破碎圍巖巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

張 敏

（汾西礦業(yè)曙光煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

隨礦井采深的增加，巷道掘進(jìn)過(guò)程中面臨的圍巖破碎、支護(hù)困難等問(wèn)題更為明顯，如何確保破碎圍巖巷道穩(wěn)定是礦井生產(chǎn)過(guò)程中需要解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[1-2]。在破碎圍巖中采用注漿錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行控制較為廣泛，在使用過(guò)程中仍會(huì)面臨預(yù)緊力不足等問(wèn)題，無(wú)法滿足破碎圍巖控制需要[3-6]。文中以山西某礦15 號(hào)煤層回采巷道掘進(jìn)為工程背景，根據(jù)圍巖巖性特征對(duì)破碎圍巖采取的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，有效控制了圍巖變形。

1 工程概況

某礦15 號(hào)煤埋深560 m，頂?shù)装鍘r性以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主。15206 采面回風(fēng)巷在掘進(jìn)過(guò)程中由于受到DF109 斷層、褶曲影響，圍巖較為破碎。具體煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

表1 頂?shù)装鍘r性

15206 回風(fēng)巷設(shè)計(jì)斷面為矩形（寬×高=4.0 m×2.8 m），掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 205 m，原設(shè)計(jì)支護(hù)為錨網(wǎng)索+W鋼帶形式，由于圍巖破碎，巷道變形嚴(yán)重，不能確保后續(xù)使用安全。具體圍巖變形表現(xiàn)為頂板及巷幫變形量大，巷道由于受到較大的地應(yīng)力影響，加之選用的支護(hù)參數(shù)不合理，頂板下沉、巷幫位移量較大，變形呈現(xiàn)出“網(wǎng)兜”狀；巷道底板巖性為泥巖，強(qiáng)度低、完整性差，在較大水平應(yīng)力下底板即會(huì)出現(xiàn)較大的底鼓變形。因此，需要針對(duì)巷道掘進(jìn)實(shí)際條件對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2 圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)巖層破碎，圍巖變形量大問(wèn)題，提出注漿+錨網(wǎng)索支護(hù)形式對(duì)圍巖進(jìn)行控制，注漿采用新型注漿膨脹錨桿。

2.1 注漿膨脹錨桿設(shè)計(jì)

采用的注漿膨脹錨桿具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。采用位于端頭的膨脹套管產(chǎn)生膨脹力，從而給錨桿以足夠的錨固力，提升錨桿圍巖控制能力。桿體上有出漿孔，通過(guò)注漿使錨桿與圍巖成為一體，在提高圍巖自身穩(wěn)定性的同時(shí)增加錨桿與圍巖摩擦力。

圖1 注漿膨脹錨桿具體結(jié)構(gòu)

2.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

具體圍巖支護(hù)參數(shù)采用“錨索+注漿膨脹錨桿+W 鋼帶+鋼筋網(wǎng)”形式，并采用工程類比法確定巷道支護(hù)參數(shù)，具體支護(hù)設(shè)計(jì)見(jiàn)下頁(yè)圖2。

1）錨索。在巷道頂板兩端布置錨索（Φ17.8 mm×9 000 mm），外插角為15°，材質(zhì)為鋼絞線。錨索的極限抗拉強(qiáng)度為1 900 MPa 以上，間排距設(shè)計(jì)為3 500 mm×1 500 mm。

圖2 巷道支護(hù)斷面（單位：mm）

2）注漿膨脹錨桿。受到斷層、褶曲影響，巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)圍巖破碎，因此在頂板及巷幫均采用注漿膨脹錨桿，錨桿桿體直徑為24 mm、長(zhǎng)度為2 400 mm，配套采用高強(qiáng)螺母。采用M20 水泥砂漿注漿，間排距分別為800 mm、1 000 mm，預(yù)先施加的預(yù)緊力力矩為450 N·m，錨桿桿體末端外露長(zhǎng)度在20～45 mm 之間。

3）W 鋼帶。在巷道頂板及巷幫均采用規(guī)格為3 600 mm×280 mm×5 mm 的高強(qiáng)5 孔W 鋼帶對(duì)圍巖進(jìn)行控制。

4）鋼筋網(wǎng)。在頂板、巷幫支護(hù)采用的鋼筋網(wǎng)采用Φ6.5 mm 鍍鋅鋼絲編織而成，長(zhǎng)、寬分別為2 000 mm、1 100 mm，兩個(gè)相鄰的鋼筋網(wǎng)搭接長(zhǎng)度在150 mm 以上。

2.3 支護(hù)模擬分析

用FLAC3D 分析支護(hù)參數(shù)，模型長(zhǎng)、寬、高分別為180 m、80 m、83.5 m，分析設(shè)計(jì)巷道支護(hù)參數(shù)圍巖控制效果。

具體巷道原支護(hù)以及現(xiàn)支護(hù)方案圍巖受力云圖見(jiàn)圖3。從圖中看出，原支護(hù)及新支護(hù)時(shí)巷道圍巖受力變形不顯著，但在新的支護(hù)方案下頂板及巷幫受力變化不明顯，頂板應(yīng)力降低明顯，從-20 MPa 降低至-15 MPa，巷幫應(yīng)力也有顯著降低，表明新的巷道支護(hù)參數(shù)較原支護(hù)參數(shù)更為合理。此外，當(dāng)圍巖破碎時(shí)巖層對(duì)受到的圍巖應(yīng)力較為敏感，較小的圍巖應(yīng)力即會(huì)造成巷道較大變形，降低巷道周邊圍巖應(yīng)力可以顯著降低巷道圍巖變形量。從模擬結(jié)果得知，新設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)參數(shù)可以滿足礦井15206 回風(fēng)巷圍巖控制需要，確保巷道后續(xù)使用安全。

圖3 巷道圍巖受力（MPa）云圖

3 圍巖支護(hù)效果分析

待巷道采用設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)支護(hù)完畢后，在支護(hù)段內(nèi)每隔25 m 布置一個(gè)測(cè)站，共計(jì)布置4 個(gè)測(cè)站對(duì)破碎巷道圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

從監(jiān)測(cè)結(jié)果看出，15206 回風(fēng)巷采用新設(shè)計(jì)的支護(hù)方案對(duì)圍巖控制后，巷道圍巖變形在初期變化較大，支護(hù)完成50 d 后圍巖變形量逐漸趨于穩(wěn)定。最終穩(wěn)定后的巷道頂板、底板、左側(cè)幫及右側(cè)幫圍巖變形量分別為70 mm、300 mm、105 mm 及120 mm，巷道圍巖整體變形量不大。綜合圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果得知，采用設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)參數(shù)可以滿足15206 回風(fēng)巷破碎圍巖控制需要。

4 結(jié)論

針對(duì)礦井15206 回風(fēng)巷圍巖破碎問(wèn)題，采用模擬分析、工程類比以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等技術(shù)手段，對(duì)巷道圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，取得如下主要結(jié)論：

1）巷道圍巖破碎時(shí)確保圍巖穩(wěn)定是降低圍巖變形量的一個(gè)重要方面，采用新型的膨脹注漿錨桿通過(guò)注漿可以將破碎巖層膠結(jié)成一個(gè)整體，在錨桿、圍巖共同作用下來(lái)抵抗圍巖應(yīng)力，同時(shí)在錨桿端頭采用的膨脹套筒提供的膨脹力提升了錨桿錨固力，可以給錨桿施加更大的預(yù)緊力。

2）具體采用錨索、注漿膨脹錨桿、錨網(wǎng)及W 鋼帶對(duì)巷道圍巖進(jìn)行控制，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了巷道支護(hù)參數(shù)，后采用FLAC3D 對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行分析，采用設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)參數(shù)可以降低圍巖應(yīng)力集中程度，從而降低破碎圍巖巷道變形量?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，頂板、底板、巷幫最大變形量為70 mm、300 mm、120 mm，圍巖變形量在安全范圍內(nèi)，不會(huì)給巷道后續(xù)使用帶來(lái)安全影響。