂板、下幫拱腳各安裝1 套在線四點(diǎn)離層實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，鉆孔內(nèi)監(jiān)測(cè)深度分別為2.3、4、5、6.5 m。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝24 d 后，巷幫監(jiān)測(cè)鉆孔內(nèi)淺部0～2.3 m 深度內(nèi)（錨桿支護(hù)范圍）圍巖離層變形量104 mm，0 ～4 m 深度范圍內(nèi)離層變形量155 mm，2.3～4.0 m 深度范圍圍巖離層變形量51 mm。 0 ～6.5 m 深度范圍內(nèi)總離層變形量175 mm（儀器安裝第4 周內(nèi)變形量未增加）。 因此，分析可知，巷幫錨索支護(hù)范圍的4 m 深度內(nèi)圍巖離層變形量相對(duì)監(jiān)測(cè)孔0～6.5 m 深度范圍的占比超過(guò)88.6%，說(shuō)明圍巖主要膨脹變形發(fā)生于距巷表4 m 深度內(nèi)。 下幫各點(diǎn)深度圍巖位移已基本穩(wěn)定，頂板離層傳感器的錨固點(diǎn)鋼絲因孔內(nèi)巖層破碎錯(cuò)動(dòng)被剪斷（圖5）。

圖5 四點(diǎn)離層儀在線監(jiān)測(cè)曲線Fig.5 Online monitoring curve of four-point separator

3）鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)。 2613 回采工作面下平巷（二段）安裝了KJ649 煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每隔25 m 在上幫煤層內(nèi)安裝1 組（2 個(gè)）鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)計(jì)，深度分別為5、10 m，初始預(yù)載壓應(yīng)力4.5 MPa，掘巷初期3 個(gè)月內(nèi)煤層應(yīng)力變化曲線如圖6 所示。

圖6 鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.6 Monitoring data of drilling stress gauge

連續(xù)監(jiān)測(cè)分析可得：安裝初期受巷道開(kāi)挖擾動(dòng)影響均出現(xiàn)鉆孔應(yīng)力迅速增大的現(xiàn)象，最大應(yīng)力6.1 MPa，增阻比例35%。 受超深部沖擊能量多次作用后，鉆孔應(yīng)力呈現(xiàn)緩慢或較快降低的過(guò)程。 之后出現(xiàn)應(yīng)力重復(fù)增加-降低現(xiàn)象。 鉆孔應(yīng)力在巷道開(kāi)挖后至長(zhǎng)期蠕變階段呈現(xiàn)大幅值增降循環(huán)規(guī)律。

4.3 支護(hù)效果對(duì)比分析

1）采用700 MPa 超高強(qiáng)熱處理錨桿支護(hù)后，相比較于600 號(hào)普通熱軋全螺紋錨桿桿體，基本解決了其因沖擊載荷而發(fā)生無(wú)頸縮破斷的問(wèn)題，巷幫錨桿承載屈服后被拉斷的數(shù)量明顯減少。

2）相比較于頂板全錨索支護(hù)方案，巷道兩幫寬度最大回縮量1 600 mm 以上，全巷需要刷幫擴(kuò)修才能正?；夭桑恍滦?00 號(hào)錨桿新支護(hù)方案掘巷穩(wěn)定后兩幫平均收縮量478 mm；回采超前段巷幫最大回縮量800 mm，整體變形量減少50%，超高強(qiáng)錨桿試驗(yàn)巷段控制效果較好。

3）原支護(hù)方案掘進(jìn)日進(jìn)尺3 m（排距1 m），新支護(hù)方案掘進(jìn)日進(jìn)尺3.6 m（排距0.9 m），掘進(jìn)速度提高了20%。 頂板全錨索支護(hù)方案每米材料成本4 343.48 元，700 號(hào)錨桿方案后每米材料成本降低1 026.6 元，減少材料成本比例23.6%。

5 結(jié) 論

1）1 300 m 埋深回采巷道處于30 MPa 以上超高地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，受超高地壓、煤巖層大傾角構(gòu)造及層理發(fā)育影響，巷道掘進(jìn)擾動(dòng)后體現(xiàn)出非均勻性大變形特征。

2）綜合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試與巷道變形破壞機(jī)理研究提出了超高強(qiáng)熱處理預(yù)應(yīng)力錨桿-錨注錨索聯(lián)合支護(hù)方案。 研發(fā)的CRMG700 號(hào)熱處理錨桿破斷強(qiáng)度達(dá)到850 MPa，沖擊吸收功達(dá)100 J；首次在1 300 m埋深煤礦巷道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)試驗(yàn)。 700 MPa 超高強(qiáng)熱處理錨桿基本解決了熱軋錨桿因沖擊載荷下發(fā)生無(wú)頸縮破斷情況，巷幫錨桿承載屈服后被拉斷根數(shù)明顯減少。

3）通過(guò)試驗(yàn)巷道掘進(jìn)、回采多參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)表明：1 300 m 超深巷道在爆破開(kāi)挖擾動(dòng)下，整體圍巖變形距離掘進(jìn)工作面80 m 后基本穩(wěn)定；但圍巖深部應(yīng)力仍然長(zhǎng)期蠕變且呈現(xiàn)大幅值增降循環(huán)規(guī)律。

4）相比頂板全錨索支護(hù)方案，新型超高強(qiáng)錨桿-注漿錨索聯(lián)合支護(hù)巷道在回采階段變形量整體降低50%，掘進(jìn)支護(hù)效率提高20%，節(jié)省支護(hù)材料成本比例23.6%。 為礦區(qū)超深部復(fù)雜巷道支護(hù)提供了新技術(shù)支撐。