深井高應(yīng)力巷道圍巖錨注加固支護(hù)技術(shù)

毛懷昆，王 寧，高 晨

(1.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤274918；2.山東科技大學(xué)，山東 青島266590)

地下空間開(kāi)挖將本來(lái)處于三維受力狀態(tài)的巖石變成了二維受力狀態(tài)，巖石受力狀態(tài)發(fā)生了變化，其穩(wěn)定性被打破，所以，控制開(kāi)挖巖體的穩(wěn)定是保證地下空間作業(yè)的前提。錨桿支護(hù)以其主動(dòng)支護(hù)的方式在巷道應(yīng)用逐漸普遍，但在復(fù)雜高應(yīng)力地質(zhì)條件下[1-4]，單一的錨桿常常不能達(dá)到圍巖穩(wěn)定性的要求。近年來(lái)，基于傳統(tǒng)錨桿支護(hù)發(fā)展出了錨注支護(hù)技術(shù)。

錨注支護(hù)技術(shù)綜合發(fā)揮了錨網(wǎng)支護(hù)和噴漿支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)煤礦巷道圍巖控制效果良好[5-7]。通過(guò)錨桿的軸向約束作用控制圍巖的運(yùn)動(dòng)變形；通過(guò)注漿加固盡量恢復(fù)裂隙巖體的初始結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，提高巖體的自身強(qiáng)度[8-11]。王連國(guó)等[12]基于對(duì)深部軟巖巷道變形和破裂特征的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果，提出了以“中空注漿錨索和高強(qiáng)注漿錨桿”為核心的新型深-淺耦合全斷面錨注支護(hù)技術(shù)體系。孟慶彬等[13]通過(guò)自主研制的破裂巖樣承壓注漿試驗(yàn)設(shè)備，開(kāi)展了破裂巖體注漿加固力學(xué)特性試驗(yàn)，分析了破裂巖樣注漿加固前后的力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)，提出了“錨注加固體等效層”概念。陸銀龍等[14]根據(jù)對(duì)破裂軟巖注漿加固后的力學(xué)特性分析，運(yùn)用FLAC3D軟件的應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，對(duì)軟巖巷道最佳錨注支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化分析。

但是，對(duì)于錨注支護(hù)控制深井高應(yīng)力巷道圍巖的機(jī)理研究尚不成熟，其工程應(yīng)用尚不夠廣泛，有待進(jìn)一步深入研究。因此，以新巨龍煤礦2305N 下平巷為工程背景，研究了深井高應(yīng)力巷道錨注加固支護(hù)技術(shù)，并將其進(jìn)行工程應(yīng)用，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)驗(yàn)證了其支護(hù)效果。

1 工程概況

新巨龍煤礦位于山東省巨野縣龍固鎮(zhèn)，現(xiàn)開(kāi)采3#煤層，地面標(biāo)高為＋43.91 m，井下標(biāo)高為-830.8～-797.5 m，為形成2305N 采煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)，掘進(jìn)2305N 下平巷，走向343°～18°，傾向73°～108°，長(zhǎng)度為872 m。2305N 下平巷北段位于2304N下平巷以東，-980 延深輔二下山以北，西為2304N下平巷，北為2305N 工作面。3#煤厚為9.27 m，巖性為炭質(zhì)泥巖，3#煤層屬穩(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層走向?yàn)?43°～18°，傾向?yàn)?3°～108°，傾角為W21°～8°，屬低瓦斯礦井，-810 水平3#煤層有自然發(fā)火的傾向，最短發(fā)火期為46 d，煤塵爆炸指數(shù)為42.69%。巷道掘進(jìn)的直接充水含水層是3#煤的頂?shù)装迳皫r（“3砂”），預(yù)計(jì)2305N 下平巷北段掘進(jìn)時(shí)正常涌水量為2～10 m3/h，最大涌水量為30 m3/h。3#煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2305N 下平巷斷面為矩形斷面，凈寬4.8 m，凈高4 m，凈斷面為19.2 m2，巷寬5.1 m，巷高4.15 m，巷斷面為21.2 m2。支護(hù)參數(shù)確定原則是使錨桿約束作用合理分布，從而在保證支護(hù)效果的前提下，為提高成巷速度創(chuàng)造條件，為此需考慮圍巖的完整性、錨桿作用等。

2.1 錨桿長(zhǎng)度

2.1.1 按懸吊理論計(jì)算錨桿長(zhǎng)度

式中：L 為錨桿長(zhǎng)度，m；H為垮落拱高度，m；K為安全系數(shù)，一般取K=2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗(yàn)取0.5 m；L2為錨桿在巷道中的外露長(zhǎng)度，一般取0.15 m。

式中：B 為巷道開(kāi)掘?qū)挾?，?.1 m；f 為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，煤取3。

則，L=2.35 m。

2.1.2 按組合理論計(jì)算錨桿長(zhǎng)度

式中：L 為錨桿長(zhǎng)度，m；b 為組合拱厚度，m，當(dāng)松動(dòng)圈的厚度為2～3 時(shí)，取1.4 m；tanα 為錨桿對(duì)破裂巖體控制角之正切，一般取α＝45°；a 為錨桿的間距，m。

代入數(shù)據(jù)得L＝2.45 m，取錨桿長(zhǎng)度為2.5 m。

2.2 錨桿間排距

2.2.1 按懸吊理論計(jì)算錨桿間距和排距

通常間排距相等，取a：

式中：a 為錨桿間排距，m；Q 為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，130 kN/根；K 為安全系數(shù)，一般取K=2；L3為錨桿有效長(zhǎng)度，長(zhǎng)度為2.5 m 的錨桿有效長(zhǎng)度為1.85 m；ρ 為不穩(wěn)定巖層平均密度，取2.548 t/m3。

代入數(shù)據(jù)a=1.17 m。

2.2.2 按組合理論計(jì)算錨桿間排距

所選錨桿長(zhǎng)度需驗(yàn)算組合梁各巖層層面間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，并保證最下面1 層巖層的穩(wěn)定性，即錨桿間排距滿足下列要求：

式中：a 為錨桿間排距，m；m1為最下面1 層巖層的厚度，根據(jù)該巷道頂板巖性取0.5 m；σ1為最下1 層抗拉計(jì)算強(qiáng)度，取試驗(yàn)強(qiáng)度的0.3～0.5 倍，MPa；K 為安全系數(shù)，取8～10；p′為本層自重均布載荷，p′=ρ1gm1，kN/m2；ρ1為最下1 層巖層的平均密度，t/m3。

根據(jù)該巷道頂板巖性，最下面1 層巖層的厚度取0.5 m，最下1 層巖層抗拉實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度為7.646 MPa，σ1′=0.3×7.646=2.29 MPa，取最下1 層巖層密度為2.548 t/m3，本層自重均布載荷p′=79.75 kN/m2。代入數(shù)據(jù)，a≤3.42 m。

2.2.3 由自然平衡拱理論分析設(shè)計(jì)錨桿間排距

式中：a 為錨桿間排距，m；Z 為錨桿錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度，取1.0 m；m 為巷道的半跨度，巷道寬度為5.1 m，則半跨度取2.55 m；n 為頂板巖層的破壞深度，取0.8 m。

代入數(shù)據(jù)，a=4.02 m。

2.2.4 由加固拱理論設(shè)計(jì)錨桿間排距

加固拱理厚度、錨桿長(zhǎng)度與錨桿間排距近似關(guān)系為：

式中：a 為錨桿間排距，m；L 為錨桿有效長(zhǎng)度，直徑22 mm 錨桿取2.5 m；α 為錨桿在圍巖中的控制角，一般取45°；b1為加固拱厚度，根據(jù)新巨龍公司支護(hù)現(xiàn)狀及地質(zhì)條件，加固拱厚度取1.4 m。

代入數(shù)據(jù)，a=1.1 m，確定錨桿間距、排距不大于1.1 m 即可滿足設(shè)計(jì)要求。錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm。

3 注漿參數(shù)數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型

FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了3 種支護(hù)方案的模擬研究。模型尺寸為40 m×50 m×100 m，巷道斷面為矩形，寬度為4.5 m，高度為3.8 m。建立數(shù)值計(jì)算模型如圖1。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)上述錨桿參數(shù)計(jì)算機(jī)分析，設(shè)計(jì)錨網(wǎng)參數(shù)為：錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 500 mm，間排距為1 000 mm× 1 000 mm；錨索規(guī)格為φ16.8 mm×7 300 mm，頂板布置3 根錨索，錨索排距為2 000 mm；頂板和幫部均滿鋪鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm。

注漿材料主要包括42.5 普通硅酸鹽水泥、黏土、速凝劑、緩凝劑。其中，黏土為替代水泥摻加，黏土摻量為35%，速凝劑摻量為0.2%，緩凝劑摻量為1.5%。通過(guò)數(shù)值模擬主要研究漿液水灰比和注漿加固層厚度對(duì)巷道圍巖控制的影響。根據(jù)錨注支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，確定漿液水灰比為0.3～0.8，注漿加固層厚度為1 000～2 000 mm。

3.2 水灰比影響圍巖控制效果

在上述錨網(wǎng)參數(shù)和注漿漿液參數(shù)的條件下，假設(shè)注漿加固層厚度為1 500 mm，漿液水灰比分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，研究不同漿液水泥水灰比對(duì)錨注加固圍巖控制效果的影響。不同漿液水灰比與巷道圍巖變形的對(duì)應(yīng)曲線關(guān)系如圖2。

圖2 漿液水灰比與巷道圍巖變形曲線

由2 圖可知，錨注支護(hù)條件下巷道圍巖變形量隨著水灰比的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)水灰比從0.3 增大至0.5 時(shí)，巷道圍巖變形量隨著水灰比的增大而減小，這是由于水灰比過(guò)小導(dǎo)致漿液流動(dòng)性不佳，漿液在巖體裂隙真的擴(kuò)散效果不佳；當(dāng)水灰比從0.5 增大至0.8 時(shí)，巷道圍巖變形量隨著水灰比的增大而增大，這是由于水灰比過(guò)大導(dǎo)致漿液固結(jié)體強(qiáng)度降低，進(jìn)而造成圍巖控制效果不佳。所以該錨注支護(hù)中漿液的最佳水灰比為0.5。

3.3 加固層厚度影響圍巖控制效果

在上述錨網(wǎng)參數(shù)和注漿漿液參數(shù)的條件下，確定水灰比為0.5，假設(shè)注漿加固層厚度分別為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0，研究不同注漿加固層厚度對(duì)錨注加固圍巖控制效果的影響。不同注漿加固層厚度與巷道圍巖變形的對(duì)應(yīng)曲線關(guān)系如圖3。

由圖3 可知，錨注支護(hù)條件下巷道圍巖變形量隨著注漿加固層厚度的增大，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這是由于注漿加固層厚度越大對(duì)巷道圍巖變形的約束力越強(qiáng)。當(dāng)注漿加固層厚度從1 000 mm 增大至1 800 mm 時(shí)，巷道圍巖變形量隨著注漿加固層厚度增大而減小的速率較快，當(dāng)注漿加固層的厚度大于1 800 mm 時(shí)，巷道圍巖變形量隨著注漿加固層厚度增大而減小的速率迅速減小，注漿加固層的厚度為1 800 mm 為1 個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)的巷道圍巖變形量為62 mm，巷道圍巖變形較小，能夠滿足圍巖控制要求。所以，綜合巷道圍巖控制效果和注漿加固成本，選取該注漿加固層厚度為1 800 mm。

圖3 注漿加固層厚度與巷道圍巖變形曲線

4 支護(hù)方案與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

4.1 支護(hù)方案

在2305N 下平巷采用錨注加固支護(hù)方案，具體支護(hù)方案為：錨桿為φ22 mm×2 500 mm 左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，每根錨桿對(duì)應(yīng)樹(shù)脂錨固劑各1 支，錨桿錨固力不小于150 kN。錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm。錨索采用φ16.8 mm× 7 300 mm 高預(yù)應(yīng)力鳥巢錨索，錨索托盤規(guī)格300 mm× 300 mm×12 mm，頂板布置3根錨索，排距為2 000 mm。巷道頂板和兩幫鋪掛φ6.0 mm 包邊鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。

在注漿漿液中，黏土為替代水泥摻加，黏土摻量為35%，速凝劑摻量為0.2%，緩凝劑摻量為1.5%，水灰比為0.5，注漿加固層厚度為1 800 mm。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

將上述設(shè)計(jì)的錨注支護(hù)方案應(yīng)用于2305N 下平巷，對(duì)巷道進(jìn)行觀測(cè)，直至巷道變形趨于穩(wěn)定。觀測(cè)結(jié)果如圖4。

由圖4 可知，觀測(cè)時(shí)間0～21 d 過(guò)程中，隨著觀測(cè)時(shí)間的推移，巷道頂?shù)装遄冃魏蛢蓭妥冃屋^快；觀測(cè)21 d 之后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃嗡俾手饾u緩慢，27 d 后逐漸趨于穩(wěn)定；觀測(cè)點(diǎn)的巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?42 mm，兩幫最大位移量為104 mm；巷道最大頂?shù)装遄冃瘟亢妥畲髢蓭妥冃瘟烤谠试S的范圍內(nèi)。說(shuō)明該錨注加固支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)較合理。

圖4 觀測(cè)點(diǎn)巷道圍巖變形量

5 結(jié) 論

1）通過(guò)理論計(jì)算確定選取錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，間排距為1 000 mm×1 000 mm。

2）在注漿漿液中，黏土摻量為35%，速凝劑摻量為0.2%，緩凝劑摻量為1.5%，水灰比為0.5，注漿加固層厚度為1 800 mm。

3）觀測(cè)點(diǎn)的巷道頂?shù)装逦灰屏孔畲鬄?42 mm，兩幫為104 mm；巷道最大頂?shù)装遄冃瘟亢妥畲髢蓭妥冃瘟烤谠试S的范圍內(nèi)。該錨注加固支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)較合理。