深井強(qiáng)動(dòng)壓作用巷道強(qiáng)化控制技術(shù)研究及應(yīng)用

劉 毅,趙 帥

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)胡底煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)

隨著埋深較淺的煤炭資源的枯竭,煤炭資源的采掘不斷向深部延伸。煤系地層圍巖軟弱,在高地壓作用下開(kāi)采深部煤層時(shí),由于埋深大使得巷道的圍巖變形嚴(yán)重,巷道的頂板及底鼓量均大于淺埋深巷道,導(dǎo)致巷道的穩(wěn)定性受到危害[1],地質(zhì)條件惡化、破碎巖體增多、地應(yīng)力增大、水頭壓力和涌水量加大、地溫升高,導(dǎo)致深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制與支護(hù)的難度加大、作業(yè)環(huán)境惡化,生產(chǎn)成本急劇增加,若不及時(shí)進(jìn)行有效的支護(hù),將影響頂幫的穩(wěn)定,使得整個(gè)巷道失去穩(wěn)定[2-3]。李剛[4]通過(guò)分析巷道變形破壞特征及影響因素提出采用“錨桿+錨索+錨網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方式,使圍巖與支護(hù)體系協(xié)調(diào)統(tǒng)一,充分發(fā)揮支護(hù)效果。許得河[5]通過(guò)加長(zhǎng)巷道幫部錨桿、施工底角錨桿、留設(shè)底煤配合底板鋪設(shè)土工膜防水措施對(duì)巷道圍巖變形現(xiàn)象進(jìn)行綜合防治。李偉[6]和劉新江[7]通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道錨桿索支護(hù)進(jìn)行模擬,采用錨桿索配合注漿聯(lián)合加固的方式有效控制了巷道變形。雖然上述研究對(duì)于強(qiáng)動(dòng)壓巷道的圍巖控制與巷道支護(hù)提供了重要的技術(shù)思路,但是強(qiáng)動(dòng)壓巷道的支護(hù)仍存在支護(hù)強(qiáng)度不足、支護(hù)不能形成有效整體等問(wèn)題。對(duì)于強(qiáng)動(dòng)壓大變形巷道的支護(hù)存在的不足之處,還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究,針對(duì)此問(wèn)題本文提出了一種“巷道擴(kuò)刷+頂幫分層耦合強(qiáng)力支護(hù)+底角卸壓與加固+底板注漿加固、底板錨索束+噴射鋼纖維混凝土+頂板與兩幫高壓注漿加固”的高強(qiáng)度聯(lián)合支護(hù)方案,有效地解決了巷道變形與修復(fù)的問(wèn)題。

1 工程概況

胡底煤礦井田煤層埋深較大,開(kāi)采水平垂深達(dá)到700 m以上,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,井田構(gòu)造線方向與區(qū)域構(gòu)造一致,地層總體走向?yàn)楸北睎|或近南北向,地層傾向北西,傾角一般小于10°。主采煤層為3#煤層,位于山西組下部,上距下石盒子組底砂巖(K8)31.74～42.33 m,下距山西組底砂巖(K7)3.30～9.69 m,距太原組頂部K6灰?guī)r10.51～14.95 m,全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層厚度5.20～6.15 m,平均厚度5.72 m,煤層傾角3°～10°,平均6°,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)夾矸,分兩層開(kāi)采,工作面采用傾斜長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法。

3#煤層傾角較小,采用盤(pán)區(qū)式布置,盤(pán)區(qū)大巷布置于井田中部,一盤(pán)區(qū)共有5條大巷,南北兩側(cè)均布置有分層開(kāi)采綜采工作面。1103運(yùn)輸大巷(簡(jiǎn)稱1103巷)為承載煤炭運(yùn)輸和后期猴車提升的運(yùn)輸大巷;1103巷北鄰1101巷、1102巷、1104巷,南鄰1105巷,巷道周邊的采掘工程關(guān)系如圖1所示。

圖1 巷道附近的采掘工程關(guān)系Fig.1 Relationship of mining and excavation near roadway

1103巷的斷面為半圓拱斷面,凈寬5.2 m,凈高4.2 m,墻凈高1.6 m,拱凈高2.6 m。設(shè)計(jì)毛斷面20.09 m2,凈斷18.41 m2;采用的支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù)。1103巷布置于3#煤層頂板,沿1#煤線掘進(jìn),揭露地層中巷道頂板為相對(duì)堅(jiān)硬的砂巖,而兩幫和底板中泥巖、炭質(zhì)泥巖占比較大,圍巖強(qiáng)度較低,膠結(jié)性差,在礦山壓力作用下,極易松散破碎,巷道圍巖綜合柱狀如圖2所示。

圖2 巷道掘進(jìn)層位柱狀圖Fig.2 Strata histogram of driving roadway

在受到1301(上)、1303(上)工作面采動(dòng)影響后,出現(xiàn)劇烈變形,經(jīng)過(guò)多次修復(fù),巷道仍然發(fā)生持續(xù)變形破壞,主要表現(xiàn)為兩幫回縮、底板鼓起。累計(jì)兩幫移近量達(dá)到2～3 m,累計(jì)底鼓量達(dá)到2.5～3.5 m,經(jīng)歷多次修巷后,當(dāng)前壓力顯現(xiàn)段巷高僅為3～3.5 m,巷寬僅為3.8～4.3 m,斷面縮小20%～35%以上,已嚴(yán)重影響行人安全、運(yùn)輸安全和通風(fēng)安全以及礦井后期的升級(jí)改造工作。為了解決1103巷圍巖變形破壞問(wèn)題,開(kāi)展了深部強(qiáng)動(dòng)壓下巷道圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)研究。

2 原支護(hù)下巷道變形破壞分析

2.1 原支護(hù)方案及修復(fù)方案

1103巷掘進(jìn)時(shí)采用的錨網(wǎng)噴支護(hù):錨桿采用Φ20-M22-2 200 mm左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×1 000 mm,每根錨桿用MSK2335和MSZ2360樹(shù)脂錨固劑各1支,預(yù)緊力矩不小于180 N·m；網(wǎng)片采用Φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)，拱頂采用Φ22 mm×7 300 mm錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),每排2根,間排距為1 800 mm×2 000 mm,采用加長(zhǎng)錨固,每根錨索安裝時(shí)端頭用MSK2335和MSZ2360樹(shù)脂錨固劑各2支,預(yù)拉力不小于200 kN。噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20,厚度為100 mm。

受到采煤工作面采動(dòng)影響后,1103巷經(jīng)歷多次巷修,主要采用了擴(kuò)修、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、全錨索支護(hù)、注漿加固等措施。針對(duì)局部錨桿索斷裂,提高了錨桿直徑和強(qiáng)度,采用Φ22-M24-2 400 mm高強(qiáng)左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿；對(duì)局部破碎、圍巖松散區(qū)巷道采取注漿加固措施,并增加了頂幫錨索數(shù)量;對(duì)失修區(qū)域采取擴(kuò)刷及處理底鼓后,在1103巷4#-7#橫川采用了頂板及兩幫全錨索支護(hù),并進(jìn)行了注漿。注漿工藝采用深、淺孔注漿方式,頂板錨索規(guī)格為Φ22 mm×7 300 mm,兩幫錨索規(guī)格為Φ22 mm×5 300 m,全斷面錨索布置如圖3所示。

圖3 1103巷修復(fù)時(shí)全斷面錨索布置Fig.3 Layout of full-section anchor cable during renovation of No.1103 roadway

2.2 1103巷圍巖變形破壞機(jī)理分析

1103巷變形破壞非常嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為兩幫回縮、底板鼓起:兩幫移近量達(dá)到2～3 m,累計(jì)底鼓量達(dá)到2.5～3.5 m,當(dāng)前壓力顯現(xiàn)段巷高僅為3～3.5 m,巷寬僅為3.8～4.3 m,斷面縮小20%～35%以上,已嚴(yán)重影響巷道正常使用。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析,巷道圍巖變形破壞的原因主要包括地應(yīng)力、圍巖力學(xué)性質(zhì)及支護(hù)力學(xué)參數(shù)等三個(gè)方面,具體原因是:

1)深度大,受構(gòu)造影響,地應(yīng)力高。巷道埋深大,且受到區(qū)域構(gòu)造及局部褶曲構(gòu)造的影響,實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力為18.34～21.70 MPa,結(jié)合巷道的大變形情況來(lái)看,胡底煤礦屬于深部高應(yīng)力礦井。

2)巷道圍巖軟弱,易風(fēng)化崩解。1103巷局部地段,巷道頂板相對(duì)穩(wěn)定,兩幫及底板巖層為軟弱泥質(zhì)巖石而且厚度較大。泥質(zhì)巖石多為深灰色泥巖、黑色炭質(zhì)泥巖,膠結(jié)性差,強(qiáng)度較低、易風(fēng)化崩解,預(yù)估泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度在15 MPa左右。

3)巷道群的擾動(dòng)影響大。盤(pán)區(qū)大巷附近相鄰巷道多,五條大巷及各類聯(lián)絡(luò)巷形成了巷道群,大巷間距小,巖柱僅25 m。巷道群的掘進(jìn)擾動(dòng)及工作面的采動(dòng),致使巷道圍巖受到較高的支承壓力作用,易引起巷道變形。

4)巷道兩側(cè)為上下分層綜采工作面,多次采動(dòng),應(yīng)力集中程度高。1103巷南側(cè)和北側(cè)均布置有分層開(kāi)采綜采工作面。1103巷受到南側(cè)的下分層工作面和北側(cè)采煤工作面的影響,多次采動(dòng)引起的疊加支承壓力,必將對(duì)盤(pán)區(qū)穩(wěn)定性造成嚴(yán)重破壞。

5)初期支護(hù)或修巷時(shí)支護(hù)參數(shù)不合理,而且未形成封閉有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)。前期支護(hù)時(shí),巷道底板處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)或支護(hù)強(qiáng)度和深度不夠,致使底板成為了圍巖的卸壓通道,出現(xiàn)了持續(xù)嚴(yán)重底鼓; 修巷時(shí),底板采取多次起底措施,加劇了底板和兩幫的破壞,底板無(wú)支護(hù)或支護(hù)強(qiáng)度和深度不夠,致使底鼓無(wú)法有效控制;初期支護(hù)或修巷時(shí)支護(hù)參數(shù)不合理,頂板、兩幫和底板未形成有效的封閉支護(hù)結(jié)構(gòu),需要加強(qiáng)對(duì)兩幫和底板的支護(hù),形成封閉有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

6)對(duì)于泥質(zhì)圍巖,低壓注漿效果差。巷道兩幫及底板多為軟弱而致密的泥質(zhì)巖石,采用普通硅酸鹽水泥注漿材料,可以保證破碎區(qū)注漿效果,但難以保證塑性微裂隙區(qū)、低滲透性泥質(zhì)圍巖的注漿效果。

3 1103巷圍巖加固設(shè)計(jì)方案

3.1 巷道圍巖控制基本思路

依據(jù)1103巷圍巖變形機(jī)理及圍巖控制原理,提出1103巷圍巖控制基本思路。

1)確定巷道修復(fù)斷面尺寸,對(duì)頂板-兩幫擴(kuò)刷及起底,預(yù)留巷道底板變形空間,比原設(shè)計(jì)尺寸向下超挖300 mm。

2)針對(duì)頂板及兩幫,依據(jù)圍巖巖層結(jié)構(gòu),實(shí)施動(dòng)態(tài)的分區(qū)耦合讓壓錨索強(qiáng)力支護(hù)技術(shù),具體為“讓壓錨索+鋼筋網(wǎng)+雙鋼筋梯子梁+薄層噴漿防風(fēng)化銹蝕”。

3)針對(duì)底板,采用“底角卸壓槽+混凝土澆筑”技術(shù)方案，加大底板支護(hù)深度和支護(hù)強(qiáng)度,采用底板注漿加固、底板錨索束強(qiáng)力支護(hù)、底板硬化等技術(shù)措施。

4)針對(duì)頂板及兩幫,對(duì)其噴射鋼纖維混凝土,依據(jù)圍巖巖層結(jié)構(gòu),實(shí)施分層注漿加固技術(shù)。

5)針對(duì)多次采動(dòng)高應(yīng)力作用,通過(guò)采前補(bǔ)強(qiáng)加固及復(fù)注漿,實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板、兩幫及底板的高效動(dòng)態(tài)加固。

綜上所述,通過(guò)預(yù)留巷道變形量、頂幫分層耦合支護(hù)、全斷面高壓劈裂注漿加固、底板預(yù)應(yīng)力錨索束強(qiáng)力支護(hù)以及多次采動(dòng)期間的動(dòng)態(tài)注漿技術(shù),形成有效的頂-幫-底協(xié)同的封閉支護(hù)結(jié)構(gòu),有效控制圍巖的變形和破壞。

3.2 巷道修復(fù)斷面設(shè)計(jì)

首先根據(jù)巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格,合理擴(kuò)大其斷面開(kāi)挖范圍[8],提前留出圍巖擴(kuò)展變形的空間,巷道底板比原設(shè)計(jì)向下超挖300 mm,1103巷斷面設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 1103巷修復(fù)斷面設(shè)計(jì)Fig.4 Section design during renovation of No.1103 roadway

3.3 頂板及兩幫分區(qū)耦合強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)

根據(jù)新奧法支護(hù)理論、聯(lián)合支護(hù)理論、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論以及主次承載區(qū)支護(hù)理論[9-13],通過(guò)高強(qiáng)度有效的聯(lián)合支護(hù)對(duì)圍巖強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)化,在圍巖內(nèi)形成承載圈控制巷道變形。根據(jù)關(guān)鍵部位耦合支護(hù)理論[14]對(duì)巷道頂板以及兩幫分區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)加固。

頂板和兩幫按照設(shè)計(jì)斷面擴(kuò)刷后,針對(duì)頂板和兩幫的破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍,開(kāi)展分區(qū)耦合支護(hù),實(shí)現(xiàn)支護(hù)和圍巖的耦合,提高錨固體承載能力。依據(jù)鉆孔取芯巖芯形態(tài),確定1103巷圍巖的破碎區(qū)范圍大致為3～4 m(圖5(a)),塑性區(qū)范圍達(dá)到5～8 m(圖5(b))。其中，頂部破壞深度較小，幫部破壞深度較大。加大兩幫錨索的長(zhǎng)度,以便錨固在深部穩(wěn)定巖層，確定拱部采用Φ22 mm×7 300 mm的錨索,幫部采用Φ22 mm×10 300 mm的錨索。修巷時(shí),具體采用“錨索+雙鋼筋梯子梁+鋼筋網(wǎng)+薄層噴漿防風(fēng)化防銹蝕”進(jìn)行聯(lián)合支護(hù),1103巷頂板及兩幫分區(qū)耦合支護(hù)布置如圖6所示。

圖5 破碎區(qū)和塑性區(qū)巖芯狀態(tài)Fig.5 Core of broken and plastic zone

3.4 “底角卸固耦合支護(hù)”技術(shù)

強(qiáng)幫強(qiáng)角支護(hù)理論[15]認(rèn)為，加強(qiáng)巷道底角支護(hù),可使巷道圍巖受力更合理,從而提高巷道整體穩(wěn)定性。在對(duì)頂板及兩幫實(shí)施分層耦合強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)后,在巷道的兩個(gè)底角開(kāi)挖卸壓槽,按照我國(guó)煤礦卸壓槽治理底鼓工程經(jīng)驗(yàn)以及考慮施工便利[16-17],確定輸送機(jī)側(cè)卸壓槽尺寸為600 mm×1 000 mm,行人側(cè)為800 mm×1 200 mm。卸壓槽開(kāi)挖完成后,采用混凝土對(duì)卸壓槽進(jìn)行回填澆筑。通過(guò)采用“底角卸壓槽+混凝土澆筑”技術(shù),一方面減弱應(yīng)力集中部位兩個(gè)底角的受力,另一方面提高底角對(duì)兩幫的支承能力,有助于減弱底板及兩幫的變形。底角卸壓槽布置如圖7所示。

圖6 頂幫分區(qū)耦合支護(hù)技術(shù)Fig.6 Coupling support of roof and two sides partition

圖7 底角卸壓槽布置Fig.7 Base angle pressure releasing groove layout

3.5 底板注漿加固及錨索束強(qiáng)力支護(hù)

依據(jù)錨注加固理論,將錨桿索與注漿結(jié)合起來(lái)增強(qiáng)巷道承壓能力，采用合理的支護(hù)方法使卸除的圍壓盡快恢復(fù),進(jìn)而提高圍巖的自承能力,實(shí)現(xiàn)巷道的穩(wěn)定。針對(duì)底板實(shí)施底角卸壓槽及槽內(nèi)澆筑混凝土以后,加大底板支護(hù)深度和支護(hù)強(qiáng)度,采用底板注漿加固、底板錨索束強(qiáng)力支護(hù)、底板硬化等技術(shù)措施。

在深部高應(yīng)力及強(qiáng)烈采動(dòng)應(yīng)力作用下,1103巷底鼓量非常大,累計(jì)底鼓量達(dá)到2.5～3.5 m,依據(jù)底板鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆速、孔壁圍巖塌落情況等響應(yīng)特征,確定底板淺孔注漿深度為3 m,底板錨索束深孔注漿深度為10 m。

3.5.1底板注漿加固

注漿時(shí)采用“淺孔低壓注漿+深孔高壓注漿”注漿工藝?！皽\孔低壓注漿”針對(duì)的是淺部的破碎區(qū)圍巖,通過(guò)對(duì)淺部圍巖注漿形成一定厚度的注漿承載層,為之后的“深孔高壓注漿”提供基礎(chǔ),深孔和淺孔呈間隔布置,如圖8所示。

(a)奇數(shù)排注漿孔布置

(b)偶數(shù)排注漿孔布置圖8 底板注漿孔布置Fig.8 Layout of grouting hole on the floor

3.5.2底板錨索束強(qiáng)力支護(hù)

1)支護(hù)材料。錨索束:由“一孔三根”的Φ22 mm×10 300 mm高強(qiáng)錨索編制組成,配套相應(yīng)的導(dǎo)向帽(長(zhǎng)200 mm)、固定套環(huán)(箍環(huán))、托盤(pán)(200 mm×200 mm×20 mm)、三孔鎖具。

錨固材料:錨索束采用水泥漿灌漿錨固,水泥漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

網(wǎng)片規(guī)格:采用Φ6.5 mm鋼筋焊接,規(guī)格1 200 mm×2 200 mm,網(wǎng)格100 mm×100 mm。

錨索束鋼梁:橫向相鄰錨索束由兩段平行的廢舊礦用道軌或12#工字鋼焊接而成的鋼梁連接,鋼梁每段長(zhǎng)1 700 mm,平行間距為 80 mm,兩段工字鋼的上下表面均采用10 mm厚扁鋼焊接成一整體結(jié)構(gòu)。

2)錨索束布置。受膠帶輸送機(jī)和施工空間限制,在膠帶輸送機(jī)一側(cè)無(wú)法施工錨索束,在另一側(cè)每排布置2個(gè)錨索束鉆孔,鉆孔間距為1 400 mm,鉆孔排距為1 500 mm;奇數(shù)排兩根錨索垂直布置,偶數(shù)排靠近輸送機(jī)的錨索束鉆孔向輸送機(jī)傾斜15°,奇數(shù)排靠近巷幫側(cè)的錨索束鉆孔避開(kāi)卸壓槽澆筑的混凝土,距其200 mm,錨索束鉆孔布置如圖9所示。

(a)奇數(shù)排布置斷面(A-A剖面)

(b)偶數(shù)排布置斷面(B-B剖面)

(c)鉆孔布置俯視圖圖9 底板錨索束布置Fig.9 Layout of anchor cable bundle on the floor

4 巷道加固效果觀測(cè)及分析

為了觀測(cè)巷道修復(fù)加固效果,每隔一定距離設(shè)置相應(yīng)測(cè)站,對(duì)巷道表面位移及頂、底板離層等進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)于巷道表面位移監(jiān)測(cè),采用十字布點(diǎn)法以及激光測(cè)距儀,測(cè)量?jī)蓚€(gè)相對(duì)測(cè)點(diǎn)的距離，每周觀測(cè)3次。巷道變形速度較快時(shí),需增加相應(yīng)觀測(cè)次數(shù)，巷道變形穩(wěn)定后,可減少至每周1～2次。

在實(shí)行巷道加固方案后,巷道圍巖變形量有明顯減小,實(shí)測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 修復(fù)加固后巷道變形趨勢(shì)Fig.10 Roadway deformation after renovation and reinforcement

觀測(cè)結(jié)果表明,巷道修復(fù)后一個(gè)月之內(nèi),巷道變形趨于穩(wěn)定,頂板下沉量控制在80 mm以內(nèi),巷道兩幫的相對(duì)移近量控制在150 mm以內(nèi),巷道加固前后圍巖控制效果對(duì)比如圖11所示。

圖11 巷道圍巖控制效果對(duì)比Fig.11 Comparison of control effect on surrounding rock before and after the reinforcement

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)1103巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,對(duì)巷道圍巖應(yīng)力、圍巖結(jié)構(gòu)以及原支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析,得出了1103巷道的變形破壞機(jī)理,巷道圍巖變形破壞的原因主要是采動(dòng)應(yīng)力高、圍巖軟弱及支護(hù)參數(shù)不能滿足圍巖穩(wěn)定需要。

2)提出了“巷道擴(kuò)刷+頂幫分層耦合強(qiáng)力支護(hù)+底角卸壓與加固+底板注漿加固、底板錨索束+噴射鋼纖維混凝土+頂板與兩幫高壓注漿加固”的高強(qiáng)度聯(lián)合支護(hù)方式。巷道擴(kuò)刷后采用“錨索+雙鋼筋梯子梁+鋼筋網(wǎng)+薄層噴漿防風(fēng)化防銹蝕”進(jìn)行聯(lián)合支護(hù),底角卸壓配合底板注漿加錨索束支護(hù),為巷道提供了強(qiáng)力支護(hù),促使巷道充分發(fā)揮圍巖自承能力,確保了巷道的整體性與穩(wěn)定性。

3)通過(guò)布置測(cè)點(diǎn)對(duì)支護(hù)后的現(xiàn)場(chǎng)頂?shù)装逦灰婆c巷道圍巖位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),所采用的支護(hù)方式有效地控制了巷道的變形量,確保了生產(chǎn)的順利進(jìn)行,保證了井下員工的安全。通過(guò)在本礦有效地解決了巷道變形問(wèn)題,為同類條件下的深井強(qiáng)動(dòng)壓巷道的全斷面支護(hù)問(wèn)題提供了新思路和方法。