深井高地壓軟巖巷道圍巖壓力轉(zhuǎn)移支護(hù)技術(shù)研究

楊永剛，張海燕

(1.安徽省煤炭科學(xué)研究院采礦支護(hù)技術(shù)中心，安徽合肥230001; 2.解放軍電子工程學(xué)院基礎(chǔ)部，安徽合肥230037)

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深井高地壓軟巖巷道圍巖壓力轉(zhuǎn)移支護(hù)技術(shù)研究

楊永剛1，張海燕2

(1.安徽省煤炭科學(xué)研究院采礦支護(hù)技術(shù)中心，安徽合肥230001; 2.解放軍電子工程學(xué)院基礎(chǔ)部，安徽合肥230037)

［摘要］潘三礦－730～－960m暗副斜井埋深大，巷道圍巖破碎軟弱，巷道前掘后修現(xiàn)象突出，嚴(yán)重制約了礦井安全生產(chǎn)。在理論分析、數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上提出了圍巖壓力轉(zhuǎn)移支護(hù)技術(shù)“三原則”，并研制了錨索組合支護(hù)構(gòu)件——箱型梁?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，錨索箱型梁大幅提高了錨索組合梁的強(qiáng)度和剛度，較好地解決了目前各類槽鋼梁及T3鋼帶等存在的強(qiáng)度、剛度過低的問題，圍巖壓力轉(zhuǎn)移支護(hù)技術(shù)能較好地控制深井高地壓軟巖巷道的圍巖變形，在類似條件下具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

［關(guān)鍵詞］深井;軟巖巷道;圍巖壓力;箱型梁;轉(zhuǎn)移

［引用格式］楊永剛，張海燕.深井高地壓軟巖巷道圍巖壓力轉(zhuǎn)移支護(hù)技術(shù)研究［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 56－59.

Supporting Technology of Surrounding Rock Pressure Transformation in Soft-rock Roadway with High Geo-stress in Deep Mine

近年來(lái)隨著礦井開采深度的增加，遇到了越來(lái)越多復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的地下巖石工程，因而對(duì)此類工程的研究對(duì)于礦井的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。高地應(yīng)力環(huán)境及強(qiáng)烈的時(shí)間效應(yīng)導(dǎo)致深部巖體組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應(yīng)均發(fā)生根本性改變，使巷道礦壓顯現(xiàn)明顯［1－3］，采用常規(guī)支護(hù)設(shè)計(jì)的深部高應(yīng)力巷道的穩(wěn)定性越來(lái)越難以控制，巷道斷面收縮嚴(yán)重，有些巷道需要反復(fù)維修，從而造成巷道的維護(hù)費(fèi)用高出掘進(jìn)費(fèi)用數(shù)倍，嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)。

由于錨索具有錨固深度深、支護(hù)強(qiáng)度高、適用性好等優(yōu)點(diǎn)，錨索與錨桿聯(lián)合支護(hù)已成為錨桿支護(hù)技術(shù)的普遍的發(fā)展方向和應(yīng)用形式。錨索在巷道支護(hù)中的普遍使用，提高了巷道支護(hù)的強(qiáng)度和安全性，擴(kuò)大了錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用范圍。然而，在錨索支護(hù)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn):高地壓巷道的變形和破壞仍然不能得到有效地控制，部分巷道的頂板仍然時(shí)有冒落發(fā)生，巷道的穩(wěn)定性和安全性仍然存在較大的不確定性。為了改變上述狀況，尤其是為了提高巷道錨梁網(wǎng)支護(hù)的穩(wěn)定性和安全性，煤礦支護(hù)研究單位和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量研究工作，并采取了相應(yīng)的技術(shù)措施，如加大錨索直徑、加大支護(hù)密度、注漿加固等等，促進(jìn)了巷道錨索支護(hù)技術(shù)的發(fā)展［4－10］。然而，錨索支護(hù)巷道中存在的圍巖穩(wěn)定和安全問題未得到很好解決，這些問題的存在固然有多種原因，比如地層壓力、巷道斷面的增大等。但一個(gè)不可忽視的問題就是錨索外錨強(qiáng)度、剛度低，在錨索支護(hù)力遠(yuǎn)未達(dá)到其額定支護(hù)力的情況下就會(huì)發(fā)生屈服或變形破壞，使得錨索支護(hù)性能無(wú)法有效利用，巷道圍巖壓力無(wú)法有效轉(zhuǎn)移，巷道圍巖變形破壞不能有效控制。因此，研究采用何種支護(hù)手段有效收集巷道圍巖表面壓力，并將其轉(zhuǎn)移至深部，控制深井軟巖巷道的圍巖變形，是過去普通錨梁網(wǎng)支護(hù)中未曾遇到過的新問題，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1　工程概況

淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三煤礦－730～－960m聯(lián)絡(luò)斜巷上段位于該礦東三采區(qū)，巷道設(shè)計(jì)工程量670m，具體工程地質(zhì)條件如下:

(1)巷道穿層掘進(jìn)，圍巖破碎松散巷道以10°下山施工，期間巷道穿過4層煤線，巖性以泥巖、細(xì)砂巖或粉細(xì)砂巖為主，近水平層理，分層薄，每層僅為100～150mm左右，豎向裂隙極為發(fā)育，破碎成碎塊狀，節(jié)理間泥質(zhì)膠結(jié)。

(2)巷道埋深大、地壓大巷道掘進(jìn)標(biāo)高－730～－820m，屬于典型的深井高地壓巷道。

(3)巷道掘進(jìn)斷面大巷道掘進(jìn)寬5500mm，掘進(jìn)高度4250mm，掘進(jìn)斷面積20.12m2。

(4)巷道服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)巷道為二水平技改延深工程，將要服務(wù)整個(gè)二水平的開拓與開采，服務(wù)時(shí)間應(yīng)在20a以上。

2　支護(hù)技術(shù)分析

2.1支護(hù)對(duì)策

(1)巷道圍巖表面壓力收集支護(hù)技術(shù)在巷道表面通常都存在著大量的無(wú)支護(hù)空間。對(duì)于地壓大、圍巖條件差的巷道，這些無(wú)支護(hù)空間成為巷道圍巖壓力卸載的寬闊大門。圍巖壓力卸載嚴(yán)重，使得錨梁索的高支護(hù)強(qiáng)度不能充分得到發(fā)揮，嚴(yán)重影響錨梁索支護(hù)效率，甚至失效。因此，采用合適的支護(hù)材料與參數(shù)，加大破碎巷道圍巖表面的封閉面積是必要的。

(2)采用強(qiáng)度、剛度更高的錨索組合梁對(duì)于此類復(fù)雜巷道一般均采用組合錨索支護(hù)，圍巖壓力首先作用于錨索組合梁上，如其強(qiáng)度低、剛度低而在錨索支護(hù)力遠(yuǎn)未達(dá)到其額定支護(hù)力的情況下發(fā)生屈服或變形破壞，就會(huì)使得錨索支護(hù)性能無(wú)法有效利用，巷道圍巖壓力無(wú)法有效轉(zhuǎn)移，巷道圍巖變形破壞不能有效控制。因此，增加錨索支護(hù)外錨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，不僅可以大大提高錨梁索的支護(hù)性能，而且可以有效阻止圍巖壓力的卸載，從而有效控制巷道圍巖的變形與破壞。

(3)提高錨索支護(hù)的可靠性為提高錨索支護(hù)的可靠性，必須保證錨索的錨固段始終位于巷道圍巖的彈性區(qū)內(nèi)。為此，不僅在安裝錨索時(shí)，應(yīng)該將錨索錨固在圍巖的彈性區(qū)內(nèi)，而且在錨索的支護(hù)期限內(nèi)，或在巷道的服務(wù)期間內(nèi)，也能使錨索的錨固段始終處在巷道圍巖的彈性區(qū)內(nèi)，將巷道圍巖表面壓力轉(zhuǎn)移至深部。

2.2錨索組合梁的選擇

目前錨索組合梁主要采用熱壓普通槽鋼、T3鋼帶、11號(hào)礦用工字鋼等。為計(jì)算在集中載荷的情況下梁體最大承載能力，作如下假設(shè):錨索間距1m，錨索鎖具端視為簡(jiǎn)支，梁體中部巖體載荷視為集中載荷，示意圖見圖1。

圖1　錨索組合梁受力示意

查相關(guān)文獻(xiàn)［11－13］，可得各種熱壓槽鋼、工字鋼、T3鋼帶等的斷面系數(shù)、屈服強(qiáng)度等參數(shù)。許用彎矩為:

M =[σs]·Wx(1)

能承受的最大集中載荷:

P = 4M/L(2)

根據(jù)上式計(jì)算可得，應(yīng)用較為普遍的槽鋼梁(文中以14號(hào)b，16號(hào)a槽鋼為例)，當(dāng)集中載荷僅為16kN和26kN時(shí)梁體即出現(xiàn)了屈服現(xiàn)象，破壞形式主要有穿孔撕裂、扭曲變形等; T3鋼帶在集中載荷僅為10kN時(shí)鋼帶就出現(xiàn)了屈服破壞，破壞形式主要有彎曲變形、沿錨索孔的撕裂等。

為解決上述梁體強(qiáng)度剛度低、彎曲變形嚴(yán)重等問題，研制了箱型梁。該箱型梁選用礦用7號(hào)π型鋼與鋼板作為基本配件，焊接而成，加工設(shè)計(jì)圖如圖2所示。礦用7號(hào)π型鋼利用電弧煉鋼爐冶煉鋼水澆注27SiMn鋼錠軋制而成，按熱處理規(guī)范要求，920℃水淬，450℃水冷回火，熱處理調(diào)質(zhì)硬度HB300～350，屈服強(qiáng)度σs≥835MPa，σb≥980MPa，有相當(dāng)高的強(qiáng)度和耐磨性。

圖2　箱型梁加工設(shè)計(jì)示意

綜合考慮焊接、斷面積、斷面系數(shù)等因素，確定箱型梁跨距1m時(shí)，平均承載能力為150kN，承載能力較14號(hào)b槽鋼提高8.3倍，較T3鋼帶提高14.3倍，遠(yuǎn)大于目前主要應(yīng)用的各種型號(hào)的槽鋼梁及工字鋼等組合梁，對(duì)于提高頂板支護(hù)效果，提高錨索外錨強(qiáng)度效果顯著。

2.3數(shù)值計(jì)算分析

采用UDEC3.1離散元數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)－730～－960m聯(lián)絡(luò)斜巷上段巷道圍巖應(yīng)力分布及塑性區(qū)范圍分區(qū)情況進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算采用平面應(yīng)變模型假設(shè)，即垂直于計(jì)算剖面方向的變形為零。模型應(yīng)用BLOCK命令生成，應(yīng)用CRACK命令劃分各個(gè)巖層，應(yīng)用JSET命令模擬巖體節(jié)理。模型寬高均為50m。模型上表面為應(yīng)力邊界，根據(jù)埋深施加16MPa載荷用來(lái)模擬上覆巖體的自重邊界，水平應(yīng)力參照附近地點(diǎn)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，按垂直應(yīng)力的1.3倍施加。采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，應(yīng)變模式采用大應(yīng)變變形模式，模型底部限制垂直移動(dòng)，模型前后和側(cè)面限制水平移動(dòng)。為監(jiān)測(cè)巷道圍巖應(yīng)力及位移分布情況，從巷道底板兩幫到頂板10m深度范圍內(nèi)，每2m設(shè)置1條水平監(jiān)測(cè)線。

圖3為巷道中部及頂板各監(jiān)測(cè)線的垂直應(yīng)力分布曲線。由圖3可見，巷道開挖后，頂板10m深度范圍內(nèi)發(fā)生了應(yīng)力重新分布，應(yīng)力值降低。在巷道兩幫4～5m深度內(nèi)出現(xiàn)了應(yīng)力峰值24MPa左右，集中應(yīng)力系數(shù)為1.2，5m以遠(yuǎn)應(yīng)力逐漸恢復(fù)至原巖應(yīng)力。結(jié)合圖4塑性區(qū)分布可見，在無(wú)支護(hù)情況下巷道頂板6～7m，巷幫4m范圍內(nèi)均會(huì)發(fā)生較為明顯的塑性破壞，并且塑性范圍會(huì)隨著圍巖壓力的增長(zhǎng)、時(shí)間的延長(zhǎng)向圍巖深部發(fā)展，在實(shí)際施工中應(yīng)適當(dāng)加大錨索錨固深度，確保錨索的錨固段始終處在巷道圍巖的彈性區(qū)內(nèi)。

圖3　巷道頂板垂直應(yīng)力分布特征

圖4　巷道圍巖塑性區(qū)分布

3　試驗(yàn)巷道支護(hù)方案

巷道頂板及兩幫采用錨梁索支護(hù)。支護(hù)方案見圖5。

圖5　巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案

錨梁索支護(hù)體系由4部分組成:

(1)采用6mm鋼筋焊接的鋼筋背板背護(hù)圍巖表面，孔徑100mm×100mm。

(2)采用W5型鋼帶配合錨桿進(jìn)行支護(hù)。錨桿規(guī)格22mm×2500mm，錨桿間排距900mm× 900mm，安裝扭矩不小于180N·m。W型鋼帶規(guī)格為3100mm×280mm×5mm。巷道半圓部分，鋼帶沿巷道周向鋪設(shè);巷道直墻體部分，鋼帶沿巷道縱向鋪設(shè)，相鄰鋼帶相互搭茬。

(3)圍巖表面噴漿。錨桿支護(hù)施工完成后，對(duì)巷道表面噴射混凝土砂漿。砂漿標(biāo)號(hào)C30，噴層厚度50～80mm。

(4)組合式錨索支護(hù)。組合錨索由箱形梁與錨索組成，1梁3索。箱型梁長(zhǎng)度2200mm，沿巷道縱向布置，與錨桿W鋼帶十字搭接。沿巷道四周共布置7根錨索，間排距1400mm×900mm，鋼絞線規(guī)格22mm×8500mm，預(yù)緊力120kN。

4　巷道支護(hù)效果

為全面分析巷道掘進(jìn)期間巷道變形規(guī)律，在－730～－960m聯(lián)絡(luò)斜巷上段試驗(yàn)段與非試驗(yàn)段分別布置了多個(gè)測(cè)站對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行觀測(cè)。非試驗(yàn)段內(nèi)錨桿為單體錨桿;錨索參數(shù)為22mm× 6300mm，采用T3鋼帶作為組合梁，其余同試驗(yàn)段，圖6 (a)為巷道非試驗(yàn)段巷道圍巖變形情況; 圖6 (b)為巷道試驗(yàn)段巷道圍巖變形情況。

圖6　巷道圍巖變形觀測(cè)結(jié)果

在非試驗(yàn)段內(nèi)，觀測(cè)測(cè)站在300d后巷道兩幫位移達(dá)到850～1000mm，頂?shù)装逡平繛?000mm左右，巷道斷面收斂嚴(yán)重，從自穩(wěn)時(shí)間來(lái)看，90d內(nèi)兩測(cè)站均處于劇烈調(diào)整階段，巷道變形速度最大達(dá)35mm/d左右，110d后巷道才逐漸趨于穩(wěn)定，但變形速度仍達(dá)到2～5mm/d。試驗(yàn)段內(nèi)測(cè)站在250d后巷道兩幫位移基本控制在500mm左右，頂?shù)装逡平炕究刂圃?00mm左右，試驗(yàn)段內(nèi)巷道支護(hù)強(qiáng)度得到提高，圍巖變形得到了較好控制，返修工作量顯著降低。

5　結(jié)論

(1)各類槽鋼梁以及T3鋼帶存在強(qiáng)度、剛度過低的問題，在遠(yuǎn)未達(dá)到錨索支護(hù)力的時(shí)候出現(xiàn)卸載，嚴(yán)重降低了巷道支護(hù)效果。設(shè)計(jì)并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了箱型梁，該箱型梁在跨距1m時(shí)，集中承載能力達(dá)150kN，大幅度提高了梁體的強(qiáng)度及剛度。

(2)采用離散元數(shù)值計(jì)算軟件，計(jì)算分析得到試驗(yàn)巷道頂板6～7m，巷幫4m范圍內(nèi)均會(huì)發(fā)生較為明顯的塑性破壞，為保證巷道支護(hù)效果，錨索錨固深度必須大于此塑性區(qū)深度，即錨固段始終處在巷道圍巖的彈性區(qū)內(nèi)。

(3)軟巖高地壓巷道壓力轉(zhuǎn)移支護(hù)技術(shù)的三個(gè)原則:一是盡量減小圍巖表面的無(wú)背護(hù)空間，支護(hù)體能夠有效收集巷道表面壓力，防止圍巖壓力的卸載;二是增加錨索組合構(gòu)件和圍巖背護(hù)體的強(qiáng)度和剛度，避免支護(hù)體在錨索支護(hù)力遠(yuǎn)未達(dá)到其額定支護(hù)力的情況下發(fā)生屈服;三是錨索錨固深度必須位于巷道的塑性區(qū)范圍之外，保證錨索錨固可靠，使圍巖表面壓力轉(zhuǎn)移到深部。

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［責(zé)任編輯:姜鵬飛］

［作者簡(jiǎn)介］楊永剛(1979－)，男，河北定州人，碩士，助理研究員，主要研究方向?yàn)橄锏乐ёo(hù)及礦山壓力控制。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.016

［收稿日期］2014－05－26

［中圖分類號(hào)］TD353

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1006-6225 (2015) 02-0056-04