邢東礦深部巷道圍巖支護(hù)技術(shù)

劉偉鋒，莊 昕，黃成麟

（1.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科技產(chǎn)業(yè)處，山西 運(yùn)城 044000；2.河南工程學(xué)院 理學(xué)院，河南 鄭州 451191；3.福州理工學(xué)院，福建 福州 350506）

隨著我國(guó)煤礦開采深度逐年增加，大采深巷道受到高應(yīng)力的作用，表現(xiàn)出巷道圍巖的急劇變形，尤其在極為復(fù)雜多變的巖體和應(yīng)力環(huán)境下，巷道圍巖的穩(wěn)定性控制將面臨更大的挑戰(zhàn)[1]。在深部大變形巷道圍巖控制方面，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。孫利輝等[2]研究深部軟巖巷道強(qiáng)烈底鼓發(fā)生機(jī)理及治理方法，并進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)，提出了巷道底板錨索束+底板深淺注漿的治理方案；康紅普等[3]以新汶礦區(qū)深井巷道為工程背景，基于實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬研究，確定新汶華豐礦-1 180 m回風(fēng)大巷采用全斷面高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿與錨索及注漿聯(lián)合支護(hù)加固方式。方新秋等[4]采用錨網(wǎng)索噴+錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，利用新型專利注漿錨桿，對(duì)大巷周圍2 m范圍注漿，能夠有效解決深部軟巖高應(yīng)力動(dòng)壓巷道維護(hù)的技術(shù)難題，控制大巷變形。劉少偉等[5]以錨桿作用機(jī)理為依據(jù)，分析了滑移區(qū)域內(nèi)微小單元體的受力特征，提出了滑移型底鼓阻滑控制措施。李季等[6]采空區(qū)側(cè)向圍巖應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力方向會(huì)發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致深部沿空巷道圍巖形成非均勻塑性區(qū)，同時(shí)在主應(yīng)力集中及支護(hù)體延伸性能弱等主要因素的共同影響下，深部沿空巷道出現(xiàn)非均勻大變形。針對(duì)邢東礦-980 m大巷圍巖變形嚴(yán)重的實(shí)際情況，采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及理論分析等方式，提出合理的支護(hù)技術(shù)，起到控制圍巖變形和防治底鼓的作用。

1 工程概況

邢東礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.6 Mt/a，-980 m水平為二水平，其大巷所處位置埋深約為1 000 m，半圓拱形斷面，巷道斷面尺寸為3.5 m×4.5 m(寬×高)，巷道采用錨噴支護(hù)方式，采用φ22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間距和排距均為800 mm；采用φ21.8 mm×8 500 mm的鋼絞線錨索支護(hù)，間排距2 000 mm×800 mm，初噴與復(fù)噴的噴厚均為50 mm。-980 m大巷掘進(jìn)過(guò)后，巷道圍巖變形問(wèn)題較為明顯，圍巖破壞范圍大，巷道底鼓現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，支護(hù)體破壞嚴(yán)重，局部錨桿索及槽鋼破斷現(xiàn)象嚴(yán)重。

運(yùn)用鉆孔窺視儀結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔柱狀圖對(duì)巷道巖層特征及裂隙分布情況進(jìn)行分析，大巷圍巖鉆孔觀測(cè)結(jié)果如圖1?？芍锏来┻^(guò)多個(gè)地質(zhì)層位，巖性主要由煤、灰?guī)r、泥巖和粉砂巖構(gòu)成，以灰?guī)r為主，其內(nèi)含泥質(zhì)且豐富海相動(dòng)物化石，巷道圍巖整體松散軟弱，一般比較破碎，且存在縱向裂隙，易于受工程擾動(dòng)。

圖1 大巷圍巖鉆孔觀測(cè)結(jié)果

2 巷道圍巖變形觀測(cè)分析

由于-980 m水平大巷具有埋深大、高應(yīng)力的賦存條件，在巷道掘進(jìn)過(guò)后約50 m位置開始，每隔30 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行巷道表面收斂觀測(cè)，并進(jìn)行分析，為支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)的確定提供依據(jù)。表面收斂觀測(cè)采用十字交叉法。在-980 m大巷位置設(shè)置3個(gè)觀測(cè)站，主要觀測(cè)頂?shù)装搴蛢蓭鸵平俊＝?jīng)過(guò)一定周期的觀測(cè)，得出-980 m巷道變形量，各測(cè)站表面位移量統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

由表1可知，第1測(cè)點(diǎn)兩幫移近量達(dá)到了119 mm，上高變形量達(dá)到144 mm，下高變形量達(dá)到155 mm，即頂?shù)鬃冃瘟窟_(dá)到299 mm。第2測(cè)點(diǎn)的兩幫移近量達(dá)到了149 mm，上高變形量達(dá)到148 mm，下高變形量達(dá)到266 mm，即頂?shù)鬃冃瘟窟_(dá)到414 mm。第3測(cè)點(diǎn)中可以得兩幫移近量達(dá)到了139 mm，上高變形量達(dá)到142 mm，下高變形量達(dá)到150 mm，即頂?shù)鬃冃瘟窟_(dá)到292 mm。

表1 各測(cè)站表面位移量統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)分析礦壓顯現(xiàn)觀測(cè)結(jié)果可知：頂?shù)装遄冃瘟勘葍蓭妥冃瘟看?，其中底板變形尤為?yán)重，最大達(dá)266 mm；-980 m大巷頂?shù)装遄冃嗡俾时葍蓭妥冃嗡俾蚀?，最大達(dá)到2.48 mm/d。根據(jù)大巷圍巖變形量及變形速率可知，巷道整體圍巖變形量較大，尤其巷道底鼓現(xiàn)象較為明顯，并且巷道圍巖較為破碎。

3 巷道圍巖變形支護(hù)技術(shù)

根據(jù)礦井實(shí)際情況[7-8]，提出環(huán)形支架支護(hù)對(duì)大巷的圍巖整體控制，采用封閉U型鋼環(huán)形支架和底板組合錨索注漿加固復(fù)合支護(hù)技術(shù)，起到整體支護(hù)結(jié)合局部補(bǔ)強(qiáng)的大巷圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)[9-10]。

3.1 環(huán)形支架承載能力計(jì)算

通過(guò)對(duì)-980 m水平大巷圍巖地質(zhì)及變形分析，可知，巷道圍巖變形量均較大，所以提出長(zhǎng)環(huán)形鋼金屬支架支護(hù)方案，采用36號(hào)U型鋼環(huán)形支架，通過(guò)運(yùn)用力學(xué)分析[11]對(duì)環(huán)形鋼可縮性支架的承載能力進(jìn)行分析，根據(jù)巷道使用需要，幾何條件為AB段半徑 R=3 100 mm，BC段半徑R1=1 000 mm，弧AB角度 α1＝β1/2＝37°，弧 BC 角度 α2＝38°，弧 CD 角度 α3=β2/2=15°，均部壓力q。支架結(jié)構(gòu)如圖2。

由圖2，環(huán)形支架結(jié)構(gòu)載荷均對(duì)稱，因此研究AB、BC、CD 3段即可，對(duì)稱荷載作用下對(duì)稱截面上不會(huì)存在反對(duì)稱內(nèi)力，則A、D截面處剪力為0。通過(guò)對(duì)AB、BC、CD上的均布荷載向水平方向投影，求出A截面軸力NA，通過(guò)均布荷載q在弧AB、BC、CD段水平方向上的投影得到軸力NA為：

式中：FAB為AB段荷載水平方向投影；FBC為BC段荷載水平方向投影；FCD為CD段荷載水平方向投影；q為均布荷載。

圖2 環(huán)形支架載荷計(jì)算類型（均布載荷）

為求得A截面彎矩MA，列出AB、BC、CD段上任意一截面處的彎矩方程及內(nèi)力表達(dá)式，AB段彎矩方程為：

式中：MAB為AB段彎矩；MA為A處彎矩；NA為A處軸力。

式中：NA為A處軸力；NB為B處軸力。

式中：QB為B處剪力；R為AB弧半徑。

式中：MB為B處彎矩；MA為A處彎矩。

BC段彎矩方程為：

式中：MBC為BC段彎矩；R1為BC弧半徑。

C截面內(nèi)力為：

式中：NC為C處內(nèi)力；NB為B處內(nèi)力。

式中：QC為C處剪力。

式中：MC為C處彎矩。

CD段彎矩方程為：

式中：MCD為CD處彎矩；R為CD弧半徑。

式中：ND為D處內(nèi)力。

式中：QD為D處剪力。

式中：MD為D處彎矩。

設(shè)在A截面處作用一單位力偶MO=1時(shí)，此時(shí)各截面處在其作用下的彎矩均相等：

根據(jù)莫爾定理，欲使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，AB、BC、CD段上由于彎矩使A點(diǎn)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角應(yīng)為0，從而：

式中：E為彈性模量；I為慣性矩。

將式（2）、式（5）、式（6）、式（9）、式（10）代入式（14），解得：MA=2.74q。將 MA，NA值代入內(nèi)力表達(dá)式中得到B、C、D截面處的內(nèi)力分別為：NB=2.20q，NC=1.53q，ND=1.77q；QB=0.68q，QC=0.74q，QD=1.13q；MB=2.04q，MC=1.78q，MD=2.34q。其余對(duì)稱截面處內(nèi)力均與A、B、C、D截面內(nèi)力分別對(duì)應(yīng)相同，彎矩絕對(duì)值最大在A點(diǎn)，型鋼U36的截面參數(shù)為：支架長(zhǎng)度L=14.28 m，彈性極限 350 MPa，抗彎截面模量 Wx＝137 cm3，屈服極限520 MPa，截面積A=45.7 cm2，取均布載荷集度q＝1 N/m，那么，最大應(yīng)力為20.431 kPa。

式中：Wx為抗彎截面模量；A為截面積。

載荷集度增大系數(shù)?為17 131：

式中：σx為彈性極限。

由彈性極限計(jì)算得到的支架承載能力p：

單一支架時(shí)i=1，p=?Lq，取均布載荷集度q=1 N/m，支架長(zhǎng)度L=14.28 m，得p=244.63 kN。

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果得出長(zhǎng)環(huán)形U型鋼可縮性支架承載能力能夠達(dá)到244.63 kN，具有很強(qiáng)的承載能力，能夠有效地控制邢東礦巷道的圍巖變形情況。

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)巷道圍壓比較均勻時(shí)，選用全封閉U型鋼可縮性支架可有效控制圍巖變形，但是如果巷道存在局部變形較大就需要在整體采用U型鋼可縮性支架的同時(shí)將局部區(qū)域進(jìn)行特殊加固。

3.2 底板組合錨索注漿支護(hù)設(shè)計(jì)

通過(guò)巷道觀測(cè)及圍巖移近量可知，巷道底鼓問(wèn)題較為突出，因此需要對(duì)底板進(jìn)行特殊支護(hù)處理，提出底板組合錨索注漿支護(hù)設(shè)計(jì)控制巷道底鼓。

錨索規(guī)格φ17.8 mm×10 500 mm，間排距為1 000 mm×2 000 mm，每排 3根錨索，兩側(cè)錨索外擺 15°，中心錨索垂直底板布置，每排錨索配用1個(gè)工字鋼梯子梁，底板錨索組合圖如圖3，三孔托盤規(guī)格為200 mm×200 mm×12 mm，采用φ80 mm孔徑鉆頭打孔。

圖3 底板錨索組合圖

錨索推入孔底，用水泥、水玻璃雙液漿封孔，2 d后采用風(fēng)動(dòng)注漿泵壓力為6 MPa，按設(shè)計(jì)水泥漿比例進(jìn)行深孔高壓注漿。注漿后安裝托盤索具，對(duì)錨索20 MPa張拉力張拉，切斷多余的鋼絞線。

大采深巷道受到高應(yīng)力的作用[12-13]，表現(xiàn)出巷道圍巖的急劇變形，特別容易出現(xiàn)巷道圍巖變形，通過(guò)采用封閉U型鋼環(huán)形支架和底板組合錨索注漿加固復(fù)合支護(hù)技術(shù)能夠增加支護(hù)體的承載能力，尤其加強(qiáng)底板的局部支護(hù)強(qiáng)度，從而有效地控制大采深巷道圍巖變形和底鼓[14-15]。

巷道由于埋深大，巷道支護(hù)變形較為嚴(yán)重，巷道變形明顯的因素是埋深應(yīng)力大，巷道收縮變形較為嚴(yán)重，因此在采用U型鋼配合底板組合錨索注漿支護(hù)的基礎(chǔ)上配合錨噴支護(hù)，不斷提高和改善圍巖自身強(qiáng)度的主動(dòng)支護(hù)理念，達(dá)到改善其支護(hù)狀況，保證安全生產(chǎn)的目的。噴漿采用初噴與復(fù)噴相結(jié)合的方式，在巷道擴(kuò)刷完成后先進(jìn)行初噴，噴層厚度為30 mm，封閉巷道圍巖并作為臨時(shí)支護(hù)，初噴后依舊采用φ22 mm×2 400 mm錨桿，間排距均為800 mm，并采用φ21.8 mm×8 500 mm錨索，間排距2 000 mm×800 mm進(jìn)行圍巖支護(hù)。在安設(shè)好U型鋼環(huán)形支架和打好錨桿后進(jìn)行復(fù)噴，厚度為60 mm，之后再進(jìn)行底板組合錨索注漿支護(hù)，作為永久支護(hù)。

4 支護(hù)效果分析

通過(guò)在-980 m水平主暗聯(lián)巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，采用全封閉U型鋼環(huán)形支架配合底板組合錨索注漿聯(lián)合錨噴加固支護(hù)技術(shù)。在試驗(yàn)段主暗聯(lián)巷中間布置1個(gè)深基點(diǎn)觀測(cè)站，頂板深基點(diǎn)變形曲線如圖4，圖中可以得出巷道圍巖發(fā)生位移主要集中在0～1 m和2.5～4 m 范圍內(nèi)，到30 d左右頂板變形趨于穩(wěn)定。同時(shí)布置巷道底鼓變形量觀測(cè)，試驗(yàn)段大巷底板位移觀測(cè)圖如圖5，可知，巷道底板位移量在8個(gè)月后，共達(dá)到260 mm并趨于穩(wěn)定。

圖4 試驗(yàn)段大巷頂板深基點(diǎn)位移圖

圖5 試驗(yàn)段大巷底板位移觀測(cè)圖

采用了全封閉U型鋼環(huán)形和底板組合錨索注漿聯(lián)合錨噴加固復(fù)合支護(hù)技術(shù)，對(duì)巷道變形起到很好的控制作用，圍巖平均變形速度大大降低。在觀測(cè)期間巷道底板未發(fā)現(xiàn)明顯鼓出，此巷道圍巖控制技術(shù)能夠很好控制圍巖變形，保證礦井安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得知，巷道整體圍巖變形量較大，圍巖較為破碎，尤其巷道底鼓現(xiàn)象較為明顯，理論分析是由于巷道圍巖高應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理等共同導(dǎo)致巷道圍巖破壞變形。

2）通過(guò)力學(xué)計(jì)算分析得出環(huán)形支架具有較強(qiáng)的承載能力，提出環(huán)形支架進(jìn)行整體支護(hù)、底板組合錨索注漿加固支護(hù)技術(shù)，并結(jié)合錨噴支護(hù)技術(shù)共同形成復(fù)合支護(hù)技術(shù)，能夠有效地控制巷道的變形。