礦用高強(qiáng)錨索束在重復(fù)跨采軟巖巷道中的應(yīng)用

孫 輝，陳 晨，馬振乾，師 思

(1.重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，重慶 404100；2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

隨著煤炭資源的進(jìn)一步開發(fā)，復(fù)雜條件下的煤層開采，逐漸成為制約煤礦高效生產(chǎn)的瓶頸，重復(fù)跨采軟巖巷道圍巖控制技術(shù)難題便是其中之一[1-4]。對此，眾多學(xué)者開展了一系列研究[5-12]，例如：荊升國等針對蘆嶺煤礦28采區(qū)底板準(zhǔn)備巷道需承受上部工作面重復(fù)跨采影響的特點(diǎn)，在分析巷道圍巖變形機(jī)理和巷道原有支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出“主-被動耦合一體化支護(hù)技術(shù)”[13]。馬振乾等通過相似模擬試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值計算研究了重復(fù)跨采下煤層底板巷道圍巖應(yīng)力及位移特征，提出了雙層錨網(wǎng)噴聯(lián)合中空注漿錨索的控制技術(shù)[14]。李學(xué)華等通過FLAC2D模擬了高水平應(yīng)力跨采巷道圍巖的變形破壞規(guī)律，提出了在關(guān)鍵部位采取非均勻支護(hù)的技術(shù)體系[15]。王建行等通過回歸分析和FLAC3D模擬預(yù)測了復(fù)雜開采條件下底板巷道在跨采過程中的最大位移變形量，根據(jù)結(jié)果提出了巷道的二次加固方案[16]。

重復(fù)跨采軟巖巷道在多次采動應(yīng)力影響下，圍巖強(qiáng)度大幅降低、巖體呈現(xiàn)松散破碎狀，具有明顯的流變性、膨脹性特征，常規(guī)支護(hù)手段都難以控制該類巷道保持長期穩(wěn)定。鑒于此，以淮北蘆嶺礦II82運(yùn)輸上山為工程背景，在分析重復(fù)跨采影響下巷道變形破壞原因的基礎(chǔ)上，提出采用“常規(guī)錨網(wǎng)噴+淺部圍巖注漿強(qiáng)化加固+礦用高強(qiáng)錨索束聯(lián)合中空注漿錨索支護(hù)”控制技術(shù)，取得了較好的效果，可為相似圍巖條件的巷道支護(hù)提供一定的借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

淮北蘆嶺礦Ⅱ82運(yùn)輸上山，上距9煤底板平均法距為40m，埋深為-460～-585m，巖層傾角為5°～10°，局部巖性較弱，以泥巖和粉砂巖為主，且層理較發(fā)育。巷道布置如圖1所示。Ⅱ82運(yùn)輸上山上覆煤層主要為8煤、9煤，平均厚度分別為10.3m、2.3m，都具瓦斯突出危險，開采過程中先采8煤頂分層解突，再通過綜放采8煤底分層，最后對9煤進(jìn)行開采。Ⅱ82運(yùn)輸上山同一區(qū)段在上覆煤層開采過程中需承受高達(dá)9次的跨采影響。

圖1 II82運(yùn)輸上山布置示意圖

2 巷道變形破壞分析

2.1 巷道變形破壞特征

Ⅱ82運(yùn)輸上山一至四區(qū)段采用U29支架支護(hù)，五區(qū)段采用“錨網(wǎng)噴+注漿+錨索”支護(hù)。在經(jīng)歷2次跨采后，變形破壞具以下特征：

1)U29支架支護(hù)段巷道破壞特征主要表現(xiàn)為支架非對稱變形、嚴(yán)重底鼓。在空頂、空幫及上覆采面跨采方向的作用下，支架負(fù)載不均勻，加之支架自身側(cè)面抗壓能力差，導(dǎo)致支架發(fā)生整體變形甚至傾倒，呈現(xiàn)出非對稱變形破壞。

2)錨網(wǎng)噴支護(hù)段巷道破壞特征主要表現(xiàn)為巷道頂、底、幫整體劇烈緊縮變形破壞，巷道多從鋼帶接合處和金屬網(wǎng)壓茬處突破破壞。

2.2 巷道動態(tài)失穩(wěn)原因分析

2.2.1 巷道圍巖強(qiáng)度

為進(jìn)一步分析巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)，在Ⅱ82運(yùn)輸上山取巖塊加工制成巖石試件分別進(jìn)行抗壓和抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用815.02型電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。由于巖塊松軟，難以加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸圓柱形試件，為保證巖石試件能完整加工成圓柱形，故適當(dāng)加大了試件直徑和高度，理論上與標(biāo)準(zhǔn)尺寸圓柱形試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，存在一定差別，但基本能反映巖石整體的力學(xué)性質(zhì)。巖石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)試件直徑為60～65mm，高度為96～108mm；巖石抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)試件直徑為59～65mm，高度為54～57mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1和表2。

表1 巖石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 巖石抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

巖石試件的平均抗壓強(qiáng)度為15.26MPa，堅固性系數(shù)f為1.526，級別為VI級，堅固程度比較軟；巖石試件的平均抗拉強(qiáng)度僅為1.43MPa。由此可見，Ⅱ82運(yùn)輸上山局部巖性弱，自身強(qiáng)度低，難以在多次重復(fù)跨采下保持穩(wěn)定。

2.2.2 圍巖流變影響

蘆嶺煤礦Ⅱ82運(yùn)輸上山，圍巖中泥巖所占比重大，且泥巖中黏土成分含量高，同時層理發(fā)育充分，自身強(qiáng)度低，屬于典型的軟巖巷道。通過礦壓觀測分析，Ⅱ82運(yùn)輸上山在掘出90d后的1年內(nèi)圍巖的平均變形速度高達(dá)1.8～3.2mm/d，比正常巷道的流變速度高5～8倍左右。由此可見，在復(fù)雜高應(yīng)力、圍巖流變的影響下，Ⅱ82運(yùn)輸上山自掘出以來，一直處于持續(xù)變形階段，始終無法穩(wěn)定下來，當(dāng)圍巖變形量一旦突破臨界點(diǎn)，巷道即完全失穩(wěn)。

2.2.3 巷道承受多次重復(fù)跨采影響

為進(jìn)一步探究重復(fù)跨采對Ⅱ82運(yùn)輸上山的變形破壞影響，在巷道變形破壞最嚴(yán)重處布置了3個6m深的窺視鉆孔，觀察分析圍巖松動圈的發(fā)展情況。結(jié)果顯示：左幫鉆孔深0～0.1m內(nèi)橫向和斜向裂隙環(huán)生，1m處出現(xiàn)15mm寬的環(huán)向大裂隙；右?guī)豌@孔深2.6m處出現(xiàn)8mm寬的斜向大裂隙，3.6m以后巖層完整性較好，如圖2所示。頂板上方0～0.2m內(nèi)，圍巖以松散碎裂狀為主，鉆孔深2.3m處出現(xiàn)寬9mm的環(huán)向裂隙，3.1m以上圍巖完整情況較好，如圖3所示?，F(xiàn)場鉆孔窺視分析表明，圍巖松動圈破壞范圍高達(dá)3～3.6m左右。

圖2 巷道幫部鉆孔窺視圖

圖3 巷道頂板鉆孔窺視圖

2.2.4 巷道支護(hù)方式

支護(hù)方式不合理，Ⅱ82運(yùn)輸上山大部分區(qū)段采用U29支架支護(hù)，空頂空幫的存在，加之圍巖內(nèi)部未進(jìn)行注漿加固，表層未進(jìn)行噴漿，導(dǎo)致支架與圍巖間留有空隙不能緊密貼合，在重復(fù)跨采影響下，支架負(fù)載不均，承載能力急劇下降。

綜上，在巷道圍巖流變?nèi)趸?、多次重?fù)跨采影響、巷道支護(hù)方式不合理的相互耦合作用下，Ⅱ82運(yùn)輸上山變形破壞劇烈，最終發(fā)生嚴(yán)重失穩(wěn)。

3 新型礦用高強(qiáng)錨索束

3.1 支護(hù)原理

礦用高強(qiáng)錨索束是一種多鋼絞線組合預(yù)應(yīng)力錨索。自由段鋼絞線表面加裝光滑套管以保證后期可自由張拉，在錨固段注漿錨固后，聯(lián)同錨頭的鎖緊，將錨頭施加的拉力傳至錨固區(qū)域，同時實(shí)現(xiàn)淺部圍巖的加固。錨固段的鋼絞線裸露不采用光滑套管能與砂漿良好粘結(jié)，通過注漿管進(jìn)行全長注漿，完成端部錨固，在強(qiáng)化加固巷道破碎圍巖的同時將自由段的預(yù)應(yīng)力傳遞到巷道圍巖深處，進(jìn)一步提高圍巖錨固體的承壓作用。

3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

礦用高強(qiáng)錨索束的主體由4根直徑15.24mm(最小抗拉強(qiáng)度值大于等于1860MPa)的鋼絞線和注漿管構(gòu)成，錨索束結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。其他構(gòu)件包括：導(dǎo)向帽、堵漿圓鋼、箍環(huán)、自由段鋼絞線光滑套管、雙止?jié){塞、多孔鎖具、方形托板。

圖4 錨索束整體結(jié)構(gòu)

圖5 錨索束結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

3.3 施工方法

現(xiàn)場施工方法主要包括4步：

1)鉆孔：礦用高強(qiáng)錨索束直徑約為65mm，安裝孔徑設(shè)計為75～80mm，可采用大孔徑地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行施工，鉆孔結(jié)束后要檢查成孔質(zhì)量，不可堵塞，孔深要略大于錨索束設(shè)計長度，以便后期能順利推送入孔底。

2)安裝：礦用高強(qiáng)錨索束的現(xiàn)場安裝采用人工合作推送，由于主體由4根鋼絞線和注漿管構(gòu)成，鋼絞線具有一定韌性，所以現(xiàn)場安裝時確保束體順直。

3)注漿：礦用高強(qiáng)錨索束利用錨固段的鋼絞線裸露不采用光滑套管能與砂漿良好粘結(jié)，通過注漿管采用水泥砂漿進(jìn)行全長注漿，同時實(shí)現(xiàn)端部錨固。水泥砂漿由325號普通硅酸鹽水泥、粒徑小于2mm的中細(xì)砂和水配制而成，比例為1∶0.5∶1。采用高壓注漿，壓力控制在5～6MPa，完成注漿后可用化學(xué)封孔劑或快凝水泥封孔。

4)張拉：礦用高強(qiáng)錨索束采用4根鋼絞線聯(lián)合協(xié)同預(yù)緊，整體預(yù)應(yīng)力按400kN設(shè)計，單根鋼絞線則為100kN。在漿液完全硬化凝固后方可張拉，間隔期一般不小于7d。錨具采用4孔一體式圓形錨具，張拉通過千斤頂采取分段逐級方式，以20kN為一級逐段逐根張拉。

4 工程應(yīng)用實(shí)踐

Ⅱ82運(yùn)輸上山在多次跨采影響下，呈現(xiàn)應(yīng)力條件復(fù)雜、縱橫裂隙交叉發(fā)育、圍巖松動破壞范圍大等特點(diǎn)，在巷道試驗(yàn)段采用了“常規(guī)錨網(wǎng)噴+淺部圍巖注漿強(qiáng)化加固+礦用高強(qiáng)錨索束聯(lián)合中空注漿錨索支護(hù)”控制技術(shù)。

4.1 巷道圍巖加固方案

4.1.1 常規(guī)錨網(wǎng)噴

首先將試驗(yàn)巷道擴(kuò)刷修復(fù)至4600mm×3600mm，然后對圍巖表層進(jìn)行噴漿處理，厚度50mm。錨桿規(guī)格為M24-Φ22-2400mm，間排距為800mm×800mm，巷道正中頂部錨桿垂直布置，兩幫底角錨桿下扎25°布置，錨固方式為加長錨固，預(yù)緊力不小于80kN，錨固力不小于150kN。托板外形為方形球面，規(guī)格為200mm×200mm×10mm；金屬網(wǎng)尺寸為2500mm×900mm，施工結(jié)束后再次噴漿處理，厚度為50mm。

4.1.2 淺部圍巖注漿強(qiáng)化加固

完成常規(guī)錨網(wǎng)噴支護(hù)后，進(jìn)行注漿錨桿淺部圍巖注漿強(qiáng)化，注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥，間排距1600mm×2400mm，從巷道底角依次向上注漿。注漿錨桿長度設(shè)計為2.0m，注漿鉆孔直徑為42mm，深度為2.8m，注漿壓力控制在不得大于3MPa。

4.1.3 礦用高強(qiáng)錨索束聯(lián)合中空注漿錨索加固

礦用高強(qiáng)錨索束規(guī)格設(shè)計為Φ65mm×10300mm，一個斷面布置4套，距巷道頂板中線兩邊1600mm各布置一套，距底板200mm處兩幫下扎25°各布置一套，排距設(shè)計為2400mm。中空注漿錨索一個斷面布置3套，間排距設(shè)計為3200mm×2400mm，規(guī)格為Φ22mm×6300mm，端部采用錨固劑錨固，注漿采用水灰比為1∶1的水泥漿液，高壓注漿，壓力保證在5～7MPa之間。支護(hù)完成后噴漿處理圍巖表面，厚度100mm，具體支護(hù)參數(shù)如圖6所示。

圖6 錨索束聯(lián)合中空注漿錨索支護(hù)參數(shù)圖(mm)

4.2 巷道圍巖加固效果分析

通過礦山壓力監(jiān)測與觀察，得到Ⅱ82運(yùn)輸上山變形曲線，如圖7所示：

1)由圖7(a)圖可看出，常規(guī)支護(hù)非試驗(yàn)段巷道在工作面跨采過程中，巷道底鼓量高達(dá)105mm，頂板位移最大達(dá)35mm，兩幫位移最大達(dá)58mm。

2)由圖7(b)圖可看出，礦用高強(qiáng)錨索束應(yīng)用試驗(yàn)段巷道在工作面跨采過程中，巷道頂板、底板、幫部位移量依次為20mm、42mm、25mm，相對常規(guī)支護(hù)段分別降低43%、60%、57%，圍巖穩(wěn)定性得到大幅提高。

圖7 Ⅱ82運(yùn)輸上山變形曲線

5 結(jié) 論

1)Ⅱ82運(yùn)輸上山在經(jīng)歷上覆工作面2次跨采影響后，圍巖嚴(yán)重失穩(wěn)，變形破壞具有以下特征：U29支架支護(hù)段主要表現(xiàn)為支架非對稱變形、嚴(yán)重底鼓；錨網(wǎng)噴支護(hù)段則表現(xiàn)為頂、底、幫整體劇烈緊縮變形破壞。

2)通過巖石力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)、現(xiàn)場鉆孔窺視，結(jié)合理論分析，得出了重復(fù)跨采影響下Ⅱ82運(yùn)輸上山動態(tài)失穩(wěn)的主要原因，即：巷道圍巖自身強(qiáng)度低、圍巖流變影響、多次重復(fù)跨采影響、支護(hù)方式選擇不合理。

3)針對重復(fù)跨采影響下的Ⅱ82運(yùn)輸上山，采用“常規(guī)錨網(wǎng)噴+淺部圍巖注漿強(qiáng)化加固+礦用高強(qiáng)錨索束聯(lián)合中空注漿錨索支護(hù)”控制技術(shù)，結(jié)果顯示，在工作面跨采期間巷道頂板、底板、幫部位移量依次為20mm、42mm、25mm，相對常規(guī)支護(hù)非試驗(yàn)段巷道分別降低43%、60%、57%，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制，可為相似圍巖條件的巷道支護(hù)提供一定借鑒。