深部采區(qū)軌道下山巷道鋼絲繩網(wǎng)錨注支護技術(shù)研究

李如波，涂興子，翟新獻，李明遠，肖同強，黃廣帥

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.淮北市平遠軟巖支護工程技術(shù)有限公司，安徽 淮北 235000)

隨著煤炭資源的長期高強度開采，平頂山礦區(qū)多數(shù)礦井進入了深部開采。深井采準巷道通常位于煤層底板，圍巖巖性較差，受采動影響后，圍巖變形量大、支護困難，影響到煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-6]，其中受采動影響的采區(qū)軌道下山巷道，受兩側(cè)工作面的多次采動影響后巷道變形極其嚴重，在數(shù)十年的服務(wù)年限內(nèi)，巷道長期處于“翻修—失修—再翻修—再失修”的惡性循環(huán)狀態(tài)，采用常規(guī)的聯(lián)合支護技術(shù)需要經(jīng)過多次翻修，巷道仍難以滿足正常使用要求[7-12]。平頂山天安煤業(yè)有限公司五礦(簡稱平煤五礦)己三下延采區(qū)軌道下山，巷道采用“錨桿(索)+U型鋼拱形支架”聯(lián)合支護翻修后，仍然出現(xiàn)較大變形，嚴重影響到煤礦的安全生產(chǎn)。為此，本文針對平煤五礦己三下延軌道下山進行采區(qū)巷道鋼絲繩網(wǎng)錨注支護技術(shù)研究。

1 工程概況

平煤五礦位于河南省平頂山礦區(qū)西部，為平頂山礦區(qū)的主干礦井之一。經(jīng)過技術(shù)改造后，2012年礦井核定生產(chǎn)能力200萬t/a。目前生產(chǎn)水平為第二水平，生產(chǎn)采區(qū)為己三采區(qū)和己三下延采區(qū)，主要開采已15、已16-17煤層，開采深度為700～1000m。

平煤五礦己三下延采區(qū)為雙翼采區(qū)，布置四條采區(qū)下山即軌道下山、運輸下山、東翼回風下山、西翼回風下山，四條下山周圍布置有暗斜井和進風行人巷，采區(qū)巷道布置如圖1所示。運輸下山、東翼回風下山、西翼回風下山均為煤層巷道；軌道下山為底板巖石斜巷，距己15煤層底板19.3～28.8m；巷道傾角12°，圍巖為泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r；巷道埋深968.2～838.8m，屬于深井軟巖巷道。

圖1 己三下延采區(qū)巷道布置平面圖

己三下延采區(qū)軌道下山上段采用錨桿(索)支護或U型鋼可縮性拱形支架支護，當采區(qū)兩側(cè)已15、已16-17煤層工作面開采后，軌道下山將出現(xiàn)劇烈變形。經(jīng)過翻修以后，巷道仍然出現(xiàn)持續(xù)流變，每1～2a翻修一次，巷道維修工程量大，維修費用高。

2 軌道下山巷道變形破壞機理

2.1 圍巖變形破壞現(xiàn)狀

隨著礦井開采強度的增加，礦井開采深度和巷道斷面越來越大，深部采準巷道的支護問題越來越嚴重。平煤五礦己三下延采區(qū)軌道下山全長1200m，巷道斷面為直墻半圓拱，原支護形式為錨(索)網(wǎng)噴支護。巷道掘出1～2a，軌道下山出現(xiàn)頂板下沉、片幫、噴層開裂、金屬網(wǎng)撕裂、錨桿失錨等嚴重變形破壞。軌道上山上部470m巷道，采用“36U拱形支架+噴射混凝土聯(lián)合支護”翻修后，局部地段仍底鼓，巷道失修嚴重。軌道上山中部有130m巷道，采用“36U拱形支架+噴射混凝土+錨注支護”翻修后，兩幫變形不明顯，有底鼓現(xiàn)象。軌道上山下部600m巷道，采用“36U拱形支架+噴射混凝土+錨注支護”翻修后，巷道兩幫和頂?shù)装遄冃稳匀粐乐?，局部出現(xiàn)尖頂、底鼓現(xiàn)象。由上述分析可以看出，翻修后軌道下山仍出現(xiàn)全斷面持續(xù)變形、圍巖破碎區(qū)持續(xù)擴大的現(xiàn)象，圍巖松散破碎，圍巖承載能力較低，因此采用目前的支護形式需要對軌道下山進行二次或者多次翻修，顯著增加了翻修巷道圍巖控制難度。

2.2 圍巖變形破壞原因分析

巷道圍巖穩(wěn)定性主要取決于圍巖應(yīng)力、圍巖性質(zhì)，以及支護方式和支護參數(shù)。

2.2.1 圍巖應(yīng)力情況分析

平煤五礦位于平頂山礦區(qū)西部，西部井田最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值即側(cè)壓系數(shù)為 0.60～0.92，地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主，屬于自重應(yīng)力場類型。統(tǒng)計結(jié)果表明，井田地應(yīng)力中垂直應(yīng)力與埋深之間滿足下列關(guān)系[1-4]：

σV=0.0179H+5.5351

(1)

式中，σV為測點垂直應(yīng)力，MPa；H為測點埋深，m。

隨著埋深的增加，地應(yīng)力升高，井田地應(yīng)力中垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力逐漸增大。軌道下山巷道埋深839～968m，平均903.5m，因此地應(yīng)力中垂直應(yīng)力達到21.7MPa，屬于深井巷道。

2.2.2 圍巖巖性及采動影響情況分析

軌道下山位于己組煤層底板泥巖或碳質(zhì)泥巖巖層中。圍巖碎裂后成為散體，強度較低，屬于深井軟巖巷道。此外軌道下山受兩側(cè)工作面的采動應(yīng)力的影響以及巷道群掘進擾動應(yīng)力的影響：軌道下山位于采區(qū)中部，巷道兩側(cè)的準備巷道較為密集，巷道兩側(cè)共布置5條巷道，即西側(cè)布置有西翼回風下山和膠帶暗斜井；東側(cè)布置有運輸下山、東翼回風下山、進風行人巷，相鄰巷道間距為20～40m。除受到周圍平行巷道的影響外，軌道下山還受到采區(qū)車場等交錯巷道的影響，所以在一定程度上，密集巷道開挖將引起軌道下山巷道圍巖應(yīng)力升高。

己三下延采區(qū)為雙翼下山采區(qū)，采區(qū)劃分為6個區(qū)段，區(qū)段內(nèi)布置走向長壁采煤工作面，煤層間實行下行開采。軌道下山位于采區(qū)中部、已16-17煤層底板巖層中。軌道下山距西翼工作面終采線120～150m，距東翼工作面停采線200～300m。目前，位于軌道下山兩側(cè)的已組煤層采煤工作面已經(jīng)全部回采結(jié)束。軌道下山處于兩側(cè)采空的固定煤柱支承壓力長期作用下，巷道圍巖呈現(xiàn)出明顯的流變特性。

2.2.3 支護方式和支護參數(shù)

軌道下山原支護采用錨網(wǎng)噴支護，在高地應(yīng)力和多次采動應(yīng)力作用下，圍巖出現(xiàn)了嚴重的變形，說明錨網(wǎng)噴支護方式和支護參數(shù)難以滿足巷道圍巖穩(wěn)定要求。

當出現(xiàn)較大變形后，軌道下山采用了“36U拱形可縮性支架+噴射混凝土”聯(lián)合支護進行翻修，局部地段增加了錨注支護。但是，金屬支架屬于被動支護，不能及時控制圍巖變形，出現(xiàn)局部集中載荷，導致支架承載能力嚴重下降，致使圍巖變形得不到有效控制，惡化了圍巖條件，以致出現(xiàn)“翻修—失修—再翻修—再失修”的惡性循環(huán)。而軌道下山局部采用錨注支護的地段，由于注漿加固后圍巖強度得到較大提高，圍巖承載能力提高，圍巖控制效果得到相應(yīng)改善，所以巷道翻修時間延長。但由于軌道下山底板未進行支護或加固，錨注支護參數(shù)和支護結(jié)構(gòu)不合理，因此局部地段巷道仍出現(xiàn)尖頂、兩幫內(nèi)移和底鼓等現(xiàn)象。

綜上所述，圍巖應(yīng)力高、巖性差且受采動影響，以及錨注支護方式及支護參數(shù)不合理，致使軌道下山圍巖出現(xiàn)嚴重變形破壞。

3 軌道下山圍巖穩(wěn)定控制原則

在采動影響下，平煤五礦采區(qū)軌道下山巷道圍巖變形破壞特征為：①經(jīng)歷掘巷和翻修兩次大的變形后，巷道頂板、兩幫及底板出現(xiàn)了全斷面嚴重變形破壞；②翻修后，巷道圍巖處于峰后破壞區(qū)，圍巖比較破碎，其承載能力大幅度下降，在高應(yīng)力作用下，巷道圍巖破碎區(qū)仍持續(xù)擴大；③ 當巷道圍巖出現(xiàn)較大變形后，混凝土噴層出現(xiàn)大面積開裂，甚至出現(xiàn)脫落、片幫，錨網(wǎng)噴支護逐漸失效，圍巖穩(wěn)定性降低等現(xiàn)象。

3.1 深部巷道錨網(wǎng)注聯(lián)合支護存在的主要問題

1)普通噴射混凝土存在允許變形量小、抗拉強度較低的缺陷，屬于脆性材料。當允許變形量超過50～100mm，混凝土噴層出現(xiàn)裂縫、破碎、松動和脫落等變形破壞現(xiàn)象，噴射混凝土支護失效。當噴層開裂松散以后極易引起混凝土噴層內(nèi)部金屬網(wǎng)或鋼筋網(wǎng)腐蝕和混凝土劣化，這是造成錨網(wǎng)注支護失效破壞的主要原因。因此現(xiàn)有噴射混凝土支護已經(jīng)難以適應(yīng)深部軟巖巷道大變形和長期流變的地質(zhì)條件。

2)現(xiàn)有錨網(wǎng)支護的金屬網(wǎng)(鋼筋網(wǎng))難以與巷道圍巖密貼，且金屬網(wǎng)網(wǎng)孔偏小，混凝土噴層與巷道圍巖不密實甚至離層，深部軟巖錨網(wǎng)支護性能降低。受金屬網(wǎng)阻擋作用，將圍巖面的凹陷區(qū)域阻擋。當噴射壓力或噴射距離較遠時，噴射混凝土可能堆積在金屬網(wǎng)的外面，在金屬網(wǎng)的內(nèi)面形成空洞或松散區(qū)。

3)現(xiàn)有的圍巖注漿錨桿一般由普通鍍鋅無縫鋼管加工而成，注漿錨桿沒有預(yù)緊力和錨固力，僅僅對圍巖起到注漿加固的作用，起不到錨桿錨固的性能。

3.2 軌道下山圍巖穩(wěn)定控制原則

針對軌道下山巷道變形破壞特征和目前深部巷道聯(lián)合支護中存在的問題，提出了軌道下山圍巖穩(wěn)定控制原則。

1)全斷面支護原則。由于軌道下山出現(xiàn)了頂板、兩幫以及底板的全斷面破壞，僅對頂板和兩幫進行支護，頂板和兩幫的壓力則向底板轉(zhuǎn)移和釋放，將造成底板破壞。而底板的破壞則會減弱頂板和兩幫的著力基礎(chǔ)，最終引起頂板和兩幫的變形，形成“底板破壞→兩幫破壞→頂板破壞”的圍巖破壞順序。

2)強化圍巖自身承載能力原則。翻修巷道圍巖破碎深度大，承載能力顯著下降，采用U型鋼可縮性金屬支架進行支護，難以利用圍巖自身的承載能力，且金屬支架屬于被動支護，其承載能力有限，加劇了圍巖和支護結(jié)構(gòu)的破壞。通過錨桿支護或注漿加固改善圍巖性質(zhì)，提高圍巖強度，才能避免在高應(yīng)力作用下圍巖破碎區(qū)和塑性區(qū)的進一步擴大。

3)柔性噴層支護原則。目前錨網(wǎng)噴支護的金屬網(wǎng)混凝土噴層的柔性較小，當圍巖發(fā)生較大變形時，混凝土噴層易發(fā)生開裂破壞，噴層的支護作用逐漸減弱。通過在混凝土噴射前鋪設(shè)鋼絲繩網(wǎng)，特別是通過分層鋪設(shè)鋼絲繩網(wǎng)時，能夠有效地提高混凝土噴層的柔性和抗拉強度，提高噴層的密閉和整體支護作用，有效地防止混凝土噴層開裂和脫落。

4 鋼絲繩網(wǎng)錨注支護工業(yè)性試驗

依據(jù)軌道下山圍巖穩(wěn)定控制原則，2011年12月在軌道下山下段進行鋼絲繩網(wǎng)錨注支護工業(yè)性試驗。試驗地段長度200m。試驗地段西翼己17-23220工作面、東翼己17-23190和己17-23210工作面尚未開采。

4.1 巷道翻修施工

基于目前深部巷道錨網(wǎng)注聯(lián)合支護中存在的主要問題，軌道下山采用下列施工法進行翻修：

1)采用光面爆破法甚至風鎬施工成巷，減少對圍巖的擾動，圍巖暴露以后及時進行初次噴射混凝土。

2)巷道圍巖初噴以后，在圍巖懸掛鋼絲繩網(wǎng)，利用金屬錨桿進行固定，之后噴射混凝土；重復(fù)掛網(wǎng)噴射混凝土。最終在巷道圍巖形成一定厚度的鋼絲繩網(wǎng)混凝土噴層。選用的金屬錨桿為高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格直徑Φ22mm×2400mm，間排距700mm×700mm。鋼絲繩網(wǎng)為新近報廢的礦用鋼絲繩經(jīng)過無油化處理加工處理，由主副繩編制而成的經(jīng)緯網(wǎng)。將礦用鋼絲繩制作成徑向和環(huán)向單股或雙股的細鋼絲繩，其中細鋼絲繩軸向長度不得小于10m，環(huán)向長度必須橫貫巷道底板除外的整個斷面周長。徑向和環(huán)向細鋼絲繩分為主繩和副繩，主繩為雙股，副繩為單股，單股繩直徑Φ4～10mm。利用錨桿將主繩固定到圍巖表面。巷道圍巖混凝土噴層由各分層細鋼絲繩和分層噴層組成，噴層斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中第一、二、三次噴層厚度分別為80mm、60mm、60mm，噴層總厚度200mm。

1—第一層噴射混凝土；1A—第一層錨桿；1B—第一層鋼絲繩；2—第二層噴射混凝土；2A—第二層錨桿；2B—第二層鋼絲繩；3—第三層噴射混凝土；3A—第三層錨桿；3B—第三層鋼絲繩主繩；3C—第三層鋼絲繩副繩；4—第四層噴射混凝土圖2 柔性混凝土噴層結(jié)構(gòu)剖面圖

3)施工巷道底板卸壓槽，改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，在巷道圍巖中原生裂隙擴張并出現(xiàn)新的次生裂隙，有利于巷道后期圍巖注漿。利用風鎬在巷道底板兩腳開挖卸壓槽。卸壓槽形狀為矩形，深度1.5～2.0mm，寬度800mm。卸壓槽以巷道兩幫邊界線為卸壓槽中心對稱線。卸壓時間在10～15d。卸壓以后利用噴射混凝土將底板卸壓槽重新充填充實。

4)巷道底板卸壓以后，利用自閉式注漿錨桿對圍巖(含底板)進行分次注漿加固，提高注漿效果。首先打淺部注漿孔，安裝注漿錨桿，進行淺部圍巖注漿；淺部圍巖注漿結(jié)束以后，打深部注漿孔，安裝注漿錨桿，進行深部圍巖注漿。巷道錨網(wǎng)噴支護以后，滯后對圍巖進行第一次淺孔注漿。淺部注漿錨桿直徑Φ22mm×1800mm，間排距1500mm×1500mm；待注漿液凝固以后，對圍巖進行第二次深孔注漿。深孔注漿錨桿直徑Φ22mm×2200mm，間排距1500mm×1500mm，注漿孔深2500～3500mm，其中超出注漿錨桿以里的部分為裸孔。注漿錨桿與圍巖表面垂直。底角注漿錨桿下扎角度30°～45°。噴射混凝土采用525#普通硅酸鹽水泥，水∶水泥∶沙重量比為1∶2∶2。全斷面注漿錨桿布置如圖3所示。自閉式注漿錨桿結(jié)構(gòu)如圖4所示。該錨桿采用壁厚4mm，6″無縫鋼管制作而成。注漿錨桿直徑Ф22mm。在錨尾螺紋800mm以內(nèi)的桿體上，按間排距150mm×150mm順序在鋼管上鉆出直徑Φ6mm注漿小孔。注漿材料采用525#普通硅酸鹽水泥漿液。根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗，第一次注漿壓力控制在2.0～ 2.5 MPa，其中底腳注漿錨桿的注漿壓力高于頂板和兩幫圍巖的注漿壓力，一般控制在3.0～ 3.5 MPa。第二次注漿壓力高于第一次注漿壓力，注漿最終壓力穩(wěn)定在3.5MPa。

圖3 軌道下山注漿錨桿(索)布置斷面(mm)

圖4 注漿錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 圍巖控制效果

2011年12月平煤五礦己三下延采區(qū)軌道下山采用鋼絲繩網(wǎng)錨注支護翻修施工以后，軌道下山經(jīng)歷了西翼己17-23220工作面和東翼己17-23190和己17-23210工作面兩側(cè)采動影響，當兩側(cè)工作面停采以后，軌道下山仍處于較穩(wěn)定變形狀態(tài)。

根據(jù)平煤五礦支護實踐，采用“U型鋼拱形支架+噴射混凝土支護+錨桿(索)”支護等聯(lián)合支護翻修軌道下山巷道后，平均每年需要翻修一次。而采用鋼絲繩網(wǎng)錨注支護翻修試驗段巷道，直到2017年5月巷道才處于失修狀態(tài)，延長了巷道支護時間。采用該支護技術(shù)翻修前后巷道支護狀況效果如圖5所示。

圖5 翻修前后軌道下山支護狀況

由此可見，采用鋼絲繩網(wǎng)錨注支護巷道施工技術(shù)，明顯減少了巷道翻修次數(shù)，節(jié)約了大量的巷道維修費用，該支護試驗取得了顯著技術(shù)經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 論

1)平煤五礦軌道下山巷道圍巖變形破壞主要原因為圍巖應(yīng)力高、巖性差且采動影響，以及錨注支護方式及參數(shù)不合理。巷道出現(xiàn)頂板、兩幫及底板全斷面嚴重變形破壞，混凝土噴層出現(xiàn)大面積開裂，出現(xiàn)片幫、錨桿失錨現(xiàn)象，極大的影響了圍巖穩(wěn)定性。

2)針對軌道下山巷道變形破壞特征和深部采區(qū)巷道聯(lián)合支護中存在的問題，提出了全斷面支護、強化圍巖自身承載能力、柔性噴層支護原則，確定了鋼絲繩網(wǎng)、混凝土噴層結(jié)構(gòu)、注漿錨桿和注漿參數(shù)等鋼絲繩網(wǎng)錨注支護有關(guān)技術(shù)參數(shù)。

3)鋼絲繩錨注支護在軌道下山翻修中進行了工業(yè)性試驗，翻修后軌道下山經(jīng)歷了兩側(cè)工作面采動影響后，能夠滿足生產(chǎn)安全需要，現(xiàn)場試驗取得了成功。