河神廟千米深井巷道合理支護(hù)方式與技術(shù)參數(shù)研究

李宏斌，宋選民，郭凌云，梁晉元

（1.潞安礦業(yè)集團(tuán)基建中心，山西 長(zhǎng)治 462000；2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，太原 030024）

潞安礦區(qū)近年建成的屯留、高河等礦井前期開采煤層深達(dá)800m，而最近規(guī)劃的河神廟和姚家山礦井采深可達(dá)1000m以上。在千米礦井的高地應(yīng)力、軟巖條件下，巷道的支護(hù)與安全控制問(wèn)題將成為一項(xiàng)重要的關(guān)鍵難題。深部巷道圍巖的高地應(yīng)力使其實(shí)際成為工程軟巖，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的擴(kuò)容、應(yīng)變軟化和持續(xù)流變特征，巷道圍巖變形速度快，底鼓將會(huì)非常嚴(yán)重，致使部分巷道返修率達(dá)90%以上，實(shí)現(xiàn)安全高效開采難度增高，生產(chǎn)成本增加[1]。在前期收集礦井地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井的設(shè)計(jì)規(guī)劃要求，對(duì)潞安千米礦井巷道圍巖所處的地應(yīng)力環(huán)境、圍巖屬性、巷道變形破壞特征以及合理的布置方案、支護(hù)方式、支護(hù)控制技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行必要的理論預(yù)測(cè)研究，給今后礦井規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)施工提供充分的基礎(chǔ)決策依據(jù)，保障礦井的快速建設(shè)和安全高效生產(chǎn)，將有很重要的工程實(shí)際價(jià)值。

1 河神廟千米礦井巷道圍巖穩(wěn)定性的初步理論判斷

1.1 河神廟礦地質(zhì)賦存概況

河神廟礦可采煤層為5號(hào)煤和8、9號(hào)煤合并層。4號(hào)煤與5號(hào)煤在井田西南部及東南角合并為一層，面積約占全井田1／3，合并后煤厚明顯增大，達(dá)6m以上，夾石增多（1～4層），結(jié)構(gòu)復(fù)雜。分叉后4號(hào)煤厚1.20～3.55m，平均2.53m，厚度變化較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸0～1層，屬全井田可采的穩(wěn)定煤層。煤層頂、底板均為泥巖、砂質(zhì)泥巖。5號(hào)煤賦存于山西組下部，上距4號(hào)煤0～2.95m，平均1.31 m，下距K3砂巖8.00m，煤厚1.15～8.20m，平均5.27m，夾矸0～4層，多為泥巖，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬全井田可采的穩(wěn)定煤層。河神廟礦5號(hào)煤埋深變化在662.5～1190.4m，平均埋深987.2m。

5號(hào)煤直接頂?shù)哪鄮r厚度0～4.90m，為軟巖，砂質(zhì)泥巖厚度0～5.50m，抗壓強(qiáng)度為8.4～21.0 MPa，屬軟巖。底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖等，厚度及巖相變化較大。泥巖厚度0.00～2.40 m，抗壓強(qiáng)度為14.9MPa，屬軟巖。

8、9號(hào)煤合并層賦存于石灰?guī)r下1～4m，直接頂為泥巖。煤層厚度8.85～12.00m，平均10.96 m。含夾矸1～4層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸多為泥巖，厚度變化規(guī)律性不明顯。屬全井田可采的穩(wěn)定煤層 煤層頂、底板均為泥巖、砂質(zhì)泥巖，基本（老）頂為石灰?guī)r。河神廟礦8＋9＃煤埋深727.4～1254.9，平均埋深1052m。

8、9號(hào)煤合并層頂板為石灰?guī)r，厚2.71～15.02 m，抗壓強(qiáng)度45.1～59.1MPa，屬較穩(wěn)定類型。底板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及細(xì)粒砂巖等，厚度及巖相變化較大。泥巖厚0～14.80m，屬軟巖。砂質(zhì)泥巖厚0～12.50m，抗壓強(qiáng)度6.3～15.4 MPa，屬軟巖。粉砂巖厚0～6.70m，抗壓強(qiáng)度為26.4MPa，屬軟巖。底板巖層屬不穩(wěn)定類型。

1.2 巷道圍巖屬性的初步理論預(yù)測(cè)

河神廟礦，初步設(shè)計(jì)中開拓大巷所在巖層單軸抗壓強(qiáng)度均值為32MPa，平均埋深為1018.5m，依據(jù)前蘇聯(lián)深井巷道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式[2]，有

故河神廟礦開拓巷道圍巖類型，屬于不穩(wěn)定圍巖。

對(duì)無(wú)采動(dòng)影響的巷道，德國(guó)提出巷道失穩(wěn)極限深度為[5]

由公式（2），開拓大巷的底板巖石抗壓強(qiáng)度取為32MPa，則預(yù)測(cè)的巷道極限失穩(wěn)深度Hmax＝780.65 m＜HSJ＝1018.50m，為此河神廟礦大巷的圍巖是不穩(wěn)定類型。

英國(guó)認(rèn)為巷道發(fā)生失穩(wěn)的極限深度為[5]

式中：η為巖石強(qiáng)度影響系數(shù)，取η＝0.8；2為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為巖層平均容重，MN／m3；σc為巖體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；kv為 巖體裂隙 系數(shù)，kv＝ （v1／v2）2，其中v1、v2分別為聲波在巖體和巖塊中的傳播速度，m／s，其余符號(hào)同前。

由公式（3），預(yù)測(cè)時(shí)取kv＝0.75，巖層容重γ＝0.025MN／m3，巖體抗壓強(qiáng)度σc＝32MPa，則巷道的極限失穩(wěn)深度為384m，實(shí)際采深（1018.50m）大于該方法預(yù)測(cè)的極限深度，開拓巷道圍巖容易變形失穩(wěn)，同樣不穩(wěn)定。此外，河神廟礦4號(hào)、5號(hào)及其合并層，頂、底板多為泥巖和砂質(zhì)泥巖，最大單軸抗壓強(qiáng)度分別為21.0MPa和14.9MPa，依據(jù)普氏硬度分類[3]，均為軟巖；8-9號(hào)合并層的頂板為K2灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度為59.1MPa，底板多為泥巖和砂質(zhì)泥巖類，最大抗壓強(qiáng)度分別為15.4MPa和26.4 MPa，同樣屬于軟巖類型。規(guī)劃設(shè)計(jì)的開拓大巷位于這些巖層中，因此該礦主要開拓大巷的圍巖總體屬于難控制的軟巖類型。總之，河神廟礦設(shè)計(jì)開拓大巷總體屬于髙應(yīng)力環(huán)境下難控制、不穩(wěn)定的軟巖組合類型。

2 河神廟礦千米深井開拓巷道合理布置方案設(shè)計(jì)

2.1 開拓大巷的合理布置方案

千米深井條件下，開拓巷道的布置條數(shù)取決于礦井的井型規(guī)模、運(yùn)輸方式和礦井瓦斯等級(jí)等。對(duì)于姚家山礦，開采深度大（1000m），煤層的資源賦存條件好，但礦井瓦斯鑒定等級(jí)高，應(yīng)為高瓦斯礦井。為此，依據(jù)該礦的可研規(guī)劃，為發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，提高資金利用率，設(shè)計(jì)生產(chǎn)集中化和現(xiàn)代化的高效礦井，成為必然的選擇。按照集團(tuán)公司所定的目標(biāo)“三千模式”，即“千米深井、千萬(wàn)噸、千人”的設(shè)計(jì)理念，礦井井型為1000萬(wàn)t／a.

在此地質(zhì)與開采條件下，參照潞安集團(tuán)屯留、司馬和高河等埋深600～800m、井型300～600萬(wàn)t／a、高瓦斯礦井的規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[4-6]，開采水平的開拓大巷必須布置運(yùn)輸大巷、輔助運(yùn)輸大巷和回風(fēng)大巷，根據(jù)礦井產(chǎn)量和瓦斯等級(jí)，一般可布置2～3條主要進(jìn)、回風(fēng)大巷。初步設(shè)計(jì)將布置5條大巷，分別為膠帶輸送機(jī)大巷、軌道大巷、進(jìn)風(fēng)大巷和2條回風(fēng)大巷，布置在5號(hào)煤層和8＋9號(hào)煤層之間。

在礦井布置5條開拓大巷時(shí)，巷道之間的煤柱寬度、各巷道斷面型式、斷面積、合理支護(hù)方式以及支護(hù)技術(shù)參數(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題，必須依據(jù)具體的各種影響因素予以合理經(jīng)濟(jì)地確定。

2.2 合理護(hù)巷礦柱寬度的留設(shè)

千米深井的高應(yīng)力是巷道礦柱寬度的重要影響因素，其礦柱上的應(yīng)力取決于巷道埋深、礦柱寬度，頂板巖層的堅(jiān)固性和巷道所在巖層的堅(jiān)固性[7]。

2.2.1 礦柱留設(shè)寬度的Bieniawski理論預(yù)測(cè)

按Bieniawski礦柱計(jì)算[8]，巷道礦柱寬度為

式中：σp為礦柱的Bieniawski強(qiáng)度，MPa；σc為礦柱的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；B為礦柱寬度，m；h為礦柱高度，m；b為巷道寬度，m；H 為采深，m；γ為覆巖平均容重，kN／m3；qj為礦柱載荷集度，kN／m2。

對(duì)河神廟礦，因γ＝0.0255MN／m3，H＝1020 m，σc＝32.0MPa，h＝3m，b＝5.5m，由（4）式可求得開拓巷道礦柱寬度B＝28.29m。

2.2.2 基于彈塑性理論的礦柱寬度預(yù)測(cè)

千米深井，原巖垂直應(yīng)力高達(dá)約26.5MPa，加之泥巖和砂質(zhì)泥巖的強(qiáng)度較低，屬于不穩(wěn)定的工程軟巖類型，故服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)（20a）的水平開拓大巷肯定會(huì)有周邊塑性區(qū)，借鑒圓形巷道形式，此時(shí)在巷道周圍原巖應(yīng)力與巖體的最大強(qiáng)度條件下，塑性區(qū)半徑為[8]

式中：Rp為塑性區(qū)半徑，m；a為巷道當(dāng)量半徑，m；u為巷道圍巖徑向位移，m；其余符號(hào)物理意義同前。

結(jié)合河神廟礦地質(zhì)條件和初步設(shè)計(jì)，自重應(yīng)力p0＝26.5MPa，巷道寬5.5m，高3m的矩形巷道，巷道當(dāng)量半徑a＝3.13m，平均容重0.025kN／m3，巷道的深度1020m，巷道圍巖彈模E＝3400MPa，內(nèi)聚力C＝2.5MPa，內(nèi)摩擦角φ＝30°，泊松比μ＝0.27，代入（5）式，則在不受采動(dòng)影響下，開拓巷道的塑性區(qū)半徑為5.9m。

在受采區(qū)回采工作面開采影響時(shí)，考慮國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取應(yīng)力集中系數(shù)為1.5[9]，此時(shí)巷道周邊的應(yīng)力為39.75MPa，同理可得受采動(dòng)時(shí)開拓巷道的塑性區(qū)半徑Rp＝7.06m。

礦柱兩側(cè)均為寬5.5m、高3m的開拓大巷，由對(duì)稱性巷道對(duì)礦柱的影響相同。因受采動(dòng)影響時(shí)巷道塑性半徑為7.06m，故沿寬度方向巷道礦柱的影響范圍應(yīng)是塑性區(qū)半徑Rp與巷道寬度之半（B／2）的差值。

河神廟礦多條開拓大巷布置情況下，長(zhǎng)期穩(wěn)定的巷道礦柱寬度W為

式中：a1＋a2為相互影響的巷道塑性區(qū)總寬度，m；K1為巷道相互影響系數(shù)，可由文獻(xiàn)[9]查得。

在河神廟礦埋深1020m，圍巖強(qiáng)度32.0MPa情況下，由文獻(xiàn)[9]，再考慮該礦開拓大巷是5條巷道的相互影響，可取其平行巷道影響系數(shù)為4.0，計(jì)算得礦柱的合理寬度為34.48m。

由上述考慮開拓巷道的礦柱的高厚比和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的角度，綜合考慮取其均值，則河神廟礦開拓水平的主要大巷的護(hù)巷巖柱寬度應(yīng)為31.39m，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可取30m。

3 河神廟礦千米深井開拓巷道合理支護(hù)方式與支護(hù)參數(shù)的預(yù)測(cè)研究

3.1 開拓巷道的合理支護(hù)方式論證

對(duì)于礦井主要開拓巷道的合理支護(hù)方式選擇論證，必須從巷道圍巖的穩(wěn)定性分類、巷道支護(hù)與圍巖變形（服務(wù)年限內(nèi)的最大值）的適應(yīng)關(guān)系、支護(hù)強(qiáng)度等角度予以綜合考慮，才能設(shè)計(jì)出科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和安全可靠的大巷支護(hù)方式。

3.1.1 開拓巷道的圍巖穩(wěn)定性分類預(yù)測(cè)

首先，依據(jù)公式（1）～（3）的預(yù)測(cè)，河神廟礦大巷應(yīng)屬于深部圍巖巷道，已經(jīng)超過(guò)極限失穩(wěn)深度，其穩(wěn)定性較差，難以支護(hù)和控制。問(wèn)題是對(duì)穩(wěn)定性的準(zhǔn)確刻畫尚不準(zhǔn)確，還需詳細(xì)分類，以便分析合理的大巷支護(hù)方式。

由（1）式計(jì)算結(jié)果，應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度比C為0.82，符合大于0.65，因此巷道屬于不穩(wěn)定圍巖（Ⅲ類）。

3.1.2 開拓巷道的最大變形量預(yù)測(cè)按照?qǐng)A形巷道考慮，周邊位移為[8]

不受采動(dòng)影響時(shí)，代入相關(guān)參數(shù)，發(fā)生在巷道周邊的最大位移為

因此，不受采動(dòng)時(shí)，周邊位移約為64mm。若采動(dòng)時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)取為1.5，最大周邊位移umax約131.10mm。據(jù)此，按照前蘇聯(lián)的分類[2]，受采動(dòng)影響時(shí)，因50mm＜umax＜200mm，屬于Ⅱ類中等穩(wěn)定圍巖。

前蘇聯(lián)通過(guò)在頓巴斯礦區(qū)的大量實(shí)踐[2]，得出深井巷道掘進(jìn)初期頂板與兩幫移近量公式

式中：udt，uct分別是頂板和兩幫在巷道掘進(jìn)后，t時(shí)間內(nèi)的移近量，mm；qd，qc分別是頂板和兩幫對(duì)支架的作用力，MPa；γ為上覆巖層的容重，kN／m3；H 為巷道所處深度，m；σc為巖石單向抗壓強(qiáng)度，MPa；σ0為尋求常數(shù)時(shí)引入的單向抗壓強(qiáng)度，σ0＝30MPa；t為掘進(jìn)后時(shí)間，d；b，h分別為巷道的原始寬度和高度，m。

對(duì)于河神廟礦開拓大巷，考慮服務(wù)年限15a，其時(shí)間t＝5475d，巷道寬度b＝5.5m，高度h＝3.0 m，頂板的支護(hù)強(qiáng)度取為qd＝0.2MPa，兩幫支護(hù)強(qiáng)度取為qc＝0.1MPa，取與前述相同的其他參數(shù)，計(jì)算出頂?shù)装逡平繛?67.5mm，兩幫移近量為87.7mm.

由頂?shù)装逡平?67.5mm，同樣按照巷道移近量的圍巖穩(wěn)定性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)為很不穩(wěn)定（IV）的類型。

綜合上述的研究，河神廟礦埋深1020m的開拓巷道，應(yīng)為不穩(wěn)定的圍巖類型（Ⅲ類）。

3.1.3 河神廟礦適宜的大巷支護(hù)形式綜合研究

我國(guó)在深部巷道的支護(hù)方面有很大的進(jìn)步，特別是在錨固的技術(shù)和裝備方面越來(lái)越完善，由高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力錨索和高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿以及高強(qiáng)度的金屬網(wǎng)和W型鋼帶配套，形成了有效的以錨桿為主的主動(dòng)支護(hù)系統(tǒng)。

總體而言，在深部礦井中高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索支護(hù)更為適合，但是由于深部礦井巷道圍巖隨時(shí)間延長(zhǎng)具有蠕變性質(zhì)，巷道的變形很大，U型鋼可縮支架對(duì)巷的維護(hù)和二次支護(hù)起著重要的作用。鑒于河神廟礦深部開拓巷道圍巖為不穩(wěn)定類型，因此參照文獻(xiàn)[1，2]，選用高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)形式，在局部地壓、變形偏大和圍巖破碎區(qū)域，選用高強(qiáng)度U型鋼可縮支架作為二次支護(hù)。

3.2 河神廟礦千米深井開拓巷道合理支護(hù)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.1 開拓大巷的合理支護(hù)強(qiáng)度預(yù)測(cè)

對(duì)于寬度5.0m和高度3.5m的開拓大巷，采用錨桿-錨索支護(hù)時(shí)，需要分別預(yù)測(cè)出巷道頂板的支護(hù)強(qiáng)度和兩幫的支護(hù)強(qiáng)度。

若按照前述預(yù)測(cè)不受采動(dòng)影響時(shí)巷道塑性圈半徑（5.9m）考慮，可確定出巷道頂板支護(hù)強(qiáng)度為

代入相關(guān)參數(shù)，可得開拓大巷的頂板支護(hù)強(qiáng)度為0.11MPa，即110kPa。

巷道兩幫的支護(hù)強(qiáng)度，按照（45°-φ／2）的角度，再考慮矩形巷道的應(yīng)力集中系數(shù)Kj，確定巷幫的支護(hù)強(qiáng)度，有

在此，考慮河神廟礦巖層內(nèi)摩擦角φ＝30°，其余參數(shù)取同前值，則預(yù)測(cè)出兩幫支護(hù)強(qiáng)度約為0.11 MPa，即110kPa。為此，開拓巷道的頂板與兩幫的支護(hù)強(qiáng)度相同，與深部圍巖的進(jìn)入塑性靜水應(yīng)力狀態(tài)的假設(shè)吻合。

3.2.2 開拓大巷的支護(hù)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

在用錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)的情況下，按照所預(yù)測(cè)的頂板支護(hù)強(qiáng)度，選用左旋螺紋鋼材質(zhì)，確定頂板的錨桿支護(hù)間排距800×800mm，每排5根錨桿，錨桿直徑、長(zhǎng)度為?24mm×2400mm，全長(zhǎng)樹脂錨固，則其安全系數(shù)約為2.0。考慮河神廟礦井采深達(dá)1018.5m，巷道變形量大，選用鼓型托板，規(guī)格10mm×100mm×100mm。

W型鋼帶選用規(guī)格為長(zhǎng)度4000mm，寬度200 mm；金屬網(wǎng)選用40mm×40mm菱形金屬網(wǎng)。

巷道兩幫錨桿支護(hù)，同樣選用左旋螺紋鋼材質(zhì)，確定兩幫錨桿支護(hù)間排距800×800mm，每排4根錨桿，錨桿直徑、長(zhǎng)度為?24mm×2400mm，全長(zhǎng)樹脂錨固。選用鼓型托板，規(guī)格6mm×100mm×100mm。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)斷面巷道，塑性松動(dòng)范圍已經(jīng)達(dá)到5.9m，據(jù)此錨索加強(qiáng)支護(hù)選用 ?21.6mm×8000 mm，間排距1200×1600mm，每排3根，托板規(guī)格10mm×200mm×200mm，破斷力500kN，鎖具型號(hào)M22-1。

考慮到巷道圍巖服務(wù)年限長(zhǎng)，易風(fēng)化，變形大，為此選用C25鋼纖維混凝土進(jìn)行噴漿支護(hù)，噴層總厚度200mm，分兩次完成，第一次噴100mm，后期再噴100mm，完成全部支護(hù)。

4 結(jié)論

1）河神廟礦千米深井開拓巷道，其圍巖屬于不穩(wěn)定類型。

2）河神廟礦開拓巷道需要布置5條大巷，即膠帶輸送機(jī)大巷、軌道大巷、進(jìn)風(fēng)大巷和2條回風(fēng)大巷。大巷之間的巖柱寬度可取30m.

3）河神廟礦預(yù)測(cè)的巷道頂板支護(hù)強(qiáng)度與兩幫支護(hù)強(qiáng)度相等，且預(yù)測(cè)最大變形量867.5mm，為此采用錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)方式最為巷道的初次支護(hù)是適宜的，二次支護(hù)選用噴射鋼纖維混凝土支護(hù)。

4）巷道的一次支護(hù)為頂板支護(hù)選用左旋螺紋鋼錨桿?24mm×2400mm，間排距800mm×800 mm，每排5根錨桿，全長(zhǎng)樹脂錨固方式，選用鼓型托板，規(guī)格10mm×100mm×100mm。巷幫支護(hù)選用左旋螺紋鋼錨桿?24mm×2400mm，間排距800mm×800mm，每排4根錨桿，全長(zhǎng)樹脂錨固。選用鼓型托板，規(guī)格6mm×100mm×100mm。

頂板錨索加強(qiáng)支護(hù)選用 ?21.6mm×8000 mm，間排距1200×1600mm，每排3根，托板規(guī)格10mm×200mm×200mm，破斷力500kN，鎖具型號(hào)M22-1。

5）開拓巷道二次支護(hù)，選用C25鋼纖維混凝土噴漿支護(hù)，噴層總厚200mm，分兩次各噴100mm。

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