高地應力松散破碎圍巖巷道支護技術(shù)研究

摘要：受高地應力影響，某煤礦3410工作面運輸巷圍巖變形破壞嚴重。通過分析圍巖破壞深度及機理，采用“錨桿+注漿錨索+金屬網(wǎng)+噴射混凝土+注漿管”的聯(lián)合支護方案。現(xiàn)場工程實踐表明，巷道最大頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠謩e為120 mm、115 mm，均在安全范圍內(nèi)，優(yōu)化后支護方案能夠保證巷道安全使用。

關(guān)鍵詞：高地應力；松散破碎圍巖；巷道；支護；注漿

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.020

Research on roadway support technology for loose and fractured surrounding rock under high ground stress

LI Lei

（CCTEG Chongqing Research Institute， Chongqing 400037， China）

Abstract： Affected by high ground stress， the surrounding rock of the transportation roadway in the 3410 working face of a certain coal mine is severely deformed and damaged. By analyzing the depth and mechanism of surrounding rock failure， a joint support scheme of “anchor rod + grouting anchor cable + metal mesh + sprayed concrete + grouting pipe is adopted”. On site engineering practice has shown that the maximum deformation of the top， bottom， and two sides of the roadway is 120 mm and 115 mm， respectively， both within the safe range， the optimized support scheme can ensure the safe use of the roadway.

Keywords： high ground stress; loose and fractured surrounding rock; roadway; support; grouting

隨著礦井開采深度的增加，巷道圍巖承受的應力逐漸增大，給巷道支護帶來一定困難[1-3]。巷道處于高地應力狀態(tài)下，塑性區(qū)范圍大，圍巖發(fā)生較大的變形破壞，出現(xiàn)支護錨桿和錨索斷裂、混凝土開裂等現(xiàn)象，嚴重威脅工作人員的生命安全[4-6]。以某煤礦3410工作面為研究對象，分析原“錨網(wǎng)索+U型鋼+噴射混凝土”支護方案失效原因，提出采用“錨桿+注漿錨索+金屬網(wǎng)+噴射混凝土+注漿管”的支護方案，現(xiàn)場工程實踐取得良好的支護效果，保證巷道圍巖的安全穩(wěn)定。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)特征

3410工作面埋深約為800 m，東側(cè)為采區(qū)軌道大巷，西側(cè)為礦井邊界，南側(cè)為3412工作面，北側(cè)為3016工作面采空區(qū)。3410工作面主采3號煤層，平均煤厚為4 m，平均傾角為3°。煤層頂板由泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖等構(gòu)成，底板由泥巖、中粒砂巖等構(gòu)成。3410工作面共揭露斷層12條，其中最大斷層落差為10 m。3410工作面為深部開采工作面，兩巷掘進后，受垂直應力及構(gòu)造應力等因素影響較大，圍巖變形破壞嚴重，影響施工進度。

1.2 原支護參數(shù)

3410工作面兩巷原采用“錨網(wǎng)索+U型鋼+噴射混凝土”的支護方式，以3410工作面運輸巷為例，分析原支護參數(shù)。支護材料有錨桿（螺紋鋼）、錨索（預應力）、金屬網(wǎng)（鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑6 mm）、U型鋼和混凝土（強度等級C20）。其中，錨桿直徑為20 mm，長度為2 000 mm，間排距為750 mm×750 mm；錨索直徑為18.9 mm，長度為7 500 mm，間排距為1 800 mm×1 800 mm；金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm；U型鋼支架型號為U29；混凝土噴射厚度為100 mm。

3410工作面運輸巷掘進后，受高地應力影響，出現(xiàn)錨桿和錨索斷裂、混凝土開裂等支護體失效問題，頂板及兩幫出現(xiàn)較大的變形破壞，最大頂板及兩幫變形量分別超過600 mm、1 000 mm，原支護參數(shù)已不能保證巷道圍巖穩(wěn)定性。因此，有必要優(yōu)化原支護參數(shù)，提高圍巖支護強度，避免巷道多次返修。

2 圍巖破壞機理

2.1 破壞深度

采用超聲探測儀對3410工作面運輸巷圍巖開展聲波測試，確定圍巖破壞范圍。在巷道頂板及兩幫布置4個10 m孔深探測孔，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，探測孔孔波呈現(xiàn)先增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢，4個探測孔達到穩(wěn)定狀態(tài)時，圍巖厚度分別為7.8 m、8.0 m、7.7 m和7.5 m。因此，可以確定巷道圍巖破壞深度約為8 m。

2.2 破壞機理

3410工作面運輸巷掘進前，煤巖體處于應力平衡狀態(tài)。巷道開挖使圍巖應力重新分布，泥巖、砂質(zhì)泥巖及煤層抗壓強度均在25 MPa以下，巖層承載能力低，受高地應力影響，圍巖出現(xiàn)塑性破壞[7-8]。同時，原支護體錨桿、錨索長度均在8 m以下，無法充分發(fā)揮錨固作用，破碎圍巖又進一步加劇錨固作用失效，造成巷道圍巖破碎嚴重。

3 支護方案優(yōu)化

3.1 方案設(shè)計

一是掘進后初期支護。巷道開挖后，受高地應力影響，圍巖易出現(xiàn)應力集中區(qū)，發(fā)生塑性變形破壞。掘進后，初期支護非常必要，避免圍巖過早出現(xiàn)塑性破壞。因此，掘進后需要立即打設(shè)錨桿和錨索，使支護體形成有效錨固力。二是長錨索。探測結(jié)果顯示，巷道圍巖破壞深度約為8 m，原支護錨索長度不足。因此，打設(shè)錨索長度應大于破壞深度，保證巷道圍巖穩(wěn)定。三是注漿加固。巷道圍巖強度低，易破碎，注漿加固能保證圍巖完整性，提高圍巖承載能力，避免支護體失效。根據(jù)巷道圍巖破碎原因及地質(zhì)條件[9-10]，提出采用“錨桿+注漿錨索+金屬網(wǎng)+噴射混凝土+注漿管”的支護方案。采取注漿管淺部注漿、注漿錨索深部注漿的聯(lián)合注漿措施，使破碎圍巖形成一個整體，提高圍巖承載力。

3.2 參數(shù)優(yōu)化

3410工作面運輸巷優(yōu)化后，分析支護參數(shù)。支護材料包括錨桿（螺紋鋼）、注漿錨索、注漿管、金屬網(wǎng)（鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑6 mm）和混凝土。頂板及兩幫的支護材料包括錨桿（螺紋鋼）、注漿錨索和注漿管。其中，錨桿直徑為22 mm，長度為2 500 mm，間排距為700 mm×700 mm；注漿錨索直徑為22 mm，長度為10 000 mm，間排距為1 400 mm×1 400 mm；注漿管直徑為26 mm，長度為2 500 mm，間排距為1 800 mm×1 800 mm。底板的支護材料包括錨桿（螺紋鋼）和注漿管。其中，錨桿直徑為22 mm，長度為2 500 mm，間排距為900 mm×700 mm；注漿管直徑為26 mm，長度為2 500 mm，間排距為1 500 mm×1 800 mm。底角的支護材料為注漿錨索，直徑為22 mm，長度為6 000 mm。金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm?；炷羾娚浜穸葹?00 mm。

4 支護方案優(yōu)化的數(shù)值模擬

采用FLAC 3D仿真計算軟件模擬3410工作面運輸巷優(yōu)化支護前后圍巖位移變化情況，驗證支護效果。建立規(guī)格為60 m×60 m×60 m的力學模型。巷道優(yōu)化支護前后圍巖位移變化情況如圖1所示。

由圖1可知，巷道采用原支護時，最大垂直位移和水平位移分別為925 mm、265 mm；優(yōu)化支護后，最大垂直位移和水平位移分別為75 mm、65 mm，相對于原支護，分別減少92%、75%。通過分析優(yōu)化前后巷道圍巖位移量可知，優(yōu)化支護后巷道圍巖變形量明顯減小，最大位移量均在安全范圍內(nèi)，優(yōu)化后的支護方案能夠保證巷道圍巖安全穩(wěn)定。

5 工程實踐

3410工作面運輸巷采用“錨桿+注漿錨索+金屬網(wǎng)+噴射混凝土+注漿管”支護后，采用十字布點法監(jiān)測巷道圍巖變形情況，驗證支護效果。在巷道布置5個監(jiān)測點，間距為50 m，在監(jiān)測的180 d內(nèi)，巷道最大頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠謩e為120 mm、115 mm。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，優(yōu)化后的支護方案能夠有效提高巷道圍巖承載能力，減小圍巖變形量，避免巷道來回返修，保證巷道的安全使用。

6 結(jié)論

3410工作面運輸巷受高地應力影響，原“錨網(wǎng)索+U型鋼+噴射混凝土”支護后，最大頂板及兩幫變形量分別超過600 mm、1 000 mm，巷道圍巖變形破壞嚴重，有必要對支護方案進行優(yōu)化。經(jīng)圍巖破壞深度及機理分析，采用“錨桿+注漿錨索+金屬網(wǎng)+噴射混凝土+注漿管”的聯(lián)合支護方式，通過加長錨索和深淺部耦合注漿等方式提高圍巖完整性及承載能力?，F(xiàn)場工程實踐表明，巷道最大頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠謩e為120 mm、115 mm，均在安全范圍內(nèi)，優(yōu)化后支護方案能夠保證巷道圍巖的安全穩(wěn)定。

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