軟巖巷道失穩(wěn)及高強全錨注支護分析

董明明

(大同煤礦集團設(shè)計研究有限責(zé)任公司， 山西 大同 037003)

伴隨著我國煤炭產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，數(shù)十年高強度的煤炭開采作業(yè)，使得國內(nèi)各大礦區(qū)淺部煤炭資源日益枯竭，深部開采已成為所有礦區(qū)下一步發(fā)展的必然趨勢。而在深部回采中，井下巷道處于有別于淺部巷道的應(yīng)力環(huán)境，因此巷道支護工藝的改進更新必不可少。A 礦井下三水平回風(fēng)上山巷道埋藏深度接近750 m，在該巷道的掘進作業(yè)中巷道圍巖表現(xiàn)出礦壓顯現(xiàn)顯著、巖體破碎性強、巷道易變性等特征，屬于典型的深部軟巖巷道。這使得常規(guī)的“錨網(wǎng)帶+錨索”支護、“錨網(wǎng)索+U 型鋼”支護等支護工藝無法對巷道圍巖變形破化進行有效控制，極大的威脅到井下生產(chǎn)安全開展和礦井綜合效益的獲得[1]。有鑒于此，針對A 礦三水平回風(fēng)上山巷道地質(zhì)力學(xué)特點，設(shè)計針對性的高強全錨注支護工藝，從而實現(xiàn)對圍巖的有效控制意義重大。

1 圍巖變形破壞原因分析

1.1 埋藏深度大高

A 礦三水平回風(fēng)上山巷道埋深深度接近800 m，覆巖密度均值按照每立方米2.6 t 計算，覆巖垂直應(yīng)力超過20 MPa，加之可能存在的構(gòu)造應(yīng)力疊加影響，巷道掘進中實際地應(yīng)力水平往往會高出預(yù)估值。因此，為有效了解井下實際地應(yīng)力狀況，運用鉆孔套芯應(yīng)力解除法針對巷道地應(yīng)力實況進行測定。通過井下實測，上山巷道原巖應(yīng)力場中第一主應(yīng)力為水平應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)介于1.23～1.70 之間，最大水平應(yīng)力優(yōu)勢方向為南東—北西方向，最大值介于30.2～39.1 MPa，方位角280°～340°；同時，回風(fēng)上山巷道方位角為160°～195°，主應(yīng)力最大值方位角與巷道軸呈大角度斜交，由此根據(jù)最大水平應(yīng)力相關(guān)理論，上山巷道圍巖所處原始應(yīng)力狀態(tài)對于圍巖穩(wěn)定性有著顯著的負面影響，這使得巷道掘設(shè)過程中誘發(fā)的高地應(yīng)力容易同低圍壓產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致圍巖破壞速度增大，進而促使圍巖破裂深度增加，誘發(fā)巷道出現(xiàn)嚴重變形。圖1 所示即為地應(yīng)力測定布置與水平應(yīng)力方位示意圖。

圖1 為地應(yīng)力測定布置與水平應(yīng)力方位示意圖（m）

1.2 圍巖強度低且整體松散破碎

依照分析礦井初期地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，井下上山巷道圍巖以砂質(zhì)泥巖為主，巖層呈中厚層狀，鈣質(zhì)膠結(jié)現(xiàn)象較為突出，同時巖體內(nèi)部存在斜層理和交錯層理，圍巖強度低、破碎性強，屬于典型軟巖巖層。此外，在高應(yīng)力影響下，巷道圍巖中的堅硬巖體同樣呈現(xiàn)出工程軟巖相關(guān)特征[2]。

1.3 巷道斷面大

回風(fēng)上山巷道掘進施工選用臺階式爆破施工工藝，在掘進施工時對圍巖擾動破壞嚴重；回風(fēng)上山巷道設(shè)計斷面較大（寬6 300 mm，高5 000 mm），因此其對應(yīng)的等效園半徑較大。通過有關(guān)力學(xué)理論研究表明，井下巷道圍巖的軸向應(yīng)力聚集程度與巷道斷面積呈正相關(guān)性。此外，底板巖體的軟弱使得其在搞水平應(yīng)力影響下，極易發(fā)生底鼓變形。

1.4 原支護方案支護效果不佳

A 礦三水平回風(fēng)上山巷道原支護選用“兩錨兩注”工藝，其施工流程為：一次錨網(wǎng)索噴→一次淺孔注漿→二次錨網(wǎng)噴→二次淺孔注漿。井下支護時主要支護材料及參數(shù)如下：支護錨桿選用直徑22 mm，長3 000 mm 的左旋高強度樹脂莫干，布設(shè)排間距為800 mm×800 mm；支護錨索使用直徑21.6 mm，長8 000 mm 的19 絲鋼絞絲錨索，布設(shè)排間距為1 600 mm×1 600 mm。一次注漿時，鉆孔深度2 500 mm，注漿管使用直徑20 mm，長1 000 mm 的鋼管；二次注漿時，鉆孔深度4 000 mm，注漿管使用直徑20 mm，長2 000 mm 的鋼管，兩次注漿鉆孔布設(shè)排間距均為1 500 mm×1 500 mm。同時，巷道表面應(yīng)鋪設(shè)網(wǎng)格間距為80 mm×80 mm 的鋼筋網(wǎng)，其搭接長度不低于100 mm。

上述支護工藝不僅施工工序繁瑣，而且高密度的支護作業(yè)所需支護成本極高，加之各個作業(yè)工序間無法平行作業(yè)，進行勞動強度較大，施工速度較慢，不利于巷道圍巖第一時間的快速有效支護，圍巖控制效果較差。

2 巷道穩(wěn)定性控制分析

2.1 支護設(shè)計原則

1）為有效規(guī)避最大水平應(yīng)力直接作用于回風(fēng)上山巷道頂板巖層，從而導(dǎo)致頂板出現(xiàn)剪切破壞，引起圍巖的持續(xù)性膨脹變形破壞，這就需要針對巷道頂板巖體開展有效的深層次、大區(qū)域錨固注漿加固，以實現(xiàn)對錨固體橫縱向抗剪切能力的最大程度增加。

2）選用高強中空錨索進行全錨注支護，從而實現(xiàn)巷道圍巖破碎巖體的有效固結(jié)，以確保錨索實現(xiàn)全長錨固的同時實現(xiàn)對圍巖的深孔注漿加固，全面提升圍巖強度和完整性，使得其自身承載性能大幅增強。

3）由于深部軟巖巷道頂?shù)装逋飵蛧鷰r間屬于相互作用的統(tǒng)一體，因此圍巖的失穩(wěn)破壞通常會引起強烈的巷道底鼓現(xiàn)象，其底鼓類型多為強度—應(yīng)力型底鼓，需要在支護設(shè)計時將底板控制作為關(guān)鍵要點進行針對性設(shè)計。

2.2 高強全錨注支護技術(shù)參數(shù)

針對A 礦三水平回風(fēng)上山巷道原支護存在的不足，改用高強錨注支護工藝，借由高強度的“注漿錨索+注漿錨桿”針對圍巖開展梯次性注漿，同時配合鋼帶和鋼筋網(wǎng)開展聯(lián)合支護[3,4]。注漿時所用漿液為“42.5R 水泥+8%專用錨注添加劑”，水灰比為1∶2。圖2 所示即為錨注支護布設(shè)斷面示意圖，其支護參數(shù)如表1 所示。

圖2 高強全錨注支護布設(shè)斷面示意圖（mm）

表1 高強全錨注支護參數(shù)統(tǒng)計表

2.3 高強全錨注支護效果評價

1）巷道表面位移測試分析。A 礦三水平回風(fēng)上山巷道錨注支護約800 m，通過對礦壓測試觀測三個月內(nèi)巷道表面僅僅位移了30 mm，三個月后，各觀測點位移基本為零，巷道變形得到了很好的控制。

2）對巷道內(nèi)部進行位移測試。在錨注支護巷道中，每隔60 m 布設(shè)一個觀測斷面，每個斷面3 個觀測孔，孔深為8 m，觀測孔內(nèi)每隔1 m 深設(shè)一固定觀測點。三個月后對巷道兩幫變形進行觀測，觀測結(jié)果各觀測點位移量基本為零，說明巷道兩幫變形得到了很好的控制。

3）采用全錨注支護施工簡單，井下工人勞動強度小，巷道掘進的速度有了很大的提高，巷道維修量也明顯減少。

4）對原支護方式與全錨注支護方式支護費用進行比較分析，全錨注支護費用僅僅是錨噴網(wǎng)支護費用的一半，而且支護效果優(yōu)于原支護方式，巷道的返修率更低[5，6]。

3 結(jié)語

深部回采作業(yè)作為煤礦發(fā)展的必然趨勢，確保深部巷道支護的有效性，是實現(xiàn)深部回采作業(yè)有效、安全開展的必要前提。礦井管理者必須關(guān)注相關(guān)問題，在生產(chǎn)實際中多組織專業(yè)技術(shù)人員，立足礦井生產(chǎn)實際，總結(jié)具有針對性的深部巷道圍巖控制技術(shù)，實現(xiàn)對深部巷道圍巖穩(wěn)定性的有效控制，全面提升其強度，為礦井的持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。