滑動構(gòu)造影響下軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

李紅行 劉志鴻 徐偉偉 李憲振 劉玉衛(wèi)，3

（1.鄭州煤炭工業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河南省鄭州市，450042；2.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029；3.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054）

滑動構(gòu)造影響下軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

李紅行1劉志鴻1徐偉偉2李憲振1劉玉衛(wèi)1，3

（1.鄭州煤炭工業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河南省鄭州市，450042；2.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029；3.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054）

在分析了老君堂礦-20水平水倉地質(zhì)條件、巷道支護(hù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了滑動構(gòu)造影響下巷道失穩(wěn)破壞的原因，提出了高阻可縮全封閉U型鋼棚支護(hù)+壁后注漿+錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)穆?lián)合支護(hù)方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該支護(hù)方式取得了良好的支護(hù)效果。

滑動構(gòu)造 軟巖巷道 巷道支護(hù) 聯(lián)合支護(hù)

鄭煤集團(tuán)所轄的老君堂煤礦、大平煤礦、金龍煤礦、裴溝煤礦、告成煤礦等多對礦井均不同程度地受滑動構(gòu)造影響。這些滑動構(gòu)造的滑體都是自晚古生代的煤系及其上覆地層組成的，滑動面一般是沿山西組二1煤層發(fā)育，規(guī)模大小不等且形態(tài)各異。其中老君堂煤礦-20水平井底車場巷道受滑動構(gòu)造影響強(qiáng)烈，尤其是水倉圍巖變形難以得到有效控制，本文針對老君堂煤礦-20水平水倉在滑動構(gòu)造影響下的軟巖巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 地質(zhì)采礦條件

老君堂煤礦-20水平水倉布置在L8灰?guī)r及下部，受滑動地質(zhì)構(gòu)造影響，水倉圍巖巖性以泥質(zhì)巖體為主且極為破碎，且由于巷道圍巖長期受水體浸泡，水倉圍巖變形強(qiáng)烈，不僅造成水倉使用斷面難以得到有效保障，而且水倉底板的強(qiáng)烈臌起嚴(yán)重影響礦井的正常排水。水倉圍巖表現(xiàn)出典型的工程軟巖特征，巷道變形破壞方式多樣，初期變形速率大，圍巖破壞范圍大，對應(yīng)力擾動和環(huán)境變化非常敏感。

2 巷道原有支護(hù)狀況概述

-20水平水倉原支護(hù)方式采用錨網(wǎng)噴支護(hù)或架棚支護(hù)，在圍巖巖性以灰?guī)r為主的地段，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)巷道除局部噴層開裂外，巷道整體支護(hù)效果較好；但當(dāng)圍巖巖性以松散、破碎的泥巖或二1煤為主時，錨網(wǎng)噴支護(hù)和架棚支護(hù)均難以控制水倉圍巖的強(qiáng)烈變形，變形特征主要以兩幫強(qiáng)烈內(nèi)移和底臌為主，尤其是泥質(zhì)巖體遇水膨脹后，水倉圍巖產(chǎn)生顯著的塑性變形和流變，造成水倉幾經(jīng)修復(fù)仍然難以滿足使用斷面要求。

3 巷道失穩(wěn)破壞原因分析

分析-20水平水倉現(xiàn)有支護(hù)狀況及破壞特征，造成水倉強(qiáng)烈變形的原因主要有以下兩方面。

（1）受滑動地質(zhì)構(gòu)造影響，水倉圍巖巖性差，圍巖應(yīng)力水平高。根據(jù)老君堂礦補(bǔ)8鉆孔柱狀圖，水倉平均埋深490 m，若上覆巖層平均密度按2500 kg／m3計算，則通過估算得出水倉所處層位的原巖垂直應(yīng)力約12.25 MPa?；瑒拥刭|(zhì)構(gòu)造形成的構(gòu)造應(yīng)力往往數(shù)倍于原巖應(yīng)力，若應(yīng)力集中系數(shù)按2～3計算，則水倉所處圍巖應(yīng)力水平高達(dá)24 MPa以上，同時受滑動地質(zhì)構(gòu)造影響，水倉圍巖巖性極為破碎，水倉圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低，造成水倉所處應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于圍巖體自身的強(qiáng)度，在高應(yīng)力作用下，巷道淺部破碎巖體極易產(chǎn)生強(qiáng)烈剪脹變形，使得巷道圍巖揭露后馬上處于塑性狀態(tài)，宏觀表現(xiàn)即礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道強(qiáng)烈變形。因此，滑動地質(zhì)構(gòu)造影響是造成水倉強(qiáng)烈變形的主要原因之一。

（2）支護(hù)措施缺乏針對性，難以發(fā)揮其支護(hù)作用。老君堂礦-20水平水倉采用29U型鋼直腿拱形支架支護(hù)，棚距400 mm，該支護(hù)方式仍然無法控制巷道變形，主要有三方面原因。其一，支護(hù)圍巖相互作用關(guān)系較差，支架承載能力難以發(fā)揮。棚式支架僅能被動承受因圍巖變形而產(chǎn)生的壓力，不僅初期無法及時主動承載，而且支架在均布載荷方式下才能表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和承載能力，但當(dāng)前巷道掘進(jìn)和支護(hù)工藝中，支架與圍巖間不可避免地存在一些空穴，造成支架承受集中載荷或偏心載荷，使得支架的承載能力大大降低。水倉使用29U型鋼棚支護(hù)，理論上其提供的被動支護(hù)阻力可達(dá)1000 k N以上，但實(shí)際承載能力一般為其1／5～1／10，其承載性能遠(yuǎn)未得到發(fā)揮。其二，現(xiàn)有直腿拱形支架由于底板底臌和支架抗側(cè)壓能力差，可視為可動鉸支座模型，由于鉸鏈處具有3個自由度，實(shí)際使用中由于底板松軟不僅支架極易穿底，且受幫部圍巖在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈剪脹變形作用，導(dǎo)致支架幫部極易失穩(wěn)，而理想支護(hù)模型應(yīng)為固定鉸支座，從而提高支架整體穩(wěn)定性，因此必須針對直腿拱形支架結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)采取結(jié)構(gòu)補(bǔ)償措施控制兩幫的變形，以提高支架的整體承載能力。其三，水倉底板煤層較厚，且極為松軟，水倉作為該采區(qū)正常生產(chǎn)的重要硐室，服務(wù)年限較長，底板長期受水浸泡使底板圍巖強(qiáng)度弱化，造成底板強(qiáng)烈底臌，大大降低了現(xiàn)有支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，加劇了水倉兩幫強(qiáng)烈變形，從而導(dǎo)致支架迅速失穩(wěn)、破壞。

4 －20水倉優(yōu)化支護(hù)方案

針對-20水倉所在地質(zhì)采礦條件和相對圍巖壓力較大以及水倉長期受水浸泡的特點(diǎn)，新設(shè)計方案采用高阻可縮全封閉U型鋼支架+壁后充填注漿+錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償聯(lián)合支護(hù)的方式進(jìn)行支護(hù)。

4.1 高阻可縮全封閉U型鋼棚支護(hù)

為改善原有直腿拱形支架支護(hù)底板底臌和抗側(cè)壓能力的現(xiàn)狀，-20水倉基本支護(hù)采用具備高阻可縮特性的29U型鋼棚支護(hù)，棚距400 mm，扎角5°，支架搭接長度為500 mm，并采用雙槽夾板上、下限位卡纜及1付普通夾板卡纜，要求卡纜預(yù)緊力矩不低于300 N·m，U型鋼支架壁后使用新型雙抗雙扣聯(lián)排鋼筋網(wǎng)強(qiáng)力護(hù)表，并對巷道表面進(jìn)行噴漿，噴層厚度為50 mm±5 mm。

在設(shè)計底板標(biāo)高基礎(chǔ)上，按設(shè)計方案要求向下臥底800 mm，施工底反拱，底反拱的間距與U型棚的棚距一致為400 mm。采用雙槽形夾板上、下限位卡纜，改進(jìn)后的卡纜需經(jīng)熱處理，才能提高其剛度和支架的整架性能。要求拱形支架的搭接長度500 mm，采用3付卡纜，2付雙槽夾板限位卡纜，1付普通夾板卡纜。

4.2 壁后注漿充填

通過實(shí)施壁后注漿充填，可大大改善U型鋼支架與圍巖的相互作用關(guān)系，使得支架整體均勻承載，避免支架承受集中載荷或偏心載荷，使得支架的承載能力大大提高。注漿管長度1200 mm，采用0.5英寸中空螺紋鋼管加工，注漿段長度750 mm，鉆有10個孔徑為8 mm的注漿孔，均勻布置，注漿孔尾部有70 mm長螺紋與注漿泵出漿管高壓快速接頭連接，外段密封采用圓環(huán)體狀快硬膨脹水泥藥卷，每根注漿管用2支水泥藥卷。

4.3 錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償

根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償原理和巷道實(shí)際支護(hù)狀況，支架基本結(jié)構(gòu)補(bǔ)償位置位于幫部距底板300 mm處和支架起拱線處，結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索選用直徑15.24 mm的1860鋼鉸線，結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索長度為5.0 m，間距1.2 m，排距1.5 m。為保證支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時考慮錨索適應(yīng)圍巖變形的能力，結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索預(yù)應(yīng)力達(dá)到70 k N即可。

4.4 支護(hù)效果分析

測點(diǎn)觀測周期為1～5 d，初始觀測頻率較高。-20水平水倉某一個觀測斷面頂?shù)装搴蛢蓭偷南鄬ξ灰屏?、頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃嗡俣纫妶D1和圖2。

圖1和圖2顯示，采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)償新型聯(lián)合支護(hù)后，巷道的頂板、兩幫變形速度在最初的15 d比較快，15～45 d圍巖變形速度基本趨于穩(wěn)定，45 d后巷道圍巖變形基本穩(wěn)定。兩幫移近量相對較大一些，但變形在45 d后趨于穩(wěn)定，造成兩幫移近量較大的主要原因是由于水倉圍巖受滑動構(gòu)造影響嚴(yán)重破碎，支護(hù)初期注漿工序略有滯后，導(dǎo)致支架受力不均引起兩幫移近量較大，因此也導(dǎo)致了巷道圍巖變形速率不均勻，造成圍巖變形速度在初期不是很穩(wěn)定?？傮w來看，巷道圍巖變形總量不大，圍巖變形得到有效控制，巷道底臌得到很好治理，滿足了水倉長期使用的要求，很好地解決了滑動構(gòu)造影響下軟巖巷道支護(hù)技術(shù)難題。

5 結(jié)論

（1）在全面分析老君堂礦-20水平水倉地質(zhì)條件、現(xiàn)有支護(hù)方式等的基礎(chǔ)上，總結(jié)了老君堂礦-20水平水倉在滑動構(gòu)造影響下巷道失穩(wěn)破壞的原因。

（2）采用高阻可縮全封閉U型鋼棚支護(hù)+壁后注漿+錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)穆?lián)合支護(hù)方式對老君堂-20水平水倉進(jìn)行現(xiàn)場支護(hù)。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，U型鋼支架與底反拱構(gòu)成封閉結(jié)構(gòu)，提高了支架幫部的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善了支架受力狀況，增強(qiáng)了支架整體承載能力，控制了底板強(qiáng)烈臌起；壁后充填注漿技術(shù)，改善了支架-圍巖相互作用關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了支架與圍巖共同承載；錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，不僅提高U型鋼支架整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其承載能力，而且能夠有效發(fā)揮深部穩(wěn)定巖體的承載能力。

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［4］康紅普，林健 .全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動壓巷道中的應(yīng)用 ［J］.煤炭學(xué)報，2009（9）

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［7］劉玉衛(wèi) .三軟煤層破碎圍巖巷道鋼-索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究 ［J］.中國煤炭，2012（2）

Research on support technology for soft rock roadway under influence of sliding structure

Li Hongxing1，Liu Zhihong1，Xu Weiwei2，Li Xianzhen1，Liu Yuwei1，3
（1.Zhengzhou Coal Industry（Group）Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan 450042，China；2.National Institute for Occupational Safety，Chaoyang，Beijing 100029，China；3.School of Energy and Resource，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an，Shaanxi 710054，China）

Based on the geological conditions of-20 level water sump and roadway support condition in Laojuntang Coal Mine，the paper analyzes the cause of roadway instability under the influence of sliding structure，and puts forward the combined support method of high-resistance yieldable fully-closed U-steel arch support，backfill grouting and anchorage structural compensation.Experiment result shows that this method has obtained good support effectiveness.

sliding structure，soft rock roadway，roadway support，combined support

TD353

A

李紅行 （1979-），男，河南靈寶人，工程師，碩士，2008年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué) （北京）安全技術(shù)及工程專業(yè)，現(xiàn)工作于鄭煤集團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)部，從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）