馬脊梁煤礦運輸大巷返修支護(hù)方法

王守貴

（煤炭工業(yè)大同礦區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 大同 037003）

1 工程概況

馬脊梁煤礦煤炭資源儲量448.16 Mt，設(shè)計可采儲量285.67 Mt，礦井建設(shè)規(guī)模3.00 Mt/a，礦井設(shè)計服務(wù)年限為68.02a。其運輸大巷埋深在780～810 m之間，屬于該礦井的永久性大巷之一，巷道所處地段地質(zhì)條件變化較大，多次穿過泥巖段，巷道原支護(hù)采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿支護(hù)參數(shù)為：Φ18 mm，長度為1800 mm，間排距為800 mm×800 mm，錨索支護(hù)參數(shù)為：Φ17.8 mm，長度為5300 mm。設(shè)計斷面為直墻半圓拱形巷道。在運輸大巷開掘后，出現(xiàn)了較為明顯的變形破壞情況，嚴(yán)重影響到巷道的正常使用，雖經(jīng)多次返修，但仍舊出現(xiàn)大面積變形問題［1］。

2 運輸大巷變形特征及分析

首先，巷道頂板下沉嚴(yán)重。很多區(qū)域頂板出現(xiàn)了明顯的開裂、下沉，大面積坍塌現(xiàn)象較多，頂板下沉量平均超過了200 mm，最大下沉量接近400 mm，錨桿、錨索被拉斷現(xiàn)象較多，這表明，隨著巷道變形量的不斷增加，錨桿、錨索失去了原有的支護(hù)效能。

其次，巷道底鼓明顯。根據(jù)現(xiàn)場勘查表明，底鼓量平均達(dá)到250 mm，最大底鼓量超過了500 mm，很多地段的運輸軌道被掀翻，整個運輸?shù)墓δ芤呀?jīng)失去。

第三，兩幫收斂明顯。兩幫收斂量非常大，平均收斂量達(dá)到300 mm，最大相對收斂量接近600 mm，兩幫上錨桿、錨索被拉出現(xiàn)象較多，且在很多地段形成了大量的網(wǎng)兜，錨網(wǎng)索的支護(hù)作用下降明顯［2］。

3 運輸大巷圍巖抗壓強度等測試結(jié)果與分析

3.1 圍巖抗壓強度測試結(jié)果與分析

為了更好掌握圍巖抗壓強度對巷道穩(wěn)定性的影響，選擇使用鉆孔觸探法在運輸大巷中部位置對圍巖抗壓強度進(jìn)行了原位測試。具體布置方式為：在巷道的兩幫中部水平方向、巷道頂板中部垂直方向分別布置深度為10 m的鉆孔，使用WQCZ-56型圍巖強度測試儀器，對巷道幫部與頂板不同層面的巖石進(jìn)行抗壓強度測試，得到了圍巖強度測試結(jié)果見圖1。

圖1 運輸大巷圍巖抗壓強度測試曲線

從圖1看出，不論是巷道的幫部還是巷道的頂板，圍巖抗壓強度整體出現(xiàn)了較大波動，分析導(dǎo)致出現(xiàn)波動的原因，主要是：圍巖巖性有著較大的不同，即使處于同一巖性的巖層，也表現(xiàn)出明顯的不均質(zhì)性；圍巖抗壓強度受到層理、裂隙、節(jié)理及軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面的影響較大［3］。

3.2 巷道圍巖殘余應(yīng)力測試結(jié)果與分析

本次設(shè)計在巷道中端選擇使用盲孔法，儀器為JH-30殘余應(yīng)力檢測儀，進(jìn)行了三個位置的巷道圍巖殘余應(yīng)力測試，具體測試結(jié)果見表1，巷道所處區(qū)域內(nèi)巷道圍巖殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為4個特點：

首先，水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力，最大水平應(yīng)力均超過了32 MPa，方向在110.23°～119.24°之間，這個方向與運輸大巷軸向方向幾乎一致。

其次，垂直應(yīng)力小于最大水平主應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)均超過了1.3。

第三，最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之間的比值平均超過了1.8。

第四，垂直應(yīng)力的平均數(shù)值超過24 MPa。

通過上述分析可知，運輸大巷整體處于深井高應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合巷道多次返修之后，仍舊出現(xiàn)了明顯蠕變變形的現(xiàn)象，可判定：巷道已經(jīng)進(jìn)入到深井高應(yīng)力軟巖的狀態(tài)［4］。

表1 巷道圍巖殘余應(yīng)力測量結(jié)果

3.3 巷道圍巖松動圈范圍探測結(jié)果與分析

為了更為深入掌握巷道圍巖變形問題，選擇使用鉆孔窺探儀對松動圈范圍進(jìn)行了探測，在運輸大巷變形破壞較為明顯的位置布置5個探孔，分別布置在兩幫、兩拱肩及拱頂?shù)奈恢?，設(shè)計深度為8 m。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到了巷道探測斷面的破裂范圍圖，按破裂程度不同進(jìn)行分區(qū)，并得到圍巖松動圈分區(qū)圖。通過分析圖2可知，圍巖整體松動范圍非常大，從巷道邊界到輕微破壞區(qū)之間的距離在7 m左右，巷道邊界距離中等破壞區(qū)之間的距離在5 m左右，巷道邊界距離嚴(yán)重破壞區(qū)之間的距離在3 m左右。松動圈整體呈現(xiàn)出環(huán)形展布的方式。同時，在嚴(yán)重破壞范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育明顯，張開裂隙為主。綜上所述，由于松動圈的范圍較大，錨固系統(tǒng)整體失效明顯［5-6］。

圖2 鉆孔窺探儀探測結(jié)果

4 運輸大巷返修支護(hù)策略研究

結(jié)合運輸大巷出現(xiàn)的變形破壞情況及馬脊梁煤礦現(xiàn)有材料實際，設(shè)計采用了“恒阻大變形錨桿+鋼帶+底角注漿錨管”耦合支護(hù)方案。

恒阻大變形錨桿支護(hù)主要包含有螺母、托盤、桿體及恒阻裝置，恒阻大變形錨桿選用HMG-500型號，直徑為22 mm，長度6000 mm。其支護(hù)機理為：

在彈性變形階段，巷道圍巖的變形能通過外錨固段(托盤)和內(nèi)錨固段施加到桿體上。當(dāng)圍巖變形能較小，施加于桿體上的軸向應(yīng)力小于恒阻大變形錨桿的設(shè)計恒阻力時，恒阻裝置不發(fā)生任何移動，此時，恒阻大變形錨桿依靠桿體材料的彈性變形來抵抗巖體的變形破壞。

在結(jié)構(gòu)變形階段，隨著巷道變形量增大，在桿體上施加的軸向應(yīng)力已經(jīng)超過恒阻變形錨桿的設(shè)計恒阻力時，恒阻裝置當(dāng)中的恒阻體會沿著套管內(nèi)壁進(jìn)行滑移摩擦。在滑移中能夠達(dá)到確保恒阻的效果，依靠恒阻裝置整體的結(jié)構(gòu)變形，實現(xiàn)對巖體變形破壞的有效抵抗。

在極限變形階段，隨著巷道變形量的繼續(xù)增加，恒阻大變形錨桿材料結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)較大的變形，其內(nèi)部的能量也得到充分的釋放，巷道圍巖變形量小于設(shè)計的恒阻體長度，恒阻裝置當(dāng)中的恒阻體會出現(xiàn)停止摩擦滑移的情況，則這時巷道圍巖進(jìn)入到相對穩(wěn)定的狀態(tài)［7］。

圖3 恒阻大變形錨桿

同時，考慮到巷道底板有涌水的情況，在巷道的兩幫底設(shè)置了注漿錨管。為了增強恒阻大變形錨桿支護(hù)的整體性，設(shè)計采用鋼帶連接的方式。

具體支護(hù)方案見圖4。

圖4 巷道返修支護(hù)設(shè)計

5 結(jié)語

1）運輸大巷返修后，巷道兩幫最大相對收斂量95 mm，最大頂板下沉量110 mm，最大底鼓量89 mm，滿足了巷道實際使用需要。

2）深部巷道礦壓顯現(xiàn)形式、強度相對于淺部巷道有著較大的不同，傳統(tǒng)的巷道支護(hù)方式已經(jīng)不適用于深部巷道尤其是深部高應(yīng)力軟巖巷道，需充分結(jié)合深部巷道支護(hù)實際，采用耦合支護(hù)理念。