錨網噴、錨索聯合支護技術在深部巖巷中的應用

趙新慧，崔瑞環

(陽泉市燕龕煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000)

?

·技術經驗·

錨網噴、錨索聯合支護技術在深部巖巷中的應用

趙新慧，崔瑞環

(陽泉市燕龕煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000)

針對某礦1215工作面運料車場巷道圍巖在原支護系統下損壞嚴重的情況，分析了其變形破壞的形態和誘因，闡述了錨網噴、錨索聯合支護作用機理，提出了“長錨桿(索)+強金屬網+二次噴漿”的聯合支護方式，并應用于1215工作面運料車場巷道的擴刷工程中。經實踐檢驗，支護效果顯著，具有良好的推廣應用價值。

深部巖巷；變形破壞；聯合支護；巷道擴刷

我國煤炭賦存整體上埋藏較深，據調研統計，許多井工煤礦目前開采或開拓延伸深度已超過了800 m，甚至達到千米級，且開采深度以8～12 m/年的速度增加[1,2]. 深部巷道由于所處的地質條件復雜、地應力增大、破裂區的存在及圍巖軟化特性，其受力變形和破裂程度比淺部巷道要嚴重得多，這就對巷道圍巖支護技術提出了更高的要求[3,4].

1 工程概況

某礦井生產能力為150萬 t/年，屬于低瓦斯礦井，礦井開拓方式為立井雙水平(-650 m、-830 m)開拓，含可采煤層6層，主采2#和8#煤層。其中，1215工作面作為-650 m水平二采區的第5個生產工作面，埋深為786～839 m，平均812 m. 工作面位于-650 m軌道大巷以東，西邊為1623探巷，南部200 m為F23導水斷層?？紤]導水斷層的存在，北部40 m左右為F16斷層，綜合多種因素，工作面沿F16斷層布置，而作為連接-650 m軌道大巷和運料巷樞紐的運料車場，平行于水平大巷沿巖層掘進。由于-650 m軌道大巷與運料巷之間高差及F23導水斷層等既定地質條件的限制，加之運料絞車自身長度及行車條件的約束，運料車場并沒有將兩巷道以直線形式貫通，而是以折線方式，在距運料巷道口與等高線呈15°斜角方向，約60 m處交岔點匯合，全長為180 m的巖巷。在工作面運料車場掘進過程中揭露一條東西走向落差為7 m的F26-2正斷層，附近圍巖巖體破碎，承載能力較弱。

1215工作面運料車場巷道斷面形狀為直墻半圓拱，掘進規格寬5.0 m×高4.0 m，凈斷面14.96 m2. 原有支護采用較為傳統的樹脂全長錨固錨桿(d22 mm、長度為2.4 m的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm)和金屬網作為基本支護；后以d21.8 mm、L6.5 m的鋼絞線，采用樹脂藥卷錨固方式補強加固，方式較為單一，總體支護強度較弱，在掘進階段，巷道因受采動應力及斷層作用，錨桿已不能有效地阻止頂板下沉，曾多次發生破碎巖塊冒漏現象。投入使用后不久，兩幫圍巖變形，底鼓嚴重，錨桿彎曲、松動，托盤損壞、脫落，不得不重新擴刷。

2 巷道變形破壞原因

對于“三高一擾動”深部巷道環境，圍巖失穩破壞的影響因素有很多，主要包括圍巖強度、應力狀況及支護與圍巖的相互作用關系[5]. 通過分析工作面運料車場圍巖及支護體的礦壓顯現特征，可將其巷道變形破壞影響因素歸納為以下幾個方面：

1) 巷道埋深。

1215工作面運料車場埋深約815 m，原巖應力高達25.63 MPa，其承載上覆巖層的重量大，巖體內部積聚大量的彈性能，而且巷道的斷面尺寸較大，對采掘擾動影響及地應力場變化更為敏感，一旦巷道開挖卸壓，圍巖中的彈性能急劇釋放，易引起巷道圍巖擴容變形。

2) 地質構造。

地質構造的存在不僅會影響圍巖應力大小和方向，而且會破壞巖體的整體性和連續性，降低巖體強度，加劇巖層節理裂隙的擴展。工作面運料車場在連接-650 m大巷端口附近地段會受到導水斷層的影響，且在掘進過程中又遇到一斷層，整條巷道處于較多斷層區域，因構造應力的存在而加劇巷道破壞變形。

3) 圍巖物理力學性質。

1215工作面運料車場頂底板主要以粉砂巖和細砂巖為主，且周邊存在較多復雜斷層，在高應力作用下，圍巖巖體進入大變形軟化狀態，其抗剪、抗拉強度嚴重削弱，裂隙和弱面的啟裂、擴展、貫通以及分支裂紋的產生等劣化行為均會有所加劇。

4) 支護方式與支護結構。

深部巖體介質已進入到塑性、黏塑性和流變性的階段，傳統的淺部支護系統已不能與圍巖產生良好的耦合作用關系。深部高應力場中，常規的錨網支護較為被動地承載圍巖壓力，一旦變形超出其極限強度范圍，極易造成支護體的損壞而支護失敗。工作面運料車場原有支護形式單一、支護構建不配套，支護強度不足，亦未能充分發揮圍巖的自承能力，因此巷道支護體出現不同程度的破壞。

5) 施工工藝。

該巷道斷面為直墻拱形，由直墻和拱形弧段組成，在支護施工操作上相比矩形巷道更為復雜。錨桿鉆孔孔徑和角度的偏差，樹脂藥卷攪拌不均勻，托盤與巷道面傾斜接觸，螺母未擰緊等均會使錨桿預緊力達不到設計要求，而影響整體支護效果。

3 錨網噴、錨索聯合支護機理

1) 錨桿(索)承壓拱支護作用。

預應力錨桿錨入圍巖后，其兩端附近會形成錐形壓縮區，隨著巷道圍巖不斷外移變形，錨桿所受拉應力不斷加大，兩端錐形壓縮區不斷擴大后交融形成錨桿高壓支承區，見圖1. 相鄰錨桿間的支承區相互疊加，在靠近錨桿頂部附近形成低壓支承區，進而發展成一個連續壓應力承壓拱，共同承載著上部巖體的巨大載荷[6]. 同時，錨桿群承壓拱可將淺部處于松動圈內的塑性巖塊緊密束縛在深部完整巖體上，抑制淺部巖層離層、裂隙張開。

錨桿群支護形成的壓縮承載拱因現有錨桿長度的限制，其作用的有效圍巖深度相對較小。而錨索是以拉應力為主要受載方式的柔性支護體，通過錨索可將整個錨桿承壓拱與深部圍巖相連，既提高承載壓縮拱的穩定性，又使圍巖應力均勻擴散，減弱圍巖局部應力集中，從而充分發揮深部圍巖的自承能力，使得更大范圍的巖體共同承擔壓力。錨索支承區及疊加區雖然承載力較小，但范圍較廣，亦可在深部圍巖內形成一定承載力的組合壓縮拱，與錨桿群形成的承載壓縮拱組合成雙拱支護結構，主動控制圍巖，保證巷道圍巖的完整體。

圖1 錨桿(索)支護承壓拱示意圖

2) 噴層拱支護作用。

巷道開挖后及時噴層處理，可減弱圍巖巖體的潮解和風化作用，防止因圍巖膨脹變形而加劇巖體節理裂隙的擴展；同時高壓噴射混凝土，會使部分混凝土漿液滲入圍巖原生或次生裂隙中，起到膠結加固的效果，提高巷道圍巖的強度和穩定性[7]. 混凝土噴層拱外鋪設金屬網，使得拱形結構具有較高的抗彎剛度和強度，既可以限制圍巖產生較大變形，又可以利用噴層自身的柔韌性適度讓壓，減弱因圍巖變形施加在支護結構上的作用力，較好地協調支護結構與圍巖間的耦合作用[8,9]. 此外混凝土噴射往往不止一次，噴層固化后具有連續性和均勻性，保證了錨桿群形成的承壓拱具有良好傳遞外力的介質。

4 支護方案與參數的確定

經過論證，工作面運料車場巷道擴刷時，選用“長錨桿(索)+強金屬網+二次噴漿”聯合方式進行支護。

1) 錨桿長度及間排距。

錨桿是巷道淺部圍巖的骨架結構，合適的錨桿長度及間排距，能夠提高錨固區圍巖強度，形成承載能力大的承壓拱。錨桿長度可由式(1)確定：

(1)

式中：

l—錨桿長度，m；

l1—頂板離層位置到巷道頂的距離，m；

l2—錨桿有效錨固長度，m；

l3—錨桿外露長度，m.

錨桿支護密度可由經驗公式(2)計算得到：

(2)

式中：

e—每排錨桿間距，m；

n—每排錨桿數，根；

P—錨桿承載力，kN；

Ks—安全系數；

Q—載荷集中程度，kN/m.

根據相關規程資料，將工作面運料車場巷道支護及圍巖參數帶入式(1)、(2)可得錨桿參數如下：采用d22 mm螺紋鋼超強錨桿，長度3 000 mm，每排布置13根，間排距800 mm×800 mm，底角處錨桿與水平方向呈15°；錨桿預緊扭矩不小于480 N·m.

2) 頂錨索長度及間排距。

頂板錨索長度與巷道寬度、頂板巖性等密切相關，可由式(3)來確定：

(3)

式中：

L—錨索長度，m；

L1—錨索外露長度，m；

L2—錨索有效錨固長度，m；

L3—錨索端長度，m.

錨索有效錨固長度，經大量現場實驗結果驗證，可取經驗公式(4)：

L2=max[1.5a，∑hi]

(4)

式中：

a—巷道寬度，m；

∑hi—由巷道頂板到安全穩定層位間各巖層厚度之和，m；錨索外露長度取0.15～0.3，錨固端長度取0.5～1.

錨索間排距主要取決于錨固區圍巖的重量，可由經驗公式(5)計算：

(5)

式中：

b—錨索間距，m；

σt—錨索極限抗拉強度，MPa；

k—安全系數；

γ—圍巖平均容重，kN/m3.

將1215工作面運料車場尺寸及使用材料參數帶入式(3)、(4)、(5)中可得頂錨索參數：采用19股鋼絞線加強支護，d21.8 mm，長度8 500 mm，每排布置3根，間排距2 000 mm×1 600 mm，五花眼布置；錨索預緊力不小于140 kN.

3) 支護構件參數。

金屬網材質選用d6 mm冷拔絲鋼筋，網片規格1 200 mm×1 200 mm，每排布置12片；鋼筋梁d16 mm，長3 900 mm，每排布置4根；采用長2 800 mm的16號槽鋼進行連鎖，排距1 500 mm；托盤為拱形，保證托盤一面與錨桿垂直，一面緊貼巖面。

4) 噴層混凝土厚度。

混凝土噴層拱的作用在于阻止巷道淺部圍巖塑性區出現松動破裂，當圍巖塑性變形產生的壓力大于混凝土噴層拱極限抗剪強度時，混凝土噴層將發生剪切破壞[10]. 由剪切破壞理論可得混凝土噴層厚度：

(6)

式中：

d—混凝土噴層厚度，m；

k—安全系數；

Pi—巷道圍巖即將處于塑性狀態下作用在支護體上的壓力，MPa；

r0—巷道等效半徑，m；

τ—混凝土噴層抗剪強度，MPa.

代入相關參數得：采用強度等級為C20的混凝土進行噴漿，巷道擴刷后及時進行第一噴漿，噴層厚度50 mm；施錨掛梁網后進行第二次噴漿，噴層厚度為50 mm；每排噴漿量為1.96 m3.

整個巷道的支護參數和布置方式見圖2.

圖2 擴刷時的巷道支護方式示意圖

5 支護效果分析

為監測1215工作面運料車場擴刷后的支護效

果，分別在連接1215工作面運料巷交岔點附近區段、車場中部區段、連接-650 m軌道大巷交岔點附近區段，設置3個監測斷面，采用“十字”布點法測量巷道頂底板、兩幫的位移情況，見圖3，監測結果見圖4.

圖3 監測斷面布置圖

由圖4可知，3個測面巷道圍巖收斂量隨支護時間的變化趨勢基本相同。支護初期圍巖變形較快，隨著支護結構與圍巖逐漸耦合平衡，圍巖變形速度減緩，最終趨于平穩。從巷道圍巖收斂量看，運料車場交岔點附近區段圍巖變形量較車場中部稍大，頂板最大下沉量為59 mm，底板最大移近量為78 mm，兩幫最大相對移近量123 mm. 1215工作面運料車場維護期間未出現支護結構失效等嚴重礦壓現象，表明“長錨桿(索)+金屬網+二次噴漿”的聯合支護方案對深部巖巷的控制效果良好。

圖4 巷道表面位移量與時間關系曲線圖

6 結 語

礦井開采深度日趨加大，復雜的“三高一擾動”深部地下環境必然會造成更大強度的巷道圍巖破壞，給傳統的巷道圍巖支護方式帶來巨大挑戰。因此，加大對深部巷道圍巖變形破壞的致因、機理和動態過程的研究顯得尤為重要，在此基礎上，加強多學科交叉理論、方法與技術的融合，對深部巷道圍巖的支護方式與結構進行積極的探索創新，已成為深部煤炭資源安全高效開采保障系統中重要的一環。通過對該巷道擴刷過程中巷道支護方式的改進，有效促進了支護與圍巖之間的耦合作用，優化了巖體內部的應力分布狀況，明顯提高了巷道圍巖支護的穩定性，保障了礦井的安全生產。

[1] 李化敏,付 凱.煤礦深部開采面臨的主要技術問題及對策[J].采礦與安全工程學報,2006,23(4):468-471.

[2] 藍 航,陳東科,毛德兵.我國煤礦深部開采現狀及災害防治分析[J].煤炭科學技術,2016,44(1):39-46.

[3] 孫廣義,林井祥.深部巷道支護技術研究與實踐[J].煤礦開采,2010,15(1):54-57.

[4] 張廣超,何富連.深井高應力軟巖巷道圍巖變形破壞機制及控制[J].采礦與安全工程學報,2015,32(4):571-577.

[5] 曾正良.巷道變形破壞的因素及控制方法[J].煤炭技術,2008,27(4):141-143.

[6] 謝生榮,謝國強,何尚森,等.深部軟巖巷道錨噴注強化承壓拱支護機理及其應用[J].煤炭學報,2014,39(3):404-409.

[7] 史 玲.地下工程中噴層支護機理研究進展[J].地下空間與工程學報,2011,7(4):759-763.

[8] 侯 斌,劉永立.錨噴支護的特點及應用[J].煤炭技術,2008,27(6):54-55.

[9] 黃 偉,馬芹永,袁文華,等.深部巖巷錨噴支護作用機理及其力學性能分析[J].地下空間與工程學報,2011,7(1):28-32.

[10] 李大偉.軟巖巷道錨噴支護破裂分析與對策[J].河南理工大學學報,2007,26(6):641-646.

Application of Combined Support Technology with Bolt Mesh Spray and Anchor Cable in Deep Rock Roadway

ZHAO Xinhui, CUI Ruihuan

Aiming at the serious damage of the surrounding rock of the roadway in 1215 working face in a coal mine, the form and cause of the deformation and failure are analyzed. The mechanism of the combined support is introduced. The Long anchor (cable)+strong metal net+guniting joint support mode are applied to the roadway section-expansion engineering in the working face for material transportation. The practice shows remarkable effect in support with good value to promote in similar cases.

Deep rock roadway; Deformation and failure; Combined support; Roadway expansion

2017-03-02

趙新慧(1988—)，男，山西陽泉人，2010年畢業于山西煤炭職業技術學院，助理工程師，主要從事煤礦井下采掘技術管理工作

(E-mail)3410955640@qq.com

TD353

B

1672-0652(2017)05-0039-04