陳蠻莊煤礦深井軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐

趙 浩

（山東能源肥城礦業(yè)集團(tuán)，山東 菏澤 274300）

0 引言

深井巷道支護(hù)是采礦界公認(rèn)的難題，隨著開采深度的不斷增加，我國(guó)東部煤礦相繼進(jìn)入了深井開采階段，由于原巖應(yīng)力水平不斷提高，當(dāng)采深超過圍巖軟化臨界深度后，圍巖將產(chǎn)生大范圍的塑性區(qū)、破碎區(qū)，因此深井高應(yīng)力復(fù)雜條件下的頂板災(zāi)害和巷道支護(hù)已成為當(dāng)前和今后長(zhǎng)期影響煤礦安全生產(chǎn)和效益的重大技術(shù)難題，并伴隨著礦井采深的持續(xù)增加而越發(fā)突出和嚴(yán)重。

肥城礦業(yè)集團(tuán)陳蠻莊煤礦開采深度大于900 m，隨著開拓延伸，圍巖控制難度逐漸增加，尤其是3800采區(qū)軌道下山受開采深度、圍巖弱結(jié)構(gòu)、高圍巖巖石特性、巖層傾角大、巖層節(jié)理發(fā)育等多重因素影響，圍巖松散破碎程度進(jìn)步加劇，巷道持續(xù)出現(xiàn)變形情況，嚴(yán)重制約礦井生產(chǎn)接續(xù)，生產(chǎn)成本增加。

1 3800軌道下山生產(chǎn)地質(zhì)條件

陳蠻莊煤礦3800采區(qū)軌道下山巖層整體為單斜構(gòu)造，巖層傾角18°～26°之間，平均23°，巷道為穿層全巖巷道，局部揭露3下1及3下2煤層。巷道整體布置在3上煤底板以下7～40 m之間，平均23.5 m，直接頂為f=2～3的泥巖，基本頂為f=3～4的粉砂巖。其主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 3800軌道下山圍巖力學(xué)指標(biāo)

2 3800軌道下山變形原因分析

1）3800軌道下山開采深度為-836～-1145 m，巷道埋深較大，原巖應(yīng)力高，且圍巖結(jié)構(gòu)存在滑面接觸、垂直裂隙發(fā)育，盡管巖層強(qiáng)度高但其整體性較差；與此同時(shí)巷道掘進(jìn)后受大埋深、大傾角影響，圍巖表面應(yīng)力釋放明顯，導(dǎo)致巷道表面成形差（巷道表面不平整），支護(hù)相對(duì)困難。

2）巖層傾角較大，巷道圍巖應(yīng)力分布及變形特征呈現(xiàn)出明顯的非均稱性，導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)與支護(hù)體之間不協(xié)調(diào)變形，極易呈現(xiàn)圍巖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位首先破壞，引發(fā)巷道整體失穩(wěn)的變形破壞特征（見圖1）。

圖1 大傾角作用下圍巖呈現(xiàn)非對(duì)稱變形模擬圖

3 巷道支護(hù)形式確定

3.1 支護(hù)形式

綜合巷道原巖應(yīng)力高，圍巖穩(wěn)定性差，服務(wù)年限長(zhǎng)等特點(diǎn)，在圍巖穩(wěn)定性較好情況下采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)；圍巖較破碎或圍巖穩(wěn)定性較差情況下采用綜合錨注支護(hù)形式，即在錨網(wǎng)索噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道底板及壁后進(jìn)行注漿，提高巷道支護(hù)強(qiáng)度。

3.2 支護(hù)參數(shù)

3800軌道下山頂板層理狀發(fā)育，煤巖層層理之間多為滑面接觸，拉應(yīng)力區(qū)極易使層面之間產(chǎn)生離層；隨著后期錨桿受力的增大，拉應(yīng)力也逐漸增大，影響范圍也將逐步增大，拉應(yīng)力區(qū)的離層一旦溝通，將出現(xiàn)較大巷道變形，此時(shí)其控制難度大（見圖2）。通過綜合分析、研究，對(duì)3800軌道下山巷道支護(hù)按照“梯度支護(hù)”原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，即采用“錨桿+短錨索+長(zhǎng)錨索”的方式進(jìn)行支護(hù)。通過短錨索控制錨桿支護(hù)離層或者裂隙的擴(kuò)展，對(duì)巖層擠壓加固；長(zhǎng)錨索通過懸吊作用，保證支護(hù)體的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖2 錨桿錨固段及一定范圍內(nèi)拉應(yīng)力作用圖

3.2.1 錨桿

巷道頂幫錨桿均采用Q600號(hào)鋼制作的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力左旋無縱筋錨桿，在粉砂巖中錨桿力可達(dá)到120 kN，根據(jù)巷道開掘?qū)挾?.5 m，錨桿錨入相對(duì)穩(wěn)定巖層深度不低于0.7 m，取錨桿長(zhǎng)度為2.8 m；根據(jù)錨桿錨固力要求并結(jié)合施工地點(diǎn)條件，取錨桿直徑為22 mm；同時(shí)根據(jù)錨桿錨固力、松動(dòng)圈厚度（H=1.5 m），錨桿間排距為0.8 m（L1）×0.8 m（L2），按照懸吊理論對(duì)安全系數(shù)K進(jìn)行驗(yàn)算:

式中：F為錨桿錨固力，F(xiàn)=120 kN；H為圍巖松動(dòng)圈厚度；r為巖石容重，r=25 kN/m3；L1、L2為錨桿間排距0.8 m×0.8 m。

錨桿托盤采用錳鋼制作的蝶形托盤，托盤尺寸為長(zhǎng)×寬×厚=200 mm×200 mm×15 mm，托盤弧高為25 mm。

圖3 “梯度支護(hù)”設(shè)計(jì)原理

3.2.2 錨索

3800軌道下山巷道頂幫均施工錨索，錨索取直徑21.6 mm的1×19芯鋼絞線制作錨索，鋼絞線強(qiáng)度1 860 MPa，錨索具體參數(shù)如下：

確定錨索長(zhǎng)度：

式中：L為錨索總長(zhǎng)度；La為錨索深入到穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度，m；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取1.3 m；L c為托盤及錨具的厚度，取0.12 m；Ld為需要外露的漲拉長(zhǎng)度，取0.25 m

按G B86-1985要求，錨索固定長(zhǎng)度La按式（3）確定：

式中：K為安全系數(shù)，取K=2；dl為錨索鋼絞線直徑，取21.6 mm；Fa為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，N/mm3（1 860 MPa，合1 860 N/mm3）；Fc為錨索與錨固劑的粘合強(qiáng)度，取10 N/mm3。

則L=2.0+1.3+0.12+0.25=3.67 m，根據(jù)計(jì)算并結(jié)合“梯度支護(hù)”原理，短錨索長(zhǎng)度取4.3 m，長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度取6.3 m，錨索間排距為1 800 mm×1 600 mm。錨索托盤采用錳鋼制作的蝶形托盤，托盤尺寸為長(zhǎng)×寬×厚=300 mm×300 mm×160 mm，托盤弧高為35 mm。

3.3 錨桿差異化錨固

高強(qiáng)錨桿采用一塊MSC K a2335型超快錨固劑和一塊MS M2350型慢速錨固劑進(jìn)行錨固，前端超快型樹脂錨固劑在安裝攪拌開始后首先凝固，起到夾持錨桿桿體、阻止桿體旋轉(zhuǎn)、打開螺母阻尼塞的作用；后部慢速樹脂錨固劑凝膠時(shí)間較長(zhǎng)，在對(duì)錨桿施加預(yù)應(yīng)力后，再凝膠錨固，可以起到讓錨桿達(dá)到錨固力，防止錨桿失錨的作用，同時(shí)能夠充分錨桿抗與讓的作用。

3.4 錨網(wǎng)

采用有柔性、抗腐蝕、有強(qiáng)度的菱形編織網(wǎng)替代原冷拔鋼筋網(wǎng)，并采用勾連工藝（即錨網(wǎng)均為兩邊敞開、兩邊閉合,相鄰錨網(wǎng)敞開一邊與另一錨網(wǎng)閉環(huán)便可以相互勾聯(lián)），提高錨網(wǎng)護(hù)表強(qiáng)度與護(hù)表能力，并將錨桿打設(shè)于錨網(wǎng)勾聯(lián)處，使整個(gè)巷道的錨桿與金屬網(wǎng)聯(lián)結(jié)成一個(gè)有機(jī)整體。

3.5 圍巖穩(wěn)定較差情況下全斷面注漿加固

3.5.1 全斷面注漿加固的主要作用如下

1）在高應(yīng)力作用的巷道掘進(jìn)后，表面應(yīng)力釋放產(chǎn)生的裂隙，通過注漿加固恢復(fù)表面圍巖強(qiáng)度。

2）在裂隙或者離層導(dǎo)通時(shí)，通過注漿加固能夠?qū)崿F(xiàn)錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)的全長(zhǎng)錨固，一旦后期受采動(dòng)影響，將能保證支護(hù)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3）底板注漿加固能有效緩解巷道底鼓，同時(shí)通過注漿體對(duì)層理及裂隙的注漿加固充填，能起到隔水作用，可有效預(yù)防水對(duì)深部圍巖的弱化破壞。

4）對(duì)于軟巖或者高應(yīng)力巷道來講，裂隙或離層發(fā)育經(jīng)歷“完整-裂隙導(dǎo)通-彌合”的過程，水的影響裂隙的彌合速度會(huì)進(jìn)一步加快，所以在裂隙或者離層產(chǎn)生導(dǎo)通時(shí)進(jìn)行注漿加固非常重要。

3.5.2 確定注漿加固參數(shù)

注漿管采用無縫鋼管（4分管，壁厚3 mm）加工，注漿管規(guī)格為φ21 mm×3 000 mm，為保證施工方便，準(zhǔn)備部分φ21 mm×1 000 mm的短注漿管，以便在巷道十分破碎時(shí)使用（見圖4）。

圖4 3 m注漿管布置圖

注漿工藝：打設(shè)底板注漿孔安裝注漿管→底板注漿加固→打設(shè)頂板及兩幫注漿管→頂板及兩幫注漿加固。

注漿管采用無縫鋼管（4分管，壁厚3 mm）加工，注漿管規(guī)格為φ21 mm×3 000 mm（見圖5）。

圖5 3m注漿管結(jié)構(gòu)圖

1）打設(shè)底板注漿孔，安裝注漿管。先采用φ21 mm×3 000 mm注漿管進(jìn)行一次復(fù)注，按排距2 000 mm、間距1 600 mm布置；打注漿管時(shí)，注漿管一次打裝完成，打孔深度為5 m。注漿管垂直巖底板施工，兩側(cè)注漿管垂直傾角45°。

注漿管加工時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①滾絲長(zhǎng)度至少50 mm；②下部1.5 m注漿管，尾部斜切，同時(shí)加工2個(gè)垂直交錯(cuò)的布置小孔，φ6 mm左右；③連接套直徑可根據(jù)鉆孔大小選取，小于鉆孔直徑2 mm。

采用環(huán)氧樹脂材料+麻繩方式封孔，采用2級(jí)封孔：第1級(jí)位于連接套下部（下部注漿管端部），第2級(jí)在距離上部注漿管端部100 mm位置，封孔長(zhǎng)度大于300 mm，進(jìn)鉆孔中，并搗實(shí)。

2）底板注漿加固。注漿時(shí)，仍采用自下山下端向上端（或分段）進(jìn)行，且遵循先中間兩邊的注漿順序。

3）打設(shè)兩幫和頂板注漿孔，安裝注漿管。待底板注漿結(jié)束后再進(jìn)行兩幫和頂板注漿。采用φ21 mm×3 000 mm注漿管進(jìn)行第一次復(fù)注，按排距2 000 mm、間距1 600 mm布置；打孔深度可根據(jù)注漿量和注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整（根據(jù)實(shí)際情況定為3.5 m）；注漿管一次打裝完成，每施工完1根注漿管，必須及時(shí)封孔。注漿管垂直巖壁施工，兩底角注漿管垂直傾角45°。

4）兩幫和頂板注漿加固。在注漿過程中，如遇周圍有漏漿現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)采用水泥（加適量減水劑）漿體封堵；如果相鄰注漿管孔漏漿，則安裝球閥封堵。注漿的終壓控制在5 MPa。

5）注漿效果檢測(cè)。復(fù)注結(jié)束后每10 m布置1個(gè)檢測(cè)斷面，對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)注漿不充實(shí)在附近10 m范圍內(nèi)進(jìn)行復(fù)注。

巷道圍巖穩(wěn)定性較差時(shí)，采用全斷面錨網(wǎng)索噴和注漿加固技術(shù)，巷道承載結(jié)構(gòu)為多層組合拱（即巷道表面的錨網(wǎng)噴組合拱、高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿加固組合拱、錨索加固組合拱以及注漿擴(kuò)散形成的混凝土加固拱），各組合拱之間相互作用，能承載高徑向應(yīng)力荷載，保證巷道圍巖支護(hù)體系的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，見圖6。

圖6 全斷面錨網(wǎng)索噴+注漿加固原理圖

4 效果檢驗(yàn)

未驗(yàn)證支護(hù)效果，在3800軌道下山優(yōu)化支護(hù)段每50m設(shè)置了1組巷道表面位移觀測(cè)點(diǎn)，巷道位移測(cè)試儀器采用S MK-1型鋼環(huán)式收斂計(jì)，觀測(cè)周期安排：自巷道成型、安設(shè)測(cè)點(diǎn)日期起每天觀測(cè)1次，7天后每3天觀測(cè)1次，1個(gè)月后每周觀測(cè)1次，通過觀測(cè)巷道表面位移觀測(cè)，支護(hù)收縮量合適，巷道支護(hù)2個(gè)月后，巷道表面位移量趨于穩(wěn)定（巷道頂板最大位移量75 mm，幫部最大位移量120 mm，底板最大位移量90 mm），優(yōu)化后支護(hù)后支護(hù)強(qiáng)度滿足安全生產(chǎn)需要,有效控制了巷道變形。