深部高應力巷道讓壓支護的應用及安全評價

倪海明

（山東科技大學，山東 青島 266590）

隨著淺部煤炭資源的枯竭，煤礦開采深度日益變大，超千米深的煤礦逐漸成為開采主體，伴隨著深度的增加，深井巷道的應力場以及變形特征越來越復雜，超千米深井巷道應力場的特點是開巷前圍巖處于高地應力狀態(tài)，而且構造應力場復雜。開巷后圍巖中出現(xiàn)很高的集中應力和偏應力，引起圍巖變形特征發(fā)生顯著變化。圍巖變形由脆性轉變?yōu)樗苄裕瑖鷰r流變性、擴容性突出[1-2]，超千米深井巷道的穩(wěn)定性問題尤為突出，對圍巖的安全評價尤為重要。

康紅普對新汶礦區(qū)深井巷道進行觀測及支護研究，發(fā)現(xiàn)新汶礦區(qū)深井巷道最大、最小水平應力差值較大，圍巖強度沿不同深度波動很大，并提出2種適合于超千米深井巖巷的支護方式[3]。趙家巍針對海石灣煤礦深井軟巖巷道支護困難的問題，依據圍巖強度強化理論及能量平衡理論對其進行力學分析，采用數(shù)值模擬和工業(yè)性試驗的方法，提出高強預應力均衡讓壓圍巖控制思路，并且通過工業(yè)性試驗表明此種圍巖控制思路能有效提高支護系統(tǒng)的可靠性[4]。韓立軍針對煤巷錨網支護系統(tǒng)安全性較難評價的問題，提出了“監(jiān)測數(shù)據—圍巖參數(shù)反分析—警戒值確定—預測分析—系統(tǒng)評價”的成套評價理論與方法，構建了煤巷錨網支護安全評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時掌握巷道圍巖和支護結構的穩(wěn)定狀態(tài)，提高了煤巷錨網支護的信息化施工與管理水平[5]。

山東安居煤礦-1155 水平軌道大巷長期受到高地應力的作用及采動影響，對巷道的穩(wěn)定性造成了消極影響，增加了巷道失穩(wěn)的風險，使得深部高應力巷道圍巖控制更加困難，因此，針對深部復雜應力巷道支護難題，提出合理有效地支護對策，為該類工程提供參考，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 概 況

-1150 水平軌道大巷掘進工作面標高-1 148—-1 150 m，位于南翼淺部采區(qū)，南翼淺部采區(qū)對應地面位置基本位于濟魚公路東約700 m，大魏莊、劉街、谷莊連線以東南，京杭運河東1 000 m 以西，付村、新吳村以北；濟魚公路、濱湖路、京杭運河近南北向貫穿采區(qū)，龍拱河、南二環(huán)橫穿采區(qū)東西。地面標高為+35 m。工作面附近200 m 范圍內無采空區(qū)，因此，不存在老空水威脅。北部為二水平水倉、翻罐籠硐室繞道等。其大巷平面如圖1所示。

圖1 - 1150 水平軌道大巷平面示意Fig.1 -1150 level track roadway

2 支護設計

深部巷道圍巖變形嚴重，如果在開挖后馬上進行剛性支護，則支護體將承受較大的圍巖初期變形壓力，從而導致支護體被壓壞。因此，為使支護體不會由于巷道掘進期間因承受過大的變形而破壞，以保證軟巖巷道圍巖的最終穩(wěn)定，支護體必須具有讓壓可縮的功能。

2.1 讓壓錨桿結構

讓壓錨桿是針對深井、軟巖和受動壓影響的大變形巷道而專門設計的一種可延伸錨桿，如圖2 所示。該錨桿由高強桿體、讓壓管、托盤以及螺母等部件組成。與普通的錨桿體系相比，讓壓錨桿在錨桿尾部增加了一個具有讓壓功能的讓壓管。巷道圍巖所受壓力較大時，讓壓管的變形可使錨桿能夠適應巷道圍巖的變形。新型讓壓錨桿結構簡單，安裝方便，成本較低，錨桿具有恒阻高、伸縮量可調、延伸量較大、支護強度高等特點。

讓壓管由無縫鋼管制成，根據深井軟巖等大變形巷道圍巖條件的不同，讓壓管可以設計制造成不同的規(guī)格以適應不同的圍巖變形和壓力。

圖2 讓壓錨桿結構Fig.2 Structure of bolt pressure

2.2 巷道斷面支護的確定

巷道斷面為直墻半圓拱形巷道，凈寬4 800 mm，凈高為3 800 mm，凈斷面積為15.76 m2；荒寬5 000 mm，荒高4 000 mm，掘進斷面積為17.31 m2。巷道噴厚100 mm，強度等級C20。巷道進行鋪底，鋪底厚度100 mm。支護斷面如圖3 所示。

圖3 支護斷面示意Fig.3 Section of support

2.2.1 拱部支護

錨桿：每排11 根，采用φ20 mm×2 400 mm高強無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，間排距800 mm×800 mm；錨桿螺母安裝扭矩不低于200 N·m。

錨桿錨固劑：每根錨桿采用1 支MSK2550 樹脂錨固劑和1 支MSCK2535 樹脂錨固劑錨固，拉拔力不低于120 kN，安裝讓壓管，單泡，讓壓載荷180 kN。

網片：采用規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm 經緯網。

鋼筋梯：規(guī)格為φ14 mm×4 900 mm（7 個眼）、φ14 mm×1 700 mm（3 個眼）。

錨索：拱頂正中布置1 根錨索，兩肩窩各1根，規(guī)格φ17.8 mm×6 500 mm，錨索與錨桿錯排布置，錨索預緊力不低于120 kN。

錨索錨固劑：每根錨索采用1 支MSCK2535 及2 支MSK2550 樹脂錨固劑端頭錨固。

恒阻裝置：恒阻裝置直徑88 mm，長度500 mm，讓壓距離300 mm，讓壓噸位350 kN。

恒阻器擴孔：采用φ95 mm 的鉆頭擴孔。

2.2.2 兩幫支護

錨桿：每排6 根（兩幫每側各3 根），采用φ20 mm×2 400 mm 高強無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，間排距800 mm×800 mm；錨桿螺母安裝扭矩不低于160 N·m，安裝讓壓管，單泡，讓壓載荷180 kN。

錨桿錨固劑：每根錨桿采用1 支MSK2550 樹脂錨固劑和1 支MSCK2535 樹脂錨固劑錨固，拉拔力不低于80 kN；幫部錨桿外用配套鐵托盤、螺母緊固。

網片：采用2 500 mm×1 000 mm 菱形網。

鋼筋梯：規(guī)格為φ14 mm×1 700 mm（3 個眼）、φ14 mm×850mm（2 個眼） 搭接，與拱部鋼筋梯搭接使用。

2.2.3 噴射混凝土

強度等級為C20，噴厚120 mm。

3 工程實踐

通過監(jiān)測-1150 水平軌道大巷錨桿錨索的受力情況，評價巷道圍巖的穩(wěn)定性與安全性，錨桿支護設計是否合理。在巷道左幫底角及幫部位置分別設置1、2 號錨桿測力計，在巷道正頂和右拱部位置設置3、4 號錨索測力計，測力計具體布置如圖4所示（畫圈位置即測力計）。

圖4 測力計布置示意Fig.4 Dynamometer layout

圖5 為該斷面錨桿錨索受力監(jiān)測圖，-1150 水平大巷整個斷面的受力分布規(guī)律如下。

巷道底板位置錨桿受力最小，幫部次之，正頂部錨索受力最大。經過60 d 連續(xù)監(jiān)測，錨桿錨索受力趨于穩(wěn)定。左幫錨桿受力達到93 kN，φ20 mm×2 400 mm 高強無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，錨桿的屈服載荷≥157 kN，破斷載荷≥210 kN，錨桿受力尚未達到屈服強度；錨索的破斷載荷355 kN，經過60 d 監(jiān)測，正頂錨索受力最大為201 kN，遠小于破斷強度，錨桿錨索受力尚未達到極限值，滿足要求。

圖5 錨桿錨索整體受力監(jiān)測Fig.5 Overall stress monitoring of anchor cable

4 安全評價

支持向量機（SVM） 是一種解決維數(shù)高、樣本小和非線性等問題的學習方法，可以處理多信息、多層次的復雜問題，但需要對其建立一個科學的指標體系供其學習和評價。對于巷道圍巖，是多種因素通過不同方式影響其穩(wěn)定性，結合安居煤礦-1150 水平軌道大巷實際情況和安全生產的要素做出圖6 的評價指標體系。

圖6 評價指標體系Fig.6 Evaluation index system

4.1 建立模型

通過使支持向量機的學習訓練，建立評級模型，對模型進行測試，比對測試結果，如果不正確，則加強學習訓練。建模過程：將收集的數(shù)據隨機分成訓練樣本和預測樣本，刪除錯誤數(shù)據，輸入訓練樣本，評價結果作為輸出，對其機械訓練，然后建立模型。將測試樣本放入剛建立的評價模型中，得到預測結果，與實際結果進行對比分析，檢查模型的預測情況。評價結果采用評價中常用的5級評分標準，將評價結果劃分為5 個等級，分別為1、2、3、4、5，定義為優(yōu)、良、合格、差、危險。

實現(xiàn)所需工具為matlab、訓練樣本、測試樣本。

支持向量機運行環(huán)境為matlab r2017a 版本，libsvm3.1 版本擴展包。

4.2 圍巖穩(wěn)定性評價

把待評價的項目輸入訓練好的支持向量機程序中，經過計算，輸出結果為2，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。樣本指標得分見表1。

5 結 語

針對-1150 水平軌道大巷復雜的應力環(huán)境，提出讓壓支護策略，并對錨桿錨索受力情況進行監(jiān)測。監(jiān)測結果表明，錨桿錨索受力尚未達到破斷強度，讓壓管未發(fā)生大變形，整體效果較好；對巷道圍巖的穩(wěn)定性進行安全評價，評價結果顯示圍巖處于穩(wěn)定狀況。

表1 樣本指標得分Table 1 Score of sample indicators