袁店一井煤礦深部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)失修巖巷綜合控制技術(shù)研究

杜 勇

(淮北礦業(yè)股份有限公司 袁店一井煤礦， 安徽 淮北 235000)

深部復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境下巷道圍巖穩(wěn)定性控制是目前制約深部煤炭資源智能、安全、高效開采的關(guān)鍵技術(shù)難題之一[1-4]。隨著煤礦開采深度增加，巷道支護(hù)難度越來越大，尤其是在高構(gòu)造應(yīng)力、強(qiáng)烈采動(dòng)影響和大埋深等環(huán)境的疊加作用影響下，巷道圍巖處于超高應(yīng)力環(huán)境，巷道圍巖穩(wěn)定性難以控制，常出現(xiàn)多次返修等情況[5-9]。針對(duì)袁店一井煤礦深部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)巖巷的工程條件，采用“高強(qiáng)錨注”的主動(dòng)支護(hù)技術(shù)對(duì)103采區(qū)軌道大巷進(jìn)行返修。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)深部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制方法開展了大量的研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[10-12]?？导t普等針對(duì)中國(guó)深部高地壓巷道圍巖，分析了巷道圍巖變形與破壞機(jī)理，提出了高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿一次支護(hù)理論[13-14]。王連國(guó)等基于長(zhǎng)期對(duì)深部軟巖巷道變形和破裂特征的監(jiān)測(cè)結(jié)果，提出了深-淺耦合全斷面錨注支護(hù)技術(shù)體系[15]。但是，現(xiàn)有的支護(hù)形式能夠提供的支護(hù)阻力有限，難以匹配適應(yīng)超高應(yīng)力環(huán)境下圍巖的大變形與破壞特征，導(dǎo)致井下支護(hù)失效現(xiàn)象頻繁發(fā)生，給礦井安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效造成了嚴(yán)重影響。

為此，本文分析“高強(qiáng)錨注”的主動(dòng)支護(hù)技術(shù)的效果，設(shè)計(jì)具體的“高強(qiáng)錨注”的主動(dòng)支護(hù)技術(shù)方案，在袁店一井煤礦103大巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并且進(jìn)行后續(xù)效果監(jiān)測(cè)。

1 工程地質(zhì)概況

袁店一井煤礦103采區(qū)平均煤厚4.3 m，10煤頂板以泥巖和細(xì)砂巖為主，屬?gòu)?fù)合頂板，底板主要為泥巖。根據(jù)生產(chǎn)揭露情況顯示，煤層頂板巖性變化較大。袁店一井103采區(qū)10#煤層頂板巖性及煤層厚度等厚線分布如圖1所示。

圖1 袁店一井103采區(qū)頂板巖性及煤層厚度等厚線分布圖

袁店一井103采區(qū)大巷由于受到高應(yīng)力、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、層理裂隙發(fā)育、圍巖強(qiáng)度低、強(qiáng)采動(dòng)等因素綜合作用影響，目前巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，局部地段圍巖收斂變形很大，具體表現(xiàn)為底鼓、底梁鼓起，側(cè)梁頂梁壓彎、扭曲、跪腿，漿皮炸裂，幫頂鼓出等，成為礦井安全生產(chǎn)重大隱患。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況(圖2)，總結(jié)出大巷的典型變形破壞形態(tài)如下：

1)巷道頂板下沉。頂板圍巖破碎，深部圍巖離層量大，頂板表現(xiàn)出整體下沉，最大下沉量可達(dá)0.5 m以上。

2)巷道底臌變形。主要表現(xiàn)為剪切錯(cuò)動(dòng)性特征，最大底臌量約0.4 m。

3)兩幫變形。巷幫部位產(chǎn)生明顯變形破壞。架棚支護(hù)時(shí)，拱架在偏壓情況下出現(xiàn)了失穩(wěn)和屈曲破壞。

4) 圍巖全斷面擠出。巷道圍巖頂板、底板和兩幫同時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈擠壓變形特征，斷面收斂嚴(yán)重，斷面收縮率近30%。

103采區(qū)軌道大巷前期掘進(jìn)時(shí)采用“錨網(wǎng)索噴注”支護(hù)方案，過斷層破碎段時(shí)采用“架棚+錨索梁+注漿”支護(hù)方案。由于巷道受高地應(yīng)力環(huán)境、高構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境、高采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境三者疊加而形成的超高應(yīng)力環(huán)境作用，導(dǎo)致巷道頂幫受壓變形，出現(xiàn)開裂、掉頂、底鼓現(xiàn)象，存在安全隱患，需進(jìn)行修復(fù)。

圖2 袁店一井103采區(qū)大巷典型變形破壞現(xiàn)場(chǎng)

2 巖巷高強(qiáng)錨注綜合控制數(shù)值模擬

針對(duì)袁店一井煤礦103軌道大巷深部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)巖巷圍巖控制難點(diǎn)，為最大程度提高超高應(yīng)力環(huán)境下破裂圍巖結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度，保持圍巖的完整性和穩(wěn)定性，綜合提出高強(qiáng)錨注綜合控制技術(shù)方案，利用FLAC3D軟件建立巷道三維精細(xì)化數(shù)值模型，如圖3所示。模型中錨桿(索)布置及力學(xué)性能參數(shù)見表1。

圖3 袁店一井103巖巷三維精細(xì)化數(shù)值模型

表1 高強(qiáng)錨注綜合控制技術(shù)方案數(shù)值模擬參數(shù)

圖4給出了強(qiáng)力錨固約束支護(hù)與無支護(hù)條件下巷道塑性區(qū)分布云圖。從圖中可以得出以下結(jié)論：

1)在采用強(qiáng)力錨固約束控制方案支護(hù)后，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍減小了64.7%，兩幫塑性區(qū)范圍減小了66.7%，巷道圍巖完整性得到了極大提高。

n表示在當(dāng)前循環(huán)中出現(xiàn)；p表示在以前循環(huán)中出現(xiàn)。圖4 不同支護(hù)方式下巷道圍巖塑性區(qū)云圖

2)采用強(qiáng)力錨固約束控制方案支護(hù)后，巷道頂板塑性區(qū)范圍與錨桿長(zhǎng)度接近，但遠(yuǎn)小于錨索長(zhǎng)度，此時(shí)錨桿仍能起到一定支護(hù)作用，錨索可完全發(fā)揮作用。

采用沉管法成孔，成孔順序由外向里間隔1孔進(jìn)行，應(yīng)注意避免因震動(dòng)擠壓造成相鄰孔縮孔或坍塌，樁管上用紅油漆畫醒目的橫線，保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求深度。樁孔重心點(diǎn)的偏差不超過樁距設(shè)計(jì)值的5%，樁孔垂直度偏差應(yīng)小于1.5%。樁孔直徑允許偏差不超過設(shè)計(jì)值-20mm。樁長(zhǎng)允許偏差+0.5m，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)成孔孔徑、孔深及樁位偏差做好詳細(xì)記錄。

圖5給出了強(qiáng)力錨固約束支護(hù)與無支護(hù)條件下巷道位移分布云圖，圖6給出了兩種情況下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出：

1)在采用強(qiáng)力錨固約束控制方案支護(hù)后，頂板最大位移為58.9 mm，減小了92.3%，底板最大位移113.6 mm，減小了80.7%，兩幫最大位移為50.8 mm，減小了92.2%，巷道斷面移近率大大減小。

2)無支護(hù)時(shí)，在距離巷道幫部9.0～11.0 m處垂直應(yīng)力達(dá)到峰值，其值為72.4 MPa，這是由于巷道周圍塑性破壞區(qū)范圍較大，圍巖承載能力較差，導(dǎo)致應(yīng)力向更深處轉(zhuǎn)移，且更加集中；采用強(qiáng)力錨固約束控制方案支護(hù)后，在距離巷道幫部2.5～3.0 m處垂直應(yīng)力達(dá)到峰值，其值為36.7 MPa，這是由于強(qiáng)力錨固約束控制后，巷道圍巖完整性較好，圍巖具有很好的承載能力。

圖5 不同支護(hù)方式下巷道圍巖位移分布云圖

圖6 不同支護(hù)方式下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖7 巷道錨桿錨索軸力分布云圖

圖7給出了巷道采用強(qiáng)力錨固約束控制方案支護(hù)后錨桿錨索軸力云圖。從圖中可以得出以下結(jié)論：

1)錨桿最大軸力為201 kN，錨索最大軸力為416 kN，錨桿(索)最大軸力均出現(xiàn)在巷道頂部位置。

2)錨桿、錨索軸力與破斷載荷均有一定差距，錨桿(索)起到了很好的圍巖控制作用。

3 工程實(shí)踐

根據(jù)巷道變形破壞的實(shí)際情況，結(jié)合理論分析與數(shù)值計(jì)算結(jié)果，采用“高強(qiáng)錨注”的主動(dòng)支護(hù)理念與思想，經(jīng)研究決定采用以“高強(qiáng)螺紋鋼錨桿+單體大直徑強(qiáng)力錨索+鋼筋網(wǎng)+M型鋼帶+噴漿”為核心的強(qiáng)力錨固約束控制技術(shù)以及以“中空注漿錨桿+中空注漿錨索+水泥漿液注漿”為核心的錨注一體化補(bǔ)強(qiáng)約束控制技術(shù)對(duì)103采區(qū)軌道大巷進(jìn)行返修，巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 袁店一井煤礦103采區(qū)軌道大巷修復(fù)加固支護(hù)結(jié)構(gòu)

袁店一井煤礦103采區(qū)軌道大巷超高應(yīng)力環(huán)境下破裂圍巖“高強(qiáng)錨注”綜合控制系統(tǒng)主要包括強(qiáng)力錨固約束控制技術(shù)以及錨注一體化補(bǔ)強(qiáng)約束控制技術(shù)兩個(gè)方面。具體的支護(hù)參數(shù)如下。

1)以“高強(qiáng)螺紋鋼錨桿+單體大直徑強(qiáng)力錨索+鋼筋網(wǎng)+M型鋼帶+噴漿”為核心的強(qiáng)力錨固約束控制技術(shù)參數(shù)：①錨桿支護(hù)參數(shù)。錨桿采用φ22×3 000 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×650 mm；每排布置15根錨桿。②錨索支護(hù)參數(shù)。錨索選擇φ21.6×6 200 mm的高強(qiáng)度大直徑鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索，間排距為1 600 mm×2 600 mm；每排布置5根錨索。

2)以“中空注漿錨桿+中空注漿錨索+水泥漿液注漿”為核心的錨注一體化補(bǔ)強(qiáng)約束控制技術(shù)參數(shù)：①注漿錨桿支護(hù)參數(shù)。采用中空螺紋注漿錨桿，注漿錨桿規(guī)格為φ25×2 500 mm，間排距1 500 mm×2 600 mm，每個(gè)斷面布置5根。②注漿錨索支護(hù)參數(shù)。采用中空注漿錨索，規(guī)格為φ22×7 000 mm，間排距1 600 mm×2 600 mm，每排布置3根。③注漿參數(shù)。注漿材料選擇普通水泥漿液(水灰比為1∶1)，為防止壓力過大造成圍巖破壞，注漿錨桿的注漿壓力不超過3.0 MPa，注漿錨索注漿壓力不超過5.0 MPa。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，按照設(shè)計(jì)方案清除危巖活石，刷擴(kuò)斷面至要求尺寸，并支護(hù)、注漿、噴漿。巷道修復(fù)支護(hù)施工如圖9所示。

圖9 袁店一井煤礦103采區(qū)軌道大巷支護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果監(jiān)測(cè)與分析

袁店一井103采區(qū)軌道大巷幫部、拱頂、底角的注漿量見表2。從表中可以看到，巷道幫部注漿量較大，平均2.5袋水泥；其次是底角，平均2.0袋水泥；拱頂注漿量相對(duì)較少，平均1.5袋水泥。水泥漿液隨圍巖裂隙發(fā)育程度不同其擴(kuò)散半徑變化較大，一般擴(kuò)散范圍在1.2 m以上。通過水泥漿液的黏結(jié)補(bǔ)強(qiáng)、充填密實(shí)、網(wǎng)絡(luò)骨架等作用，能夠有效提高破碎圍巖強(qiáng)度與承載能力，保障圍巖的穩(wěn)定。

表2 袁店一井煤礦103采區(qū)軌道大巷注漿量統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：袋/孔

袁店一井煤礦103采區(qū)軌道大巷修復(fù)加固完畢后，為評(píng)價(jià)巷道修復(fù)后的穩(wěn)定性狀況，采用 “十”字布點(diǎn)法開展巷道表面位移監(jiān)測(cè)，如圖10所示，得到頂板下沉量、底鼓量及幫位移。

圖11給出了袁店一井煤礦103采區(qū)典型監(jiān)測(cè)斷面的表面位移觀測(cè)曲線。從圖中可以得出：在觀測(cè)時(shí)間為55 d時(shí)，1#觀測(cè)點(diǎn)處頂?shù)装逡平繛?3.1 mm，兩幫移近量為24.2 mm；2#觀測(cè)點(diǎn)處頂?shù)装逡平繛?3.9 mm，兩幫移近量為29.5 mm。因此，本文提出的超高應(yīng)力環(huán)境下破裂圍巖“高強(qiáng)錨注”綜合控制對(duì)策實(shí)施后，圍巖變形速度得到了有效控制，圍巖比較穩(wěn)定，有力地保障了礦井安全高效生產(chǎn)。

圖10 “十”字布點(diǎn)法巷道表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖11 袁店一井煤礦103采區(qū)典型監(jiān)測(cè)斷面的表面位移觀測(cè)曲線

5 結(jié)論

本文提出深部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)巖巷圍巖“高強(qiáng)錨注”綜合控制技術(shù)方案，對(duì)“高強(qiáng)錨注”綜合控制系統(tǒng)中的高強(qiáng)度錨桿支護(hù)、強(qiáng)力錨索支護(hù)、水泥漿液注漿加固等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，并以袁店一井煤礦103采區(qū)軌道大巷等典型的深部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)失修巖巷作為工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)，開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與礦壓監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)了相關(guān)技術(shù)方案的工程應(yīng)用效果，得到以下結(jié)論：

1)針對(duì)深部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)巖巷圍巖控制難點(diǎn)，提出了高強(qiáng)錨注綜合控制系統(tǒng)來保持圍巖的完整性和穩(wěn)定性，最大程度提高超高應(yīng)力環(huán)境下破裂圍巖結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度。高強(qiáng)錨注綜合控制系統(tǒng)主要包括以“高強(qiáng)螺紋鋼錨桿+單體大直徑強(qiáng)力錨索+鋼筋網(wǎng)+M型鋼帶+噴漿”為核心的強(qiáng)力錨固約束控制技術(shù)和以“中空注漿錨桿+中空注漿錨索+水泥漿液注漿”為核心的錨注一體化補(bǔ)強(qiáng)約束控制技術(shù)。

2)基于袁店一井煤礦103軌道大巷的具體工程地質(zhì)條件，利用FLAC3D軟件建立了典型巖巷高強(qiáng)錨注綜合控制技術(shù)方案的數(shù)值計(jì)算模型，分析了強(qiáng)力錨固約束支護(hù)技術(shù)方案以及錨注一體化補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響，經(jīng)過強(qiáng)力錨固約束控制與錨注一體化補(bǔ)強(qiáng)約束控制技術(shù)強(qiáng)化巷道支護(hù)后，巷道斷面移近率得到了有效控制，巷道圍巖穩(wěn)定性良好。

3)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案實(shí)施以后，系統(tǒng)開展了巷道錨桿工作載荷測(cè)試、注漿量與注漿效果分析、巷道變形監(jiān)測(cè)分析等。結(jié)果表明：①巷道幫部注漿量較大，其次是底角，拱頂注漿量相對(duì)較少，漿液擴(kuò)散半徑隨圍巖裂隙發(fā)育程度不同變化較大，一般在1.2 m以上；通過水泥漿液黏結(jié)補(bǔ)強(qiáng)、充填密實(shí)、網(wǎng)絡(luò)骨架等作用，能夠有效提高破碎圍巖強(qiáng)度與承載能力，保障圍巖的穩(wěn)定；②觀測(cè)期內(nèi)圍巖最大移近量不超過35 mm，總體變形量較小，圍巖比較穩(wěn)定，初步證明了本文提出的超高應(yīng)力環(huán)境下破裂圍巖“高強(qiáng)錨注”綜合控制對(duì)策與技術(shù)參數(shù)的適用性和有效性，為礦井安全高效生產(chǎn)提供了有力的保障。