大深度礦井圍巖破壞分析及支護(hù)工藝研究

李 鵬

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭前灣煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

隨著煤礦綜采作業(yè)深度的不斷增加，井下巷道圍巖處于高應(yīng)力集中區(qū)域，在進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使圍巖集聚的應(yīng)力釋放出來，同時(shí)在開采擾動(dòng)和地壓沖擊的作用下使圍巖的特性發(fā)生轉(zhuǎn)變，從脆性轉(zhuǎn)向塑性，且具有更高的流變特性，極易導(dǎo)致巷道圍巖的變形、垮塌，嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)的速度和安全性。傳統(tǒng)的以錨、網(wǎng)、索為主的支護(hù)方案無法滿足大深度礦井下巷道的支護(hù)安全性需求。

在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合大深度礦井的實(shí)際地質(zhì)情況，本文對(duì)巷道圍巖破壞的因素進(jìn)行了簡單的分析，在此基礎(chǔ)上提出了以改善圍巖狀態(tài)為主，以高應(yīng)力錨桿支護(hù)為輔的聯(lián)合加強(qiáng)控制方案，通過注漿加固技術(shù)將破碎的圍巖結(jié)合起來，提升其自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，通過高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿支護(hù)的方式進(jìn)一步提升巷道在地壓沖擊作用下的穩(wěn)定性，不僅簡化了支護(hù)結(jié)構(gòu)、提升了支護(hù)效率，而且極大的提升了巷道圍巖的穩(wěn)定性，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新的支護(hù)方式能夠?qū)㈨敯遄冃瘟拷档?5.5%以上，將巷道兩幫變形量減少64.1%，對(duì)提升大深度礦井掘進(jìn)作業(yè)的安全性具有十分重要的意義。

1 圍巖破壞原因分析

以大深度礦井為研究對(duì)象，其綜采深度約1260 m，利用井下小孔徑水壓致裂地應(yīng)力監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)井下巷道內(nèi)的地應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明井下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均大于30 MPa，在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力分布中以水平應(yīng)力分布為主，構(gòu)造應(yīng)力場分布較為廣泛，圍巖均處在高應(yīng)力分布條件下。利用鉆孔測(cè)試的方案對(duì)井下巷道圍巖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果表明深井內(nèi)的圍巖強(qiáng)度波動(dòng)較大，這主要是由于賦層越深巖層的變化越明顯，因此導(dǎo)致圍巖內(nèi)的應(yīng)力作用分布極不均勻，井下巖石多呈破碎狀，使穩(wěn)定性極差。綜上分析大深度礦井圍巖破壞的主要原因是井下圍巖破碎度高、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，在高應(yīng)力作用下極易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。巷道圍巖取樣分析如圖1所示[1]。

圖1 井下圍巖采樣結(jié)果

2 井下聯(lián)合支護(hù)

針對(duì)井下圍巖破壞原因，并依據(jù)主動(dòng)支護(hù)的原則[2]，充分考慮井下巷道支護(hù)效率和經(jīng)濟(jì)性的需求，提出了采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)+井下注漿加固的方案。

在進(jìn)行頂板支護(hù)時(shí)錨桿選用高強(qiáng)度的錨桿，其規(guī)格為Φ22 mm×2400 mm，在進(jìn)行錨固時(shí)采用樹脂加長錨固的方案，整個(gè)錨固的長度不低于1800 mm，利用W型鋼板作為側(cè)幫防護(hù)，利用加密的鋼筋護(hù)網(wǎng)作為上側(cè)防護(hù)，各個(gè)錨桿之間的排距按照800 mm來布置，每排錨桿的設(shè)置數(shù)量為10～16個(gè)，錨桿固定時(shí)的預(yù)緊力為150 kN。

為了提高支護(hù)效率，錨索安裝時(shí)的錨索孔和注漿孔共用，注漿完成后再設(shè)置錨索，提高施工效率。錨索選擇規(guī)格為Φ22 mm×4300 mm的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力剛絞線，一根19股布置結(jié)構(gòu)，每根錨索采用樹脂藥卷進(jìn)行錨固，錨固的長度不低于1800 mm，各個(gè)錨索之間的排距設(shè)置為800 mm，每排錨索的設(shè)置數(shù)量為5根，錨索固定時(shí)的預(yù)緊力設(shè)置為250 kN，設(shè)置完成后對(duì)錨索進(jìn)行全尺寸錨固。

在進(jìn)行底板支護(hù)時(shí)，同樣采用錨固+注漿支護(hù)的形式[3]。為了減少井下物料種類、提高作業(yè)效率，錨索同樣選用規(guī)格為Φ22 mm×4300 mm的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力剛絞線，一根19股布置結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)一步提升抗變形能力，在錨索的端部設(shè)置了繩套，在錨固區(qū)域下側(cè)設(shè)置固定結(jié)構(gòu)提高巷道底板對(duì)錨索的固定力。底板上的錨索孔同樣和注漿孔共用，直徑為50 mm，在固定時(shí)，首先利用樹脂錨固劑進(jìn)行固定，對(duì)錨索進(jìn)行張緊力設(shè)置，然后對(duì)全段進(jìn)行水泥注漿錨固，各個(gè)錨索的距離按1000 mm×1000 mm布置，錨索均應(yīng)和底板垂直。

在進(jìn)行錨固的過程中，需要充分的考慮注漿料的流動(dòng)性和凝固速度，經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，最終選擇硅酸鹽水泥作為注漿料，水灰比按0.7∶1.0，注漿時(shí)的壓力設(shè)置為13 MPa，注漿時(shí)采用分層注漿方案，確保漿液能夠充分滲入到圍巖裂縫內(nèi)并完成凝固[4]。該聯(lián)合支護(hù)方案具有結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)化效果好、支護(hù)效果好的優(yōu)點(diǎn)，巷道井下綜合支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 井下巷道綜合支護(hù)圖（mm）

3 應(yīng)用效果分析

為了對(duì)該綜合支護(hù)方案的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，在相同的巷道內(nèi)，分別對(duì)無支護(hù)、單純注漿加固及高強(qiáng)度錨桿支護(hù)+井下注漿加固的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同支護(hù)效果情況下圍巖變化情況

由圖3可知，在無支護(hù)的情況下，井下巷道內(nèi)頂板的最大形變量約為782 mm，采用注漿加固后巷道頂板的最大變形量約為445 mm，采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)+井下注漿加固的情況下巷道頂板的形變量僅為270 mm，由此可知，比無巷道支護(hù)情況下的變形量降低了65.5%。

在無支護(hù)的情況下，井下巷道內(nèi)兩幫的最大形變量約為778 mm，采用注漿加固后巷道兩幫的最大形變量約為460 mm，采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)+井下注漿加固的情況下巷道兩幫的最大形變量僅為280 mm，由此可知，比無巷道支護(hù)情況下的變形量降低了64.1%。

4 結(jié)論

針對(duì)大深度礦井地壓沖擊大、巷道變形嚴(yán)重的現(xiàn)狀，在對(duì)井下圍巖破壞原因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的支護(hù)工藝，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）大深度礦井圍巖破壞的主要原因是井下圍巖破碎度高、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，在高應(yīng)力作用下極易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

2）以硅酸鹽水泥作為注漿料，水灰質(zhì)量比按0.7∶1.0設(shè)置，注漿時(shí)的壓力按13 MPa設(shè)置，注漿時(shí)采用分層注漿方案，能夠最大程度上確保漿液充分滲入到圍巖裂縫內(nèi)并完成凝固。

3）新的支護(hù)方式能夠?qū)㈨敯逍巫兞繙p少65.5%以上，將兩幫形變量減少64.1%，對(duì)提升大深度礦井掘進(jìn)作業(yè)的安全性具有十分重要的意義。