深井高地應(yīng)力復(fù)合巖層巷道圍巖控制技術(shù)研究

范明建，任勇杰，段昌瑞，王德田

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院， 北京 100013；3.山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 泰安 271000；4.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限公司， 安徽 淮南 232001；5.深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

深井高地應(yīng)力復(fù)合巖層巷道圍巖控制技術(shù)研究

范明建1,2，任勇杰3，段昌瑞4,5，王德田3

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院， 北京 100013；3.山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 泰安 271000；4.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限公司， 安徽 淮南 232001；5.深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

針對深部礦井高地應(yīng)力巷道圍巖整體變形量大、持續(xù)時間長、局部破壞嚴(yán)重的圍巖控制難題，以深井大傾角、復(fù)合巖層巷道掘進(jìn)為工程背景，在進(jìn)行系統(tǒng)地質(zhì)力學(xué)測試、圍巖變形破壞特征分析、支護(hù)形式選取與現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，對深井超高地應(yīng)力巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究。通過優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)、合理選擇護(hù)表形式與構(gòu)件，實現(xiàn)了深部高地應(yīng)力復(fù)合巖層巷道圍巖的一次主動支護(hù)，有效控制了深部高地應(yīng)力巷道圍巖的長期持續(xù)變形，改變了深部巖巷“前掘后修、反復(fù)維修”的局面，取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

深部礦井；高地應(yīng)力；復(fù)合巖層；巷道圍巖控制

深部煤炭資源開采以其開采環(huán)境的特殊性、生產(chǎn)與地質(zhì)條件的復(fù)雜性、工程災(zāi)害的突發(fā)性和頻發(fā)性，成為國內(nèi)外煤礦開采領(lǐng)域研究的焦點。多年來，專家學(xué)者和現(xiàn)場技術(shù)人員，在解決深部巷道圍巖控制與支護(hù)技術(shù)難題方面做了大量理論研究和實踐工作。[1-4]從巷道支護(hù)方式來看，包括俄羅斯、德國、美國、澳大利亞在內(nèi)的世界主要深部煤炭開采國家，已由原來的“架棚支護(hù)、強力錨桿、組合錨桿(索)桁架”等單一支護(hù)形式，向“錨、網(wǎng)、索、帶、噴+封閉式剛性支架+架后巖體注漿”相結(jié)合、集支護(hù)與加固為一體的復(fù)合支護(hù)形式發(fā)展。目前，盡管俄羅斯和部分西歐國家在深部巷道圍巖多重高強聯(lián)合支護(hù)方面進(jìn)行了較廣泛的研究，但因其支護(hù)工藝復(fù)雜、施工速度慢、支護(hù)成本高等原因，未能得到廣泛應(yīng)用[5]。

目前，我國煤礦深部高應(yīng)力巷道主要多以“錨網(wǎng)索+U鋼棚”聯(lián)合支護(hù)為主，部分礦井深部困難復(fù)雜巷道處于“前掘后修、反復(fù)維修、多次起底，套棚修復(fù)”的狀態(tài)，平均返修率達(dá)到70%以上。巷道掘進(jìn)與維修成本最高達(dá)到2萬～3萬元/m。[6-7]近年來，隨著高強超高強支護(hù)材料的開發(fā)和部分施工機具的研制與引進(jìn)，高預(yù)應(yīng)力、強力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)在多個礦區(qū)的深部高應(yīng)力困難復(fù)雜巷道中得到了推廣應(yīng)用并取得良好的支護(hù)效果與經(jīng)濟技術(shù)效益[8-10]。

1 圍巖賦存條件

華豐煤礦-1180回風(fēng)大巷掘進(jìn)目的是形成礦井六水平生產(chǎn)系統(tǒng)，滿足六水平通風(fēng)、行人、運輸、管線敷設(shè)的需要。巷道埋深1289～1296m，巖層為單斜構(gòu)造，煤巖層傾角為32～33°，平均32°。巷道開口位于煤8底板，掘進(jìn)過程中將揭露煤8至煤11之間的煤、中砂巖、粉砂巖、泥灰?guī)r等多種煤巖層，主要標(biāo)志層為二灰及煤9、煤10、煤11(圖1)。巖層厚度集中在2～6m之間，最大不超過10m，最小僅有0.2m，是典型的深部復(fù)合巖層穿層巷道。

圖1 -1180回風(fēng)大巷所穿越巖層柱狀圖

采用單孔多參數(shù)耦合快速井下地質(zhì)力學(xué)測試系統(tǒng)，對巷道圍巖地應(yīng)力、圍巖強度和圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)測試[11]。最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力分別為31.19MPa、16.82MPa、31.85MPa，屬于高地應(yīng)力區(qū)域。圍巖偏應(yīng)力作用顯著，相互垂直的主應(yīng)力差值最大達(dá)到17.11MPa。在超高地應(yīng)力和大偏應(yīng)力的作用下，大傾角復(fù)合巖層巷道開挖后，巖層間滑移和錯動現(xiàn)象顯著。圍巖強度原位測試曲線(圖2)波動幅度較大，雖然含有部分細(xì)砂巖和石灰?guī)r，但層間弱面、節(jié)理、裂隙發(fā)育。巖體強度相對較低。泥質(zhì)砂巖及夾層，平均強度值為40～60MPa，部分小煤夾層強度低于10MPa。-1180回風(fēng)大巷集中了埋藏深度大、地應(yīng)力水平高、偏載作用顯著、巖層傾角大、復(fù)合巖層巖性變化頻繁、層間節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體強度低等多重復(fù)雜條件，為深部延伸巷道圍巖控制造成極大的困難。

圖2 頂板圍巖強度測試曲線及對應(yīng)鉆孔柱狀

2 圍巖變形特征與支護(hù)參數(shù)問題分析

2.1 支護(hù)形式與變形特征

-1180回風(fēng)大巷巷道斷面為直墻半圓拱形。巷道掘進(jìn)斷面寬度為5500mm，墻高1700mm，拱高2750mm。原支護(hù)形式為“錨網(wǎng)噴+架棚”支護(hù)，錨桿五花布置，間排距為500mm×500mm，最后架設(shè)三節(jié)或五節(jié)對稱式直腿半圓拱U29型鋼棚，棚距800mm(圖3)。巷道在開挖7天(掘進(jìn)30m)后，其頂?shù)滓平窟_(dá)133.5mm，平均移近速度19.07mm/d；頂板下沉量為27.5 mm，下沉速度為3.93mm/d。底臌量為106mm，平均15.14mm/d。兩幫移近量為43.5mm，平均移近速度6.21mm/d。巷道圍巖呈現(xiàn)出“變形速度快、變形量大”的特點，多數(shù)巷道段出現(xiàn)前掘后修、反復(fù)維修的狀態(tài)，部分巷道在掘進(jìn)期間需要進(jìn)行三次以上的翻修工作，嚴(yán)重影響巷道的安全使用。

圖3 巷道原支護(hù)參數(shù)示意圖(單位：mm)

巷道圍巖變形破壞具有以下特征：①巷道整體變形量大、底臌嚴(yán)重，破壞范圍廣；②巷道變形持續(xù)時間長，無明顯穩(wěn)定時間，蠕變特征顯著；③在超高地應(yīng)力和較大偏應(yīng)力作用下，巷道呈現(xiàn)顯著的非對稱性大變形；④由于巖層傾角較大，巷道拱頂下肩最先發(fā)生變形且破壞嚴(yán)重，下幫整體移近明顯；⑤巖層錯動顯著，多數(shù)拱頂下肩和下幫錨桿出現(xiàn)剪切破斷。

2.2 支護(hù)參數(shù)存在問題分析

通過觀察巷道圍巖變形破壞過程與現(xiàn)場施工狀況，結(jié)合煤礦巷道圍巖控制理論與錨桿支護(hù)技術(shù)的相關(guān)研究成果，-1180回風(fēng)大巷在支護(hù)形式與參數(shù)選取方面存在以下問題。①護(hù)表構(gòu)件強度低、承載能力弱、抗變形能力差，與強力錨桿支護(hù)系統(tǒng)不匹配。原支護(hù)選用普通W護(hù)板作為強力錨桿的附屬構(gòu)件，對巷道表面進(jìn)行支護(hù)，在巷道變形時最先出現(xiàn)破壞。該W護(hù)板由普通礦用W鋼帶裁剪而成，護(hù)板長度300～400mm、寬度280mm、厚度3～5mm。W護(hù)板雖然解決了拱形巷道難以安裝較長W鋼帶的難題，但其整體剛度較差，護(hù)板寬度方向極易發(fā)生變形。在高應(yīng)力作用下，多數(shù)W護(hù)板出現(xiàn)四角外翻、沿寬度方向?qū)φ酆屠?、撕裂的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響高強錨桿作用的發(fā)揮。②錨桿(索)錨固方式選擇不合理。深部高應(yīng)力大傾角復(fù)合巖層巷道應(yīng)盡量對錨桿(索)進(jìn)行全長預(yù)應(yīng)力錨固，以提高桿體的抗剪能力，減少因巖層滑移而造成的錨桿(索)剪斷機率。現(xiàn)場錨桿采用2支K2850的樹脂錨固劑加長錨固，井下測量錨桿自由段長度在1.2～1.4m之間。錨索采用4支Z2850錨固劑錨固，自由段長度3.8～4.0m。由于巷道圍巖為巖性變化頻繁的復(fù)合巖層，層間多存在軟弱夾層，在超高地應(yīng)力和較大偏應(yīng)力作用下極易出現(xiàn)層間滑動，極易造成錨桿(索)的彎曲和剪切破壞。③支護(hù)參數(shù)和支護(hù)強度選取均衡化，不能滿足關(guān)鍵區(qū)域的支護(hù)需要。大傾角巖層巷道圍巖在超高地應(yīng)力和較大偏應(yīng)力的作用下，巷道頂板下肩位置極易出現(xiàn)巖層間滑移和錯動，使巷道拱頂下肩和下幫圍巖最先出現(xiàn)較大變形與破壞，并逐步擴散到整個巷道斷面，造成巷道整體失穩(wěn)。因此，應(yīng)對易發(fā)生初期破壞的巷道關(guān)鍵位置進(jìn)行強化支護(hù)。④對于深部超高地應(yīng)力巷道，單靠“錨網(wǎng)索”支護(hù)方式難以實現(xiàn)對巷道圍巖的長期有效控制。已有的研究成果和現(xiàn)場揭露表明，深部高應(yīng)力巷道圍巖內(nèi)部分區(qū)破裂現(xiàn)象顯著[12-14]。巷道內(nèi)部圍巖的分區(qū)破裂、原生的節(jié)理裂隙以及復(fù)合巖層間的軟弱夾層，導(dǎo)致巷道圍巖自身承載能力的降低和承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的劣化。對于深部超高地應(yīng)力作用下的礦井永久巷道，應(yīng)采取“集錨網(wǎng)索強力支護(hù)與注漿加固于一體”的圍巖綜合控制技術(shù)，恢復(fù)和改善巖巷圍巖的承載結(jié)構(gòu)，提高圍巖承載能力，實現(xiàn)圍巖的長期穩(wěn)定[15]。

3 深部巖巷支護(hù)理念與參數(shù)選取原則

目前，深部高地應(yīng)力困難復(fù)雜巷道二次支護(hù)理論為多數(shù)礦井技術(shù)人員所認(rèn)可。隨著巷道埋藏深度的逐步增加，復(fù)雜多變的煤礦開采地質(zhì)與生產(chǎn)條件，使二次支護(hù)理論遇到了很大的挑戰(zhàn)。在埋深超過1200m的特深礦井超高地應(yīng)力、強烈動壓影響、特殊地質(zhì)構(gòu)造影響等區(qū)域，巷道采用二次支護(hù)后仍出現(xiàn)嚴(yán)重的變形破壞問題。部分區(qū)域巷道甚至需要進(jìn)行3～4次支護(hù)和修復(fù)，服務(wù)期間便陷入 “支護(hù)-破壞-修復(fù)-再破壞-再修復(fù)”的持續(xù)變形狀態(tài)。與此同時，以強調(diào)支護(hù)系統(tǒng)初期支護(hù)強度和剛度的“高預(yù)應(yīng)力強力一次支護(hù)理論”在深部超高地應(yīng)力、強烈動壓影響等困難復(fù)雜巷道中得到推廣和應(yīng)用，并取得了良好的支護(hù)效果。

針對-1180回風(fēng)大巷埋深大、地應(yīng)力水平高、復(fù)合巖層、巖層傾角大等地質(zhì)條件，在分析圍巖變形特征、原支護(hù)形式與參數(shù)選取存在問題的基礎(chǔ)上，提出以下巷道支護(hù)參數(shù)選取原則。①支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具備與巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境相匹配的初期支護(hù)強度與剛度，確保能夠有效控制圍巖內(nèi)部離層、滑移、錯動以及裂隙張開和新裂紋的產(chǎn)生，保持圍巖的整體結(jié)構(gòu)不被破壞。②錨桿(索)應(yīng)盡量做到全長預(yù)應(yīng)力錨固，以增強桿體的抗剪切能力，防止因大傾角巖層錯動而造成的桿體破斷。同時，支護(hù)系統(tǒng)中的護(hù)表構(gòu)件的強度和結(jié)構(gòu)形式應(yīng)與錨桿(索)強度相匹配，保證支護(hù)應(yīng)力在巷道表面及圍巖內(nèi)部的有效擴散，以實現(xiàn)錨桿(索)支護(hù)作用的充分發(fā)揮。③采取“全斷面強力支護(hù)與圍巖注漿加固相結(jié)合”的綜合圍巖控制方法，重視對大傾角復(fù)合巖層巷道拱頂下肩和下幫等關(guān)鍵部位的支護(hù)強度，避免因巷道關(guān)鍵部位支護(hù)失效而造成的由點到面、由局部到整體的大面積持續(xù)變形和破壞，必要時對巷道底板進(jìn)行注漿錨索加固，在圍巖內(nèi)部形成完整的、連續(xù)的、封閉式的高剛度承載結(jié)構(gòu)。④支護(hù)系統(tǒng)具有韌性和抗沖擊能力，在高應(yīng)力和動壓影響的作用下，允許圍巖具有一定的變形和整體位移能力，以適應(yīng)深部高應(yīng)力巷道圍巖大變形的特點。同時，巷道服務(wù)期間的總位移量應(yīng)滿足生產(chǎn)需要，圍巖整體支護(hù)結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)失穩(wěn)和破壞。⑤支護(hù)形式與參數(shù)具有可操作性，便于井下施工，有利于提高巷道掘進(jìn)速度和降低巷道綜合維護(hù)成本。

4 現(xiàn)場試驗與支護(hù)效果評價

根據(jù)-1180回風(fēng)大巷現(xiàn)場條件和支護(hù)現(xiàn)狀，在地質(zhì)力學(xué)測試、圍巖變形特征分析、支護(hù)參數(shù)選取原則合理確定的基礎(chǔ)上，采用“全斷面強力錨網(wǎng)支護(hù)與注漿加固為一體”的綜合圍巖控制方法(圖4)。巷道開挖并初噴完成后，進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)。錨桿為直徑22mm，屈服強度不低于600MPa的高強抗沖擊螺紋鋼錨桿，樹脂全長預(yù)應(yīng)力錨固，預(yù)緊力100k～120kN。高強度雙向四肋井型W鋼護(hù)板作為強力錨桿的附屬構(gòu)件，實現(xiàn)錨桿高預(yù)緊力在圍巖中的有效擴散。錨索選用1×19股、直徑22mm煤礦專用鋼絞線，長度4.3m，端部錨固并施加預(yù)緊力后，對自由段注漿，實現(xiàn)錨索全長預(yù)應(yīng)力錨固，鎖定張拉力200k～250kN。錨索托板設(shè)置注漿孔并預(yù)置注漿附件。對易發(fā)生破壞的巷道拱頂下肩和下幫圍巖，采取降低錨索排距的方式強化支護(hù)，拱頂下肩和下幫錨索排距0.9m，其它錨索排距1.8m。井型W鋼護(hù)板、錨索托板與Φ6.5mm高強度鋼筋網(wǎng)共同組成巷道圍巖的護(hù)表系統(tǒng)，對錨桿(索)施加初始預(yù)緊力的同時，也給鋼筋網(wǎng)一定的拉緊力，實現(xiàn)巷道全斷面高預(yù)緊力強力主動支護(hù)。在錨索安裝并施加預(yù)緊力后，通過預(yù)置注漿管，對錨索自由段和破碎圍巖體進(jìn)行帶壓注漿，恢復(fù)圍巖的完整性和承載能力。

巷道掘進(jìn)期間礦壓監(jiān)測結(jié)果(圖5)顯示：巷道表面位移一般在距掘進(jìn)迎頭50～60m范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。掘進(jìn)期間，兩幫最大移近量97mm，為巷道寬度的1.76%。其中，上幫移近41mm，下幫移近56mm。巷道頂?shù)装逡平枯^小，其中頂板下沉量8mm，底臌量68mm。頂板離層值一般集中在5～7mm之間。錨桿(索)受力增加幅度普遍較小，保持在30k～50kN之間。從不同位置處錨桿(索)最大受力值看，位于巷道下肩和下幫的錨桿(索)受力值普遍大于頂板中部和上幫的錨桿(索)。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果證明，巷道下肩和下幫是深部大傾角復(fù)合巖層巷道圍巖控制的關(guān)鍵區(qū)域。

圖4 巷道關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)示意圖(單位：mm)

圖5 巷道礦壓監(jiān)測結(jié)果與支護(hù)效果

5 結(jié)論

1)深部超高地應(yīng)力大傾角復(fù)合巖層巷道單靠“錨、網(wǎng)、索+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)，難以保證永久巷道圍巖的長期穩(wěn)定。通過恢復(fù)和強化圍巖的完整性和承載能力，與高預(yù)應(yīng)力強力錨桿支護(hù)系統(tǒng)共同組成具有高強度、高抗變形能力的、完整承載結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對深部高應(yīng)力巷道圍巖的有效控制，盡量做到巷道一次支護(hù)便能滿足生產(chǎn)的需要，避免二次支護(hù)和巷道維修。

2)錨桿(索)全長預(yù)應(yīng)力錨固與圍巖注漿加固，是減少和避免大傾角復(fù)合巖層巷道因?qū)娱g滑移、錯動造成錨桿(索)破斷的關(guān)鍵。全長預(yù)應(yīng)力錨固提高了錨桿的剛度和抗剪強度，注漿加固恢復(fù)了圍巖的完整性和復(fù)合巖層間的膠結(jié)強度，減少了高地應(yīng)力作用下大傾角巖層的位移量。

3)全斷面強力復(fù)合支護(hù)和關(guān)鍵部位強化支護(hù)，可避免因巷道局部破壞而造成的整個支護(hù)系統(tǒng)失效?！叭珨嗝鎻娏﹀^網(wǎng)支護(hù)與注漿錨索加固”為一體的綜合圍巖控制方法，有效控制了深部高地應(yīng)力巷道圍巖的長期持續(xù)變形，改變了深井巖巷“前掘后修、反復(fù)維修”的局面，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

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Study on surrounding rock control technology of roadway with high in-situ stress and compound strata in deep coal mine

FAN Ming-jian1,2，REN Yong-jie3，DUAN Chang-rui4,5，WANG De-tian3

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Coal Mining and Design Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China； 3.Shandong Energy Xinwen Mining Group Co.，Ltd.，Tai’an 271000，China； 4.Huainan Ming Group Co.，Ltd.，Huainan 232001，China； 5.State Key Laboratory of Deep Coal Mining & Environment Protection，Huainan 232001，China)

According to the difficulties of roadway surroundings control with high in-suit stress in deep coal mine，such as large integrate deformation for long time，serious local broken and so on，the suitable supporting forms and scientific surroundings control methods of roadway were researched.The typical roadway with large-dip angle and compound strata was selected as engineering background in deep coal mine.Some main supporting design ideas were determined by systematic geo-mechanical on-site tests，analyzing the characteristics of surroundings deformation and its failure zones.The engineering practice proved that the optimized supporting manners and parameters could make roadway surroundings in stable state，reduce roadway repair tasks and achieve effectively supporting by once for roadway surroundings in deep coal mine.

deep coal mine；high in-situ stress；compound strata；roadway surroundings control

2014-07-24

國家科技支撐計劃項目資助(編號：2012BAB13B02)；淮南礦業(yè)集團(tuán)科技項目計劃項目資助(編號：HNKY-JT-JS-(2011))

范明建(1981-)，男，山東滕州人，助理研究員，就職于煤炭科學(xué)研究總院開采分院，主要從事煤礦巷道礦壓與支護(hù)技術(shù)方面的研究與推廣工作。E-mail：fanmingjianccri@163.com。

TD353

A

1004-4051(2015)07-0095-05