錨網(wǎng)噴、錨索聯(lián)合支護(hù)在深部礦井巷道中的應(yīng)用

李 銘

（安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽省淮南市，232001）

1 地質(zhì)概況

蘆嶺煤礦三水平礦建工程主體巖巷均處工廣保護(hù)煤柱線內(nèi)，10＃煤層底板距離巷道的垂直距離在30 m 以內(nèi)，10＃煤層厚 1.46～2.88 m，平均2.8 m，煤層底板為粉砂巖，局部含少量細(xì)砂，巖厚約10～30 m。Ⅲ1采區(qū)石門沿掘進(jìn)方向穿10＃煤層施工，施工后期會(huì)揭露10＃煤層。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤巖層傾角20～27°，勘探中未發(fā)現(xiàn)較大的斷層，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析，巷道進(jìn)入－700 m以下，局部會(huì)出現(xiàn)小的隱伏構(gòu)造，巷道受此影響，局部巖層傾角變化為23～27°，巖層裂隙較發(fā)育，巖層較破碎易冒頂。

2 巷道變形破壞原因

根據(jù)現(xiàn)有的支護(hù)措施、圍巖變形破壞狀況及圍巖力學(xué)分析，認(rèn)為巷道變形破壞有兩個(gè)方面原因。

（1）巷道圍巖完整性差。蘆嶺煤礦深部巷道圍巖體強(qiáng)度較低，完整性差，巖體的強(qiáng)度是由巖石的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)決定的。此段巷道圍巖的巖性是以細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，巖石本身的強(qiáng)度較高，但是圍巖結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)較弱，結(jié)構(gòu)面的裂隙發(fā)育很好，導(dǎo)致整個(gè)巖體的強(qiáng)度降低。在高應(yīng)力作用下變形非常明顯，圍巖的穩(wěn)定性很差。

（2）圍巖的力學(xué)性質(zhì)。Ⅲ1采區(qū)下部石門掘進(jìn)深度約為930 m，根據(jù)蘆嶺煤礦的地應(yīng)力測(cè)試報(bào)告分析，三水平的垂直應(yīng)力近18 MPa，水平應(yīng)力為12 MPa，較二水平而言，應(yīng)力增加明顯，使得圍巖松動(dòng)范圍相應(yīng)增加，破碎程度也明顯加劇，變形強(qiáng)度會(huì)加劇。通過對(duì)蘆嶺煤礦三水平的巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試來看，單軸抗壓強(qiáng)度16.10 MPa，圍巖為10 MPa時(shí)三軸抗壓強(qiáng)度為94.85 MPa，圍巖為20 MPa時(shí)三軸抗壓強(qiáng)度為142.22 MPa，巖石的抗拉強(qiáng)度3.187 MPa，說明該應(yīng)力條件下的巖石，隨著圍壓增加，巖石的破壞強(qiáng)度增加明顯，幾乎成倍增加，而巖石的抗拉強(qiáng)度卻很低，表現(xiàn)出明顯的軟脆性。由于巖石力學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)，巷道開挖以后，巖石從原來的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為二向受力狀態(tài)，圍巖的抵抗變形能力下降非常明顯，對(duì)于這種性質(zhì)的圍巖支護(hù)，一般要求提供較高的支護(hù)強(qiáng)度來提高圍巖的承載能力。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

巷道斷面尺寸寬為4600 mm、高為4000 mm，永久支護(hù)采用錨網(wǎng)噴＋錨索聯(lián)合支護(hù)，即一次支護(hù)為錨網(wǎng)噴，二次支護(hù)為錨網(wǎng)噴＋錨索聯(lián)合支護(hù)。采取一排全斷面錨桿和一排斷面為錨桿＋錨索的支護(hù)方式依次進(jìn)行，兩個(gè)斷面之間的距離為800 mm。

3.1 巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)

一次支護(hù)為緊跟掘進(jìn)頭施工，一個(gè)斷面共施加15根錨桿，錨桿之間的間排距為800 mm×800 mm，采用規(guī)格GQM24－?22／2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼式樹脂錨桿，金屬桿體，錨桿采用200 mm×200 mm新型大托盤，每根頂錨桿采用2卷Z2550型樹脂藥卷加長錨固，幫錨桿采用2卷Z2940型樹脂藥卷錨固；鋼筋網(wǎng)采用?6 mm冷拔電弧焊鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為1700 mm×900 mm，網(wǎng)孔為100 mm×100 mm，巷道一次支護(hù)參數(shù)見圖1。

圖1 巷道一次支護(hù)斷面圖

混凝土的水泥選用淮北礦業(yè)集團(tuán)水泥廠生產(chǎn)的P.S 32.5級(jí)水泥，黃砂粒徑為大于0.35 mm中粗砂，石子粒徑5～15 mm，水泥、黃砂、石子、速凝劑配比為1∶2∶2∶0.04，水灰比為0.55∶1，混凝土噴層厚度100 mm，噴射混凝土強(qiáng)度為C20。

3.2 錨網(wǎng)噴＋錨索聯(lián)合支護(hù)

根據(jù)巷道來壓變形情況，合理確定二次支護(hù)與一次支護(hù)的間隔時(shí)間，二次支護(hù)滯后一次支護(hù)30 m進(jìn)行。采用錨網(wǎng)噴＋錨索梁支護(hù)形式。錨桿與錨索斷面共加設(shè)5根錨索和和14根錨桿，采用GQM24－Ф22／2800高強(qiáng)螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，材質(zhì)為左旋無縱筋螺紋鋼式樹脂錨桿金屬桿體，錨桿采用200 mm×200 mm新型大托盤，每根頂錨桿采用2卷Z2550型樹脂藥卷加長錨固，幫錨桿采用2卷Z2940型樹脂藥卷錨固；錨桿間排距800 mm×800 mm，夾在一次支護(hù)錨桿之間與其呈五花布置。鋼筋網(wǎng)規(guī)格同一次支護(hù)鋼筋網(wǎng)。噴漿材料同一次支護(hù)。錨索規(guī)格?17.8 mm×7600 mm，間排距1600 mm×1600 mm，每根錨索使用3卷Z2550樹脂藥卷錨固。錨索錨固采用1塊TPF－200 mm×200 mm×10 mm托盤配合1塊TPF－400 mm×400 mm×10 mm大托盤組合使用，以加強(qiáng)支護(hù)。錨索破斷載荷不小于240～260 k N。頂部錨索梁采用U29鋼加工，弧長為3600 mm，U型鋼梁在規(guī)定位置鉆3個(gè)孔，孔徑?20 mm，每孔附加300 mm長的U29配套盤與索具配壓住，形成固定頂板錨索梁整體結(jié)構(gòu)。

4 支護(hù)方案的數(shù)值分析

4.1 計(jì)算模型與參數(shù)

根據(jù)蘆嶺煤礦Ⅲ1采區(qū)實(shí)際工程地質(zhì)條件，建立三維數(shù)值模型。模型中，坐標(biāo)系規(guī)定為垂直于巷道掘進(jìn)方向?yàn)閤軸，平行巷道掘進(jìn)方向?yàn)閥軸，鉛直方向即重力方向?yàn)閦軸，向上為正。根據(jù)這一坐標(biāo)系規(guī)定，計(jì)算模型沿x軸方向的長度為60 m，y軸方向的長度為120 m，沿z軸方向的高度為88 m。巷道位于模型的中央，模擬巷道尺寸為4400 mm×4000 mm（寬×高），模擬深度為－900 m。把巖性相似的巖層劃分為一層，共模擬了14層巖層，6種不同的巖性。根據(jù)蘆嶺煤礦地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，模擬時(shí)垂直應(yīng)力施加于模型的頂部，大小為22.5 MPa，水平應(yīng)力施加于模型的四周，大小為12 MPa。模型的前后左右邊界采取水平約束，地面采取垂直約束，頂面為自由面。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 巷道位移場(chǎng)分析

巷道在無支護(hù)條件下的垂直位移等值線圖和一次支護(hù)條件下的垂直位移等值線圖見圖2。

圖2 巷道在無支護(hù)與一次支護(hù)條件下垂直位移圖

從圖2看出，當(dāng)巷道在掘進(jìn)初期（掘進(jìn)10 m時(shí)），在無支護(hù)條件下，巷道頂板的垂直位移最大值為500 mm，巷道進(jìn)行一次支護(hù)后，巷道頂板垂直位移最大值變?yōu)?20 mm，相對(duì)于無支護(hù)條件下，巷道頂板垂直位移值減小很多，說明巷道采取一次支護(hù)后，支護(hù)效果顯著。頂板垂直位移影響范圍明顯減小。

同理可以模擬巷道掘進(jìn)10 m時(shí)，巷道在無支護(hù)條件下及一次支護(hù)條件下水平位移等值線圖。模擬結(jié)果表明，巷道掘進(jìn)10 m時(shí)，無支護(hù)情況下，巷道左右兩幫的水平位移最大值達(dá)到了500 mm，巷道變形嚴(yán)重，在巷道進(jìn)行了一次支護(hù)后，巷道兩幫的水平位移最大值僅為70 mm，從數(shù)值上看，巷道進(jìn)行了一次支護(hù)后效果非常顯著。巷道兩幫的水平位移影響區(qū)域明顯減小。

隨著巷道不斷向前掘進(jìn)，一次支護(hù)段巷道頂?shù)装寮皟蓭痛怪蔽灰剖芫蜻M(jìn)的影響，垂直位移值略有增大，當(dāng)巷道掘進(jìn)20 m時(shí)，與巷道掘進(jìn)10 m對(duì)比，原0～10 m段巷道受掘進(jìn)影響出現(xiàn)垂直位移略微增大的現(xiàn)象，由原來的120 mm增大到150 mm，垂直位移影響范圍也有所增大。當(dāng)巷道掘進(jìn)30 m時(shí)，對(duì)0～10 m段巷道頂?shù)装寮皟蓭凸?個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，巷道掘進(jìn)20 m過程中，頂板垂直位移值增大到151.7 mm。隨后掘進(jìn)巷道20～30 m段，頂板垂直位移繼續(xù)增大到159 mm，兩幫垂直位移值增大到72.63 mm，底板垂直位移緩慢持續(xù)增大，由原先的222.3 mm增大到277.2 mm。說明巷道變形量隨著掘進(jìn)的進(jìn)行，一直在持續(xù)緩慢的增加，若想對(duì)巷道進(jìn)行控制，需進(jìn)行二次支護(hù)。

當(dāng)巷道掘進(jìn)30～40 m時(shí)，實(shí)施一次支護(hù)的同時(shí)，在0～10 m段巷道實(shí)施二次支護(hù)，兩種支護(hù)方式間距30 m。得到0～10 m段二次支護(hù)后巷道頂?shù)装逑鄬?duì)位移隨計(jì)算時(shí)步的變化圖，見圖3。

從圖3中可以看出，巷道掘進(jìn)40 m時(shí)，0～10 m段巷道進(jìn)行二次支護(hù)，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)位移增加迅速，最大相對(duì)位移值達(dá)到99.2 mm，隨著二次支護(hù)逐漸穩(wěn)定以后，頂?shù)装逑鄬?duì)位移變化緩慢，基本上維持在92 mm左右，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本上對(duì)應(yīng)。說明巷道進(jìn)行二次支護(hù)以后，巷道變形十分緩慢，基本上保持穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2.2 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

圍巖塑性區(qū)的分布特征，能夠直觀反映巷道周邊圍巖的破壞情況。這里從塑性區(qū)分布的角度出發(fā)，分析巷道在二次支護(hù)條件下的圍巖破壞狀態(tài)，驗(yàn)證支護(hù)方案及參數(shù)的可靠性。

數(shù)值模擬了巷道掘進(jìn)10 m時(shí)，無支護(hù)條件下及一次支護(hù)條件下巷道圍巖的塑性區(qū)分布。模擬結(jié)果表明，巷道掘進(jìn)10 m時(shí)，無支護(hù)下及一次支護(hù)下巷道塑性區(qū)主要集中在巷道幫部、底角及巷道肩窩處。無支護(hù)下，兩幫塑性區(qū)范圍最大可達(dá)到5.2 m，且巷道周邊圍巖基本上都處于剪切破壞狀態(tài)，巷道破壞嚴(yán)重。當(dāng)巷道進(jìn)行一次支護(hù)后，巷道圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小，兩幫的塑性區(qū)范圍最大3.6 m，塑性區(qū)范圍減小了1.6 m。巷道在錨桿及混凝土噴層的共同作用下，有效控制了巷道圍巖的進(jìn)一步變形破壞，使巷道的塑性區(qū)范圍明顯變小，使巷道周邊應(yīng)力分布均勻，巷道的支護(hù)效果得到了很好的控制。

圖3 二次支護(hù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處頂?shù)装逑鄬?duì)位移變化圖

當(dāng)巷道掘進(jìn)到40 m時(shí)，開始對(duì)0～10 m段巷道進(jìn)行二次支護(hù)。二次支護(hù)采用錨桿＋錨索＋噴射混凝土噴層的支護(hù)方式。模擬研究表明，0～10 m段巷道進(jìn)行過二次支護(hù)后，巷道圍巖的破壞狀態(tài)有了明顯的改善，原有的塑性區(qū)范圍基本上沒有變化，但二次支護(hù)后，巷道頂部位置及幫部位置處的巖體大都處于彈性狀態(tài)，只有巷道底板部分巖體仍處在剪切破壞狀態(tài)。這說明，二次支護(hù)的錨桿＋錨索＋混凝土噴層支護(hù)方式對(duì)于控制巷道受掘進(jìn)影響而再次變形效果明顯。

5 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

根據(jù)設(shè)計(jì)的支護(hù)方案，在蘆嶺煤礦三水平Ⅲ1采區(qū)石門巷道掘進(jìn)中進(jìn)行了試驗(yàn)，通過表面位移觀測(cè)結(jié)果分析，1＃測(cè)點(diǎn)巷道頂?shù)装逡平繛?8 mm，兩幫移近量為10 mm；2＃測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逡平繛?0 mm，兩幫移近量為20 mm；通過二次支護(hù)以后，巷道穩(wěn)定性得到了很好的改善，巷道位移的移近量基本穩(wěn)定，說明該支護(hù)方式取得了良好的支護(hù)效果，成功控制了巷道圍巖的破壞變形。

6 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，巷道進(jìn)行過兩次支護(hù)以后，隨著巷道的不斷掘進(jìn)，支護(hù)方案能有效控制巷道的變形，從而達(dá)到保持軟巖巷道穩(wěn)定的目的。支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)具有很好的可靠性，對(duì)于Ⅲ1采區(qū)下部石門的支護(hù)，能起到良好的支護(hù)效果。

（2）通過對(duì)蘆嶺煤礦三水平石門進(jìn)行的支護(hù)研究，根據(jù)提出的控制方法，設(shè)計(jì)了錨網(wǎng)噴、錨索聯(lián)合支護(hù)方案并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明支護(hù)方案有效地控制了巷道的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了支護(hù)方案的可行性，為礦井的安全生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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