深井高應(yīng)力巷道圍巖強力-分次支護協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究

于 洪，李春元，董明麗

(1.河南能源化工集團 焦作煤業(yè)趙固(新鄉(xiāng))能源有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453634；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

隨煤炭開采向深部延伸，受高應(yīng)力及復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響，巷道表現(xiàn)出了圍巖變形劇烈、返修頻繁等特點，嚴(yán)重制約深部礦井的安全高效生產(chǎn)[1-3]。國內(nèi)外諸多專家學(xué)者研究提出了錨網(wǎng)索耦合、錨注、錨噴、強力支護等主動支護技術(shù)[4-8]，為巷道圍巖控制提供了指導(dǎo)作用。而深部巷道圍巖破碎時，傳統(tǒng)錨桿(索)等支護體失效嚴(yán)重，巷道圍巖穩(wěn)定性難以保證[9-11]；且受地質(zhì)條件及圍巖差異影響，選擇合理經(jīng)濟的支護方案以控制巷道圍巖變形破壞，也是深部巷道面臨的難點。為此，針對深井高應(yīng)力巷道破碎圍巖的變形破壞特征，分析巷道強力-分次支護的力學(xué)機制，提出與深井巷道圍巖變形相適應(yīng)的強力-分次協(xié)調(diào)支護技術(shù)，以有效提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，可為深井高應(yīng)力巷道支護提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

趙固一礦北翼回風(fēng)大巷(東)受井田內(nèi)F16斷層(落差H=34.1m，傾角60°～80°)構(gòu)造影響，在通尺105.5～259.3m沿二1煤層頂板以+12°的坡度沿巖層掘進北翼回風(fēng)大巷(東)平面布置如圖1所示，標(biāo)高-531.2～-497.9m，地面標(biāo)高+83.3～+86.9m，埋深581.2～618.1m，北為已回采完畢的16021工作面；煤層厚度平均6.0m，頂板基巖厚度44～95m，二1煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。在距北翼回風(fēng)大巷垂直距離390m處的16011運輸巷內(nèi)測得該區(qū)域內(nèi)最大水平主應(yīng)力為16.00MPa，最小水平主應(yīng)力9.11MPa，垂直主應(yīng)力為13.97MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N63.7°W，屬中等偏高應(yīng)力區(qū)[12]。

圖1 北翼回風(fēng)大巷(東)平面示意圖

表1 二1煤層頂?shù)装逄卣?/p>

受F16斷層及16021工作面采動影響，北翼回風(fēng)大巷(東)通尺105.5～259.3m巖巷段圍巖破碎；且該段巷道需為整個北翼采區(qū)后期服務(wù)，服務(wù)周期長，斷面大。而北翼回風(fēng)大巷原沿煤層頂板掘進，采用錨網(wǎng)索配合U型鋼棚支護，施工速度慢，在高應(yīng)力作用下巷道圍巖變形量大，U型鋼棚彎折破壞嚴(yán)重，返修工程量大且次數(shù)多，故需對原支護技術(shù)進行優(yōu)化，以減輕工人勞動強度和支護密度，降低支護成本，從而為同類條件下巷道圍巖控制提供參考和理論依據(jù)。

1.2 巷道圍巖變形破壞分析

為避免趙固一礦深井巷道圍巖產(chǎn)生嚴(yán)重變形破壞，現(xiàn)場觀測總結(jié)了北翼回風(fēng)大巷圍巖變形破壞的主要影響因素。

1)深部高應(yīng)力作用。北翼回風(fēng)大巷埋深約600m，垂直應(yīng)力主應(yīng)力達(dá)13.97MPa，受區(qū)域構(gòu)造影響，最大水平主應(yīng)力達(dá)16.00MPa，約為垂直應(yīng)力的1.15倍；巷道掘進后按應(yīng)力集中系數(shù)為3進行計算，切向應(yīng)力高達(dá)41.9MPa，最大水平主應(yīng)力的釋放及切向應(yīng)力的壓剪作用將導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生嚴(yán)重變形破壞，故深部高應(yīng)力作用為巷道圍巖變形破壞的直接誘因。

2)F16斷層影響。為通過F16斷層，北翼回風(fēng)大巷(東)通尺105.5～259.3m由原煤巷掘進變更為巖巷掘進，由斷層上盤向下盤過渡，傾角12°，掘進時巖體完整性差，圍巖破碎，鉆孔(巷道淺部圍巖0～3m段)塌孔嚴(yán)重，施工難度大，圍巖穩(wěn)定性差。

3)支護參數(shù)不合理。北翼回風(fēng)大巷原頂板、幫部支護錨索規(guī)格分別為Φ21.6mm×8300mm、Φ17.8mm×4300mm，設(shè)計預(yù)緊力分別為200kN、150kN；錨索預(yù)緊力偏低，無法充分發(fā)揮錨索的主動支護作用。在北翼回風(fēng)大巷建立了6處錨索應(yīng)力檢測點，發(fā)現(xiàn)施工時預(yù)緊力過小，后期錨索錨固力均有一上升過程，圍巖變形量大。因此，預(yù)緊力偏低導(dǎo)致錨索在支護初期未能對圍巖起到很好的主動支護作用，喪失了主動支護的優(yōu)勢。當(dāng)預(yù)緊力較大時，在短時間內(nèi)預(yù)緊力雖有一定損失，但可保持錨固力的穩(wěn)定，可較好控制圍巖的初期變形及整體穩(wěn)定性。

4)U型鋼支護與圍巖的耦合性能差。巷道掘進采用矩形斷面，二次支護采用U型鋼被動支護方式，需在U型鋼棚與圍巖之間輔以墊層貼合巖面，兩者間存在一定間隙，二次支護需在淺部圍巖變形破裂與U型鋼緊貼后才能發(fā)揮作用，U型鋼與圍巖的耦合性能差。且受深部高應(yīng)力作用，巷道圍巖常呈非均勻變形并導(dǎo)致支架非均勻承載，顯著降低了支架的承載能力。故深部高應(yīng)力巷道支護時，在保證支護阻力前提下，應(yīng)結(jié)合圍巖斷面形狀確保支護體與圍巖的耦合性能得到充分發(fā)揮，以控制巷道圍巖的變形破壞。

2 深井巷道圍巖強力-分次支護力學(xué)機制

2.1 巷道強力支護與圍巖變形關(guān)系

根據(jù)強力支護理論[13]，巷道圍巖初始變形階段應(yīng)控制圍巖離層及裂隙擴展等不連續(xù)變形，以有效控制淺部圍巖完整性；向巷道深部應(yīng)允許巖體產(chǎn)生峰值強度前的塑性及彈性連續(xù)變形，支護體的讓壓變形可使深部圍巖釋放一定高應(yīng)力，以形成“先剛后柔再剛、先抗后讓再抗”的支護理念。支護阻力與巷道圍巖變形關(guān)系曲線[14]，如圖2所示。

圖2 支護阻力與巷道圍巖變形關(guān)系曲線

為控制巷道淺部圍巖的不連續(xù)變形，應(yīng)提高支護阻力P，且P越高，圍巖位移量u越??；當(dāng)P高于P1時，支護體的經(jīng)濟成本顯著提高，但是u降低有限。當(dāng)采取提高錨桿(索)預(yù)緊力、高強支護結(jié)構(gòu)等強力支護技術(shù)時，P

2.2 強力與分次支護的變形協(xié)調(diào)特征

深井巷道一次支護后，高應(yīng)力釋放使圍巖裂隙擴展，通過一定時間的變形調(diào)整才能穩(wěn)定；且工程實踐表明，巷道圍巖變形收斂具有時效性，強力與分次支護受時效性影響具有一定的變形協(xié)調(diào)關(guān)系。巷道圍巖的時效變形與最優(yōu)支護時機Tx的關(guān)系[15]見式(1)，其中0≤Tx≤Tc。

式中，Tc為圍巖變形收斂時間，s；α為剩余時效釋放應(yīng)力為總應(yīng)力釋放的α倍，0<α<1；σc為單軸抗壓強度，MPa；γ為應(yīng)力釋放系數(shù)，γ=σn/σ1max，σn為一次強力支護后釋放的應(yīng)力，MPa；K為應(yīng)變裕度，K≥1；σ1max為巷道初始地應(yīng)力極值，MPa；λ為強度增長系數(shù)，即在σ3作用下抗壓強度的增加程度；σ3為支護圍壓，MPa；r為開挖后圍巖最大主應(yīng)力σ1與單軸抗壓強度σc的比值，0≤r≤1。

根據(jù)式(1)，巷道掘進后，σ1越大，r越大，圍巖穩(wěn)定性變差，Tx縮短；若α增大，則Tx縮短；而一次強力支護后，支護體形成的λ越大，Tx相應(yīng)延長。因此，采取一次強力支護后，二次支護的Tx可相應(yīng)推遲，支護過早，巨大的圍巖塑性變形未能充分釋放，二次支護強度將難以抗拒較大塑性變形而產(chǎn)生破壞。若圍巖破碎且強度較低，二次支護應(yīng)適當(dāng)提前；對于深井高應(yīng)力圍巖，其r及α增大，二次支護與一次強力支護的時間間隔應(yīng)予以縮短；若二次支護延遲，塑性變形雖得到釋放，但圍巖自承載能力隨之降低，轉(zhuǎn)移至支護體上的載荷加大，為解決二次支護在時間和強度上與圍巖特性之間的耦合關(guān)系，應(yīng)合理的選擇二次支護Tx。

為分析確定趙固一礦北回風(fēng)(東)巖巷段二次強力支護的Tx，在通尺130m、150m及190m處建立了三個測站觀測了巷道表面位移量變化，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)通尺130m處兩幫位移變化具有典型的代表性，其表面位移量變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 巷道通尺130m處表面位移量變化規(guī)律

由圖3可知，在北翼回風(fēng)大巷，一次強力支護后隨巷道圍巖應(yīng)力釋放，兩幫表面累計位移量逐漸增加，而在44—52d時增加速率變緩，52d后累計位移量驟然增加，由約45mm迅速增加至55mm，2d內(nèi)增加約10mm，增加約22.2%。同時，巷道采用一次強力支護18—52d內(nèi)，巷道日均位移量逐漸降低，44—52d時日均位移量明顯減小，日均變形量約0.8mm/d；而在52d后變形量突然增加，52—54d日均變形量達(dá)3.4mm/d，增加約4.3倍，據(jù)此可判定通尺130m處兩幫深部圍巖趨于松動破裂，若未及時二次支護，圍巖變形速度驟然增加極易導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)，故趙固一礦北回風(fēng)(東)巖巷段的二次最優(yōu)支護時機為一次強力支護后44—52d。

3 深井高應(yīng)力巷道強力-分次協(xié)調(diào)支護技術(shù)

為充分利用二1煤頂板圍巖的承載能力，趙固一礦北翼回風(fēng)大巷(東)巖巷段采用直墻半圓拱斷面，凈寬B=5000mm，凈高H=3800mm，直墻高度h=1300mm；結(jié)合深井巷道的強力-分次支護力學(xué)機制，采取一次錨網(wǎng)噴強力支護，待圍巖讓壓變形一定程度至二次最優(yōu)支護時機時，進行了錨注配合底板鳥籠錨索強力支護，以實現(xiàn)永久巷道不架棚、不返修或少返修目標(biāo)，從而達(dá)到支護體與巷道圍巖變形的協(xié)調(diào)控制。

3.1 一次錨網(wǎng)噴強力支護

為控制巷道圍巖的不連續(xù)變形，實現(xiàn)“先剛”支護，一次支護采用高強預(yù)緊力錨網(wǎng)噴支護，使圍巖與支護體共同形成承載結(jié)構(gòu)，北翼回風(fēng)大巷(東)巖巷段支護斷面如圖4所示。

圖4 北翼回風(fēng)大巷(東)巖巷段支護斷面示意(mm)

支護時，錨桿規(guī)格為Φ20mm×2400mm，正頂錨桿與中線重合，間排距800mm×800mm，每排15根，底腳錨桿下扎10°打設(shè)，其余均垂直于巷道輪廓打設(shè)；錨桿設(shè)計預(yù)緊扭矩300N·m，錨固力不低于170kN。頂板錨索規(guī)格Φ21.6mm×8300mm，間排距1300mm×1600mm，每排3根；幫部錨索規(guī)格Φ17.8mm×4200mm，間排距1300mm×1600mm，每排6根；頂板與幫部補強錨索布置在同一排，均垂直于巷道輪廓打設(shè)；頂、幫錨索預(yù)緊力分別提高至300kN、200kN，檢測不合格錨索則重新補打。

錨網(wǎng)支護結(jié)束后，對底板以上全斷面噴漿，噴厚50mm(以覆蓋金屬網(wǎng)，注漿時不漏漿為準(zhǔn))。噴漿配比為水泥：混合砂=1∶4(重量比)，使用325#普通硅酸鹽水泥，強度符合C20要求，速凝劑的摻入量一般為水泥重量的3%～4%，噴頂時取上限，水灰比為0.5。

3.2 二次全斷面錨注配合底板鳥籠錨索強力支護

根據(jù)強力與分次支護的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，在圍巖讓壓變形一定程度至二次最優(yōu)支護時機前，對巷道圍巖注漿充實加固破裂圍巖體及其弱面，以提高圍巖的整體性及承載能力；隨后，對巷道頂板、幫部及底板補打錨索進行二次強力支護，以實現(xiàn)巷道圍巖變形的永久可控。

3.2.1 頂板及幫部壁后注漿

一次錨網(wǎng)噴強力支護后，隨巷道圍巖高應(yīng)力釋放產(chǎn)生讓壓變形，加之?dāng)鄬痈浇鼑鷰r破碎，對頂板及幫部實施壁后注漿的措施，注漿孔布置如圖5所示，從而將破碎圍巖體及讓壓變形產(chǎn)生的裂隙充填密實并提高圍巖強度，以充分發(fā)揮錨桿(索)的支護作用，減少失錨現(xiàn)象[16]。

圖5 二次支護注漿孔及底板鳥籠錨索布置圖(mm)

根據(jù)巖巷斷面將注漿孔間排距定為1600mm×1600mm，為保證注漿加固效果，奇數(shù)排注漿孔與偶數(shù)排呈“七·六”交替布置，拱部注漿孔深6000mm，兩幫孔深4000mm，注漿孔規(guī)格為Φ36mm。奇數(shù)排每排打設(shè)7孔，拱部5孔(巷道中線1孔，向兩邊按照1600mm間距分開各2孔)，幫部各1孔(距底板500mm)；則偶數(shù)排每排打設(shè)6孔，底板向上1300mm起打1孔，然后按照1600mm間距向上打設(shè)。

同時，采用埋孔口注漿管注漿，注漿管采用500mm長一吋鋼管制作，孔內(nèi)布置Φ20mm的塑料射漿管，頂板射漿管長度為5500mm，兩幫3500mm，全長一次注漿。采取先下后上注漿順序，圍巖破碎時可根據(jù)現(xiàn)場條件調(diào)整注漿順序。

3.2.2 頂板和幫部補強錨索支護

壁后注漿加固后，在頂板和幫部打設(shè)高強度預(yù)應(yīng)力錨索對圍巖進行補強支護，二次補強錨索布置如圖4中黑色粗實線所示。頂板選擇Φ21.6mm×8300mm錨索，每排打設(shè)3根；將兩幫錨索長度較一次支護加長至6.3m，規(guī)格Φ21.6mm×6300mm，每排打設(shè)2根，幫部底側(cè)錨桿距底板500mm，錨索間排距均為1600mm×1600mm，所有錨索全部垂直頂幫打設(shè)。

同時，頂部及幫部每根錨索分別使用4支、3支Z2350型樹脂錨固劑錨固，預(yù)緊力均不小于300kN，錨索外露長度150～250mm。錨索托板均采用300mm×300mm×14mm高強度可調(diào)心托板及配套鎖具，從而與高強錨桿(索)共同承載形成強力支護系統(tǒng)，以提高支護體與圍巖的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.2.3 底板錨注及鳥籠錨索支護

對巷道頂板及兩幫采取強力支護后，頂板覆巖載荷將通過支護體與圍巖不斷向底板傳遞，尤其最大水平主應(yīng)力將向底板無承載結(jié)構(gòu)巖體擠壓卸荷，并造成底鼓；且趙固一礦已掘開拓巷道實踐表明，受高應(yīng)力作用底板鼓起劇烈，臥底返修工程量大，故開拓巷道掘進時在底板開挖1.0m深度左右，再用U型鋼底反拱支護，工人勞動強度大，施工速度慢。

為提高底板圍巖體強度并實現(xiàn)無反拱支護，現(xiàn)場實施了“錨索+注漿”加固支護方案，錨索及注漿孔布置如圖5所示時，底板錨索垂直底板布置，每排4孔，孔深6300mm，巷道中心線偏南200mm施工1孔，再按間距1200mm×1600mm施工其余3孔，成孔后預(yù)埋錨索；錨索為Φ21.6mm6300mm的1×7股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其最大總伸長率4%，并配合高強度鎖具和鳥籠錨索梁支護底板。同時，埋孔口注漿管，孔內(nèi)布置2500mm長的射漿管。為實現(xiàn)底板錨索支護與注漿加固同孔布置，礦方自制了鳥籠錨索如圖6所示。

圖6 底板鳥籠錨索加工示意圖(mm)

自制鳥籠錨索時，在距錨固端1500mm夾裝長度30～40mm，外徑Φ30mm壁厚4mm的焊接鋼管，砸扁并釘緊至錨索；再打開錨固端，在距端部1000mm的一條鋼絲上用一個M16的螺母漲開鋼絞線；隨后，絞緊錨固端索體，距端部約400mm套裝長度30～40mm的焊接鋼管，砸扁并釘緊至錨索作為限位環(huán)；最后，端部套入長度50mm的焊接鋼管，砸扁并釘緊至錨索上端部作為錨索攪拌頭。鳥籠錨索梁則采用14#槽鋼加工，長4000mm，錨索梁墊板為200mm×100mm×16mm鋼墊板。

施工時，首先采用KZZ100/40型履帶式底板孔智能鉆機配合Φ74mm鉆頭開孔，開孔深度為打至巖層為止(2.5～3m)；隨后，孔口埋相應(yīng)長度Φ70mm PVC套管，再用Φ42mm鉆桿和Φ56mm鉆頭打孔；考慮塌孔影響，孔深多打500mm裝渣。錨索安裝后，采用預(yù)制混凝土錨固，灌入錨索底端，用塑料管搗實；錨固7d后進行孔內(nèi)水泥注漿，注漿完畢1d后張拉底板錨索，初次張拉預(yù)緊力不小于260kN。張拉后，將錨索截至外露60mm，并對底板硬化，硬化厚度100mm。

4 深井高應(yīng)力巷道強力-分次協(xié)調(diào)支護效果

為驗證強力-分次協(xié)調(diào)控制的支護效果，采用十字觀測法監(jiān)測了70d內(nèi)巷道的表面位移量變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 北翼回風(fēng)大巷(東)巖巷段表面位移變化圖

根據(jù)圖7，北翼回風(fēng)大巷(東)巖巷段在掘進后20d內(nèi)表面變形速度迅速降低，兩幫及頂?shù)装遄冃嗡俣确謩e由初期的4mm/d、6mm/d降低至0.8mm/d、1.2mm/d；20—50d表面變形速度變緩，兩幫及頂?shù)装遄冃嗡俣确謩e降低至0.6mm/d、0.4mm/d；而掘進50—70d后表面變形趨于穩(wěn)定，表面變形基本穩(wěn)定在0.1mm/d。根據(jù)圖3，未采用強力-分次協(xié)調(diào)支護時，52d后便出現(xiàn)了表面位移速度驟然增加的松動破裂階段；而采用強力-分次協(xié)調(diào)支護后，70d內(nèi)并未出現(xiàn)位移速度驟然增加，兩幫表面累計位移量也僅64mm，略高于協(xié)調(diào)支護前的55mm，掘進后54—70d兩幫表面累計位移也僅增加9mm。故采用強力-分次支護協(xié)調(diào)控制技術(shù)后，深井巷道圍巖的整體穩(wěn)定性得到了加強，巷道持續(xù)變形很小并在可控范圍內(nèi)，可滿足深部礦井安全生產(chǎn)需求。

5 結(jié) 論

1)結(jié)合強力支護理論及圍巖的時效變形與最優(yōu)支護時機關(guān)系分析了深井巷道強力-分次支護的力學(xué)機制，并指出：一次支護利用高錨桿(索)預(yù)緊力、高強支護結(jié)構(gòu)等強力支護可控制巷道圍巖的初始不連續(xù)小變形并實現(xiàn)讓壓連續(xù)變形，二次強力支護應(yīng)使支護體延伸變形與圍巖富裕變形量協(xié)調(diào)以限制圍巖的再變形；隨一次強力支護時間延長，深井巷道圍巖變形速度先降低后變緩再突然增加，變形變緩階段為二次最優(yōu)支護時機，實測其為一次強力支護后44—52d。

2)基于強力-分次支護力學(xué)機制，提出了采用一次錨網(wǎng)噴強力支護、二次全斷面錨注配合底板鳥籠錨索強力支護相協(xié)調(diào)的巷道強力-分次支護控制技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用加強了深井高應(yīng)力巷道圍巖的整體穩(wěn)定性并實現(xiàn)了變形可控。