高應(yīng)力大斷面巷道圍巖控制及支護(hù)技術(shù)研究

孫春雷

（晉煤集團(tuán)沁水胡底煤礦，山西 晉城 048214）

胡底煤礦一盤區(qū)中部布置5條大巷，在大巷兩側(cè)布置工作面進(jìn)行開采，巷道設(shè)計(jì)凈斷面為21.83m2。其中輔運(yùn)巷在2015年經(jīng)歷一次巷修，主要采用挑頂、擴(kuò)刷、全錨索支護(hù)、噴漿、注漿工藝，但隨著首采面1301工作面回采臨近停采線，受地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及采動(dòng)影響，巷道變形破壞非常嚴(yán)重，雖多次進(jìn)行維修，但始終難以從根本上解決高應(yīng)力大斷面巷道支護(hù)技術(shù)難題。

目前礦井正在開拓1103巷，為了有效控制巷道圍巖變形破壞，確保礦井安全、可持續(xù)生產(chǎn)，迫切需要針對(duì)胡底煤礦的實(shí)際情況，開展高應(yīng)力大斷面巷道支護(hù)技術(shù)研究，分析巷道的圍巖變形規(guī)律和破壞特征，確定合理的圍巖控制技術(shù)及支護(hù)參數(shù)。

1 工程地質(zhì)概況

胡底煤礦現(xiàn)開采的3#煤層位于山西組下部，開采水平垂深達(dá)500～700m，煤層平均厚度5.72m，傾角平均6°，全區(qū)穩(wěn)定可采。井田內(nèi)主要地質(zhì)構(gòu)造以褶曲為主，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。3#煤層基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度3.56m，直接頂為泥巖，平均厚度8.19m，直接底為泥巖，厚度為6.78m，基本底為細(xì)砂巖，厚度為3.8m。

1103巷道斷面設(shè)計(jì)為矩形，凈寬×凈高=5400mm×3900mm，斷面積為21.06m2，沿3#煤層頂板掘進(jìn)。

2 圍巖特性曲線的確定

根據(jù)1103巷道現(xiàn)場實(shí)際情況，煤層直接頂為8m左右的泥巖，兩幫和底板均為3#煤，巷道松動(dòng)圈值為1.8m，為典型的軟巖巷道，采用霍克—蘭丹尼理論對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算。

巷道距地表垂深700m，3#煤層頂板泥巖的單向抗壓強(qiáng)度σ=40.29MPa，彈性模量E=4.361×103MPa， 泊松比μ=0.29， 巖石容重γ=23.2kN/m3，相當(dāng)原巖應(yīng)力P0=16.24MPa。計(jì)算步驟如下：

以矩形掘進(jìn)斷面的外接圓作為等效圓

求常數(shù)M、D、Nr

由于塑性區(qū)中巖體節(jié)理化的發(fā)展，其質(zhì)量逐漸降低。此時(shí)，可取mr=0.2；sr=0.0001。

求塑性區(qū)半徑R

式中：

pi—錨桿的工作阻力或支架抗力，MPa。

求彈性區(qū)位移u

求塑性區(qū)體積應(yīng)變?chǔ)臯

求塑性區(qū)位移uR

其中：

取錨桿的工作阻力（支護(hù)抗力）分別為3MPa、2MPa、1MPa、0.5MPa、0.2MPa、0MPa，計(jì)算出R、u、εV和uR列入表1，繪制成圍巖特性曲線如圖1所示。表1中塑性區(qū)體積應(yīng)變?chǔ)臯為負(fù)值，表示體積增大。

表1 計(jì)算結(jié)果表

圖1 圍巖特性曲線

由計(jì)算結(jié)果知，被動(dòng)支護(hù)支護(hù)抗力為零時(shí)的圍巖塑性區(qū)位移uR=241mm。巷道圍巖允許位移區(qū)間[uR]=（0.4～0.8）uR=96.4～192.8mm。在選擇巷道支護(hù)時(shí)，巷道周邊位移應(yīng)落入允許位移區(qū)間[uR]內(nèi)，此時(shí)表明支護(hù)方式合理。

3 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1103巷設(shè)計(jì)采用“錨桿+錨索+錨網(wǎng)+噴漿”的支護(hù)方式。

3.1 錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）錨索長度計(jì)算

錨索長度L應(yīng)為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度La、需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度（5m）、托板及錨具的厚度（0.1m）及外露張拉長度（0.25m）之和。其中：

式中：

K-安全系數(shù)，取2；

d1-錨索直徑，取22mm；

fa-錨索抗拉強(qiáng)度，取1720N/mm2；

fc-錨索與錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度，10N/mm2；

L=1.892+5+0.1+0.25=7.242m。

結(jié)合以上計(jì)算取錨索長度為7.3m。

（2）采用懸吊作用理論進(jìn)行校核巷道頂錨索間、排距a：

應(yīng)滿足：

式中：

G-錨索設(shè)計(jì)錨固力，250kN/根；

k-安全系數(shù)，一般取2；

L2-有效長度，取b；

L2=b（錨索取圍巖松動(dòng)圈冒落高度）

式中 ：

B-巷道掘?qū)挘?.4m；

H-巷道掘高，3.9m；

f-頂—頂板巖石普氏系數(shù)，取實(shí)測值4.0；

ω-兩幫圍巖的似內(nèi)摩擦角， 76°；

γ- 巖石容重，25kN/m 3。

帶入公式算得L2=b=0.79m。

經(jīng)計(jì)算a＜2.52m。

因此，頂錨索間排距為2.0×2.0m。

3.2 幫錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)確定

巷幫支護(hù)所需提供的最大支護(hù)力為：

為保持巷幫不失穩(wěn)，則支護(hù)體提供的支護(hù)力P≥δ3max，則錨桿的間距為：

式中：

Q-幫錨桿錨固力，取50kN；

a1-幫錨桿的間距，m；

b1-幫錨桿排距，取1.0m；

γ-煤的容重，取13.6kN/m3；

d-巷道半寬，取2.7m；

H-巷幫高度，取3.9m；

φ-煤層內(nèi)摩擦角，取28°；

f-煤層普氏系數(shù)，取1.56；

K1-錨桿安全系數(shù)，取1.5。

經(jīng)計(jì)算，δ3max=33.66MPa

一次和二次噴層抗力共計(jì)0.278MPa，鋼筋網(wǎng)抗力0.054MPa，巷幫錨桿支護(hù)所需提供的最大支護(hù)力為：33.66-0.278-0.054=33.33MPa

因此，幫錨桿間排距為1.0m×1.0m，結(jié)合以往工程支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在巷幫上增設(shè)2根4.3m長錨索，幫錨索間距取2.0m，進(jìn)一步減小兩幫塑性區(qū)的變形量。巷道布置平剖面圖如圖2所示。

圖2 1103巷道錨噴支護(hù)方案平剖面圖

3.3 錨桿間距和圍巖變形量驗(yàn)算

錨索抗力：

式中：

τs-錨索許用屈服強(qiáng)度，取484MPa；

F-錨索橫截面積。

“錨網(wǎng)索噴”支護(hù)總抗力P=0.278+0.054+0.332=0.664MPa，查圍巖特性曲線圖，在該支護(hù)抗力作用下，巷道周邊位移uR＇=184mm，被動(dòng)支護(hù)支護(hù)抗力為零時(shí)的圍巖塑性區(qū)位移uR=241mm，巷道圍巖允許位移區(qū)間[uR]=（0.4～0.8）uR=（0.4～0.8）×241=96.4～192.8mm。巷道周邊位移落入允許位移區(qū)間[uR]范圍內(nèi)，表明所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案合理。

3.4 錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)確定

（1）錨桿的布置方式

① 頂錨桿布置方式

采用Ф22、L=2400mm錨桿，矩形布置，每排6根，間排距為1000mm×1000mm，邊上兩根距巷幫200mm。采用樹脂加長錨固，錨固長度為1675mm，錨桿安設(shè)角度與頂板垂直，錨固力不小于150kN，加掛W形鋼帶和鋼筋網(wǎng)，W形鋼帶型號(hào)為W280×400/4。

② 幫錨桿布置方式

采用Ф22、L=2400mm錨桿，矩形布置，每排每幫4根，間排距為1000mm×1000mm，最上一根錨桿距頂板300mm，最下一根錨桿距底板600mm。錨桿采用樹脂加長錨固，錨固長度為1675mm，錨桿安設(shè)角度與巷幫垂直，錨固力不小于150kN，加掛鋼筋網(wǎng)。

（2）錨索的布置方式

① 頂錨索的布置方式

采 用 Ф22mm、L=7300mm的 錨 索，型號(hào)SKP22-1/1720，每排3根，間排距為2000×2000mm，邊上兩根距巷幫700mm。為能夠充分發(fā)揮錨索、錨桿組合支護(hù)效果，在錨索與錨索之間加掛W形鋼帶和鋼筋網(wǎng)，W形鋼帶型號(hào)為W280×400/4，錨索預(yù)應(yīng)力不小于250kN。

② 幫錨索的布置方式

采用Ф22mm、L=4300mm的錨索，錨索兩幫各2根，每排4根，間排距為2000×2000mm，矩形布置，上部錨索距頂板800mm。錨索預(yù)應(yīng)力不小于250kN，幫部錨索距底板超過1.5m時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)打錨索。

（3）混凝土噴漿

在安裝完金屬網(wǎng)、W形鋼帶、錨桿、錨索后，需要對(duì)巷道周圍進(jìn)行噴射混凝土，混凝土厚度100mm，水泥：砂：石子（體積比）=1：2：2，并摻入水泥用量的5%的速凝劑，強(qiáng)度等級(jí)：C20。

4 效果

根據(jù)后期礦壓監(jiān)測結(jié)果可知，巷道位移量頂板最大為154mm，底板最大為189mm，左幫為190mm，巷道圍巖控制效果較好。頂板離層監(jiān)測結(jié)果表明，巷道頂部松動(dòng)離層值很??；錨桿（索）測力計(jì)讀數(shù)顯示，錨桿受力處于合理狀態(tài)，頂板處于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；錨桿錨固力和預(yù)緊力矩抽檢結(jié)果合格率高，表明巷道錨桿支護(hù)施工質(zhì)量好，支護(hù)系統(tǒng)安全可靠。以上監(jiān)測結(jié)果表明，該支護(hù)方案合理，在類似地質(zhì)條件下可推廣運(yùn)用。