深部軟巖應(yīng)力集中帶高強(qiáng)耦合支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

靳為華

(鶴煤公司 生產(chǎn)技術(shù)部，河南 鶴壁 458000)

巷道支護(hù)問(wèn)題是煤礦向深部開(kāi)采面臨的較為突出的問(wèn)題，因地應(yīng)力大、應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜、圍巖巖性差別等種種不利因素的相互疊加，加劇了巷道支護(hù)的復(fù)雜性，單一支護(hù)形式在這種巷道中不可行，而采用聯(lián)合支護(hù)方式效果也不理想，往往出現(xiàn)前掘后修、前掘后垮的被動(dòng)局面[1-3]。單一支護(hù)不可行的原因在于支護(hù)強(qiáng)度低，而聯(lián)合支護(hù)失效的原因在于支護(hù)體與圍巖力學(xué)特性之間不耦合。傳統(tǒng)的聯(lián)合支護(hù)方法僅將各種支護(hù)體進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加，未充分考慮支護(hù)體的支護(hù)機(jī)理、圍巖內(nèi)部積蓄能力的釋放以及圍巖自承能力的發(fā)揮，從而難以實(shí)現(xiàn)支護(hù)體與圍巖在強(qiáng)度、剛度以及結(jié)構(gòu)上的耦合作用[4-6]。為此，眾多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，解決了許多理論難題及工程關(guān)鍵技術(shù)，但由于我國(guó)深部軟巖巷道賦存環(huán)境千差萬(wàn)別，影響圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵因素不盡相同，仍需進(jìn)一步完善應(yīng)力集中帶軟巖巷道控制機(jī)理。

隨著礦井開(kāi)采深度的不斷加深，鶴煤八礦開(kāi)拓巷道已進(jìn)入-655 m水平，由于該巷道處于應(yīng)力集中帶，圍巖穩(wěn)定性差，采用傳統(tǒng)的聯(lián)合支護(hù)不到半年時(shí)間，巷道變形破壞嚴(yán)重，投入了大量人力、物力和財(cái)力擴(kuò)幫、臥底，支護(hù)成本大幅增加，還嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)。因此要從全方位去改善圍巖結(jié)構(gòu)及其性能入手，提高巷道圍巖承壓的能力和充分發(fā)揮圍巖潛在的自承能力，并選擇正確的施工方法及支護(hù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)軟巖應(yīng)力集中帶高強(qiáng)耦合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，滿(mǎn)足了巷道支護(hù)要求，延長(zhǎng)了巷道使用壽命，為采掘接替工作提前做好了準(zhǔn)備，也為安全高產(chǎn)高效創(chuàng)造了有利條件。同時(shí)，為鶴煤八礦深部軟巖支護(hù)提供了重要的理論及技術(shù)支撐，也給相似條件礦井提供了有力的參考。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

鶴煤八礦開(kāi)拓方式為立井—斜井混合開(kāi)拓，第三水平標(biāo)高-655 m。-655 m水平南大巷地面標(biāo)高+119.12～+171.63 m，巷道底板標(biāo)高-591.4～-655.0 m，埋深710.52～826.63 m。該巷道上部巖性為深灰色砂質(zhì)泥巖，含白云母碎片，具滑面；下部為深灰色泥巖，側(cè)面附有白色次生礦物，較致密、細(xì)膩，局部巖石破碎。由于所在層位地質(zhì)條件復(fù)雜(C3L8和C3L2之間地層缺失將近60 m)，構(gòu)造應(yīng)力水平較高、斷層發(fā)育，巖層厚度不穩(wěn)定，圍巖穩(wěn)定性差，加上支護(hù)技術(shù)不合理和施工技術(shù)落后等多方面的原因，巷道出現(xiàn)大變形破壞。破壞主要表現(xiàn)為兩幫移近量和頂板下沉量大、底鼓，錨桿、錨索多處破斷，U36型棚屈服、斷裂等。

1.2 原支護(hù)形式

該巷道原設(shè)計(jì)施工斷面直墻半圓拱，巷道設(shè)計(jì)凈寬4 600 mm，凈高3 800 mm。初次支護(hù)采用錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用長(zhǎng)度2 000 mm，直徑20 mm螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，間排距700 mm×700 mm，金屬網(wǎng)采用φ6 mm鋼筋點(diǎn)焊網(wǎng)，網(wǎng)格100 mm×100 mm，噴厚100 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20；錨索采用長(zhǎng)度8000mm、直徑17.8mm鋼絞線，間排距1 500 mm×2 000 mm，每排4根。用此支護(hù)方式，巷道掘進(jìn)后變形破壞嚴(yán)重，錨桿多處破斷失效，半年左右收縮量普遍達(dá)到1 800 mm左右，被迫重新擴(kuò)掘進(jìn)行二次支護(hù)。二次支護(hù)采用錨網(wǎng)噴+36U型鋼棚聯(lián)合支護(hù)，錨網(wǎng)噴支護(hù)同初次支護(hù)相同，U型鋼棚棚距700 mm，半年左右巷道局部最大收縮量又達(dá)到1 400 mm左右，且U型鋼棚腿出現(xiàn)跪腿、屈服，棚梁扭曲、折斷，又再次進(jìn)行擴(kuò)幫、臥底重新架棚。經(jīng)過(guò)多次修復(fù)，圍巖松動(dòng)，自承能力降低，支護(hù)效果不佳。原-655 m南大巷情況如圖1所示。

圖1 原-655 m水平南大巷情況Fig.1 Situation of the original -655 m horizontal main roadway

由圖1可知，-655 m水平南大巷開(kāi)始錨網(wǎng)噴，隨后頂板破碎，采取架棚支護(hù)，巷道壓力大，變形嚴(yán)重，已影響正常行人和運(yùn)輸。原支護(hù)形式巷道已無(wú)法正常使用，破壞極其嚴(yán)重。

1.3 破壞原因分析

(1)巷道處于大采深范圍，埋深平均達(dá)800 m。據(jù)實(shí)測(cè)，鶴壁礦區(qū)垂直應(yīng)力為理論值的1.05～1.87倍，水平應(yīng)力為理論值的2.69～4.76倍，同時(shí)還存在剪應(yīng)力，最大值達(dá)14.22 MPa。埋深大，地應(yīng)力水平高，巷道受到高地應(yīng)力擠壓，使巷道產(chǎn)生大變形。

(2)巷道所處位置圍巖松軟破碎。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，巖石為深灰色砂質(zhì)泥巖，含白云母碎片，滑面發(fā)育，強(qiáng)度較低，巷道開(kāi)挖時(shí)，自穩(wěn)時(shí)間較短，容易掉頂，頂板控制難度大。多次修復(fù)致使圍巖松動(dòng)圈增大，現(xiàn)場(chǎng)采用YTJ-20 型巖層鉆孔探測(cè)記錄儀對(duì)圍巖進(jìn)行打孔探測(cè)，探測(cè)表明，圍巖松動(dòng)圈范圍在2.3～3.8 m，超出了錨桿的錨固范圍，難以發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)作用。

(3)地質(zhì)構(gòu)造影響。該地區(qū)處在應(yīng)力集中帶，地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，構(gòu)造較多，巖層節(jié)理、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，圍巖整體強(qiáng)度低，影響再生頂板整體強(qiáng)度，對(duì)圍巖產(chǎn)生了明顯的破壞性影響，弱化了圍巖強(qiáng)度。

(4)巷道初期控制強(qiáng)度低，后期補(bǔ)強(qiáng)耦合節(jié)點(diǎn)控制欠妥，對(duì)支護(hù)材料的耦合支護(hù)機(jī)理認(rèn)識(shí)不足。從現(xiàn)場(chǎng)觀察情況看，錨桿接頂狀況普遍不好，圍巖初期加固強(qiáng)度較弱，加固體強(qiáng)度受到嚴(yán)重影響，巖體擴(kuò)容明顯，松動(dòng)范圍擴(kuò)大，變形量劇增。后期補(bǔ)強(qiáng)不及時(shí)、主動(dòng)，而是待巷道破壞了被動(dòng)修護(hù)，未合理確定巷道圍巖離層指標(biāo)，且未在控制指標(biāo)范圍內(nèi)實(shí)施巖體補(bǔ)強(qiáng)加固。

(5)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，支護(hù)強(qiáng)度弱。原支護(hù)材料強(qiáng)度明顯偏弱，錨桿(索)的主動(dòng)承載性能沒(méi)有得到充分發(fā)揮，同時(shí)未結(jié)合軟巖非線性大變形的特點(diǎn)采取有針對(duì)性的支護(hù)形式，而一味采取架棚支護(hù)形式，無(wú)法抵抗圍巖強(qiáng)大的變形能。且采用的36 U 型鋼棚具有一定的讓壓能力，當(dāng)圍巖變形過(guò)大時(shí)，無(wú)法有效阻止變形進(jìn)一步惡化，引起單棚的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)整體失穩(wěn)。

(6)施工質(zhì)量差，信息反饋不及時(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)施工隊(duì)伍技術(shù)力量薄弱，施工過(guò)程中過(guò)于追求施工進(jìn)度，缺乏有效的監(jiān)督監(jiān)管，存在漏打錨桿、錨桿錨索預(yù)緊力和噴層厚度不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求等現(xiàn)象；且未對(duì)施工后巷道圍巖變形進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，造成返修處理不及時(shí)，使巷道圍巖破壞范圍增大，松動(dòng)圍巖壓力提高，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)損壞。

除上述諸多因素外，還有很多主觀因素，如光爆成型差導(dǎo)致巷道噴層厚度不均勻、施工機(jī)具落后(打錨桿眼普遍采用YT-28風(fēng)鉆)導(dǎo)致錨桿出現(xiàn)“穿皮”現(xiàn)象，“三徑兩長(zhǎng)”不匹配導(dǎo)致錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)不到最佳支護(hù)狀態(tài)。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)已施工巷道的變形破壞形態(tài)分析認(rèn)為：①巷道支護(hù)質(zhì)量需要改善和提高，實(shí)施錨桿支護(hù)新工藝，按照光爆成型、初噴造型，增強(qiáng)錨固定型的程序和方法組織施工；②巷道初始支護(hù)強(qiáng)度偏弱，需要提高和增強(qiáng)；③巷道補(bǔ)強(qiáng)耦合時(shí)空節(jié)點(diǎn)需要科學(xué)控制，使初噴、初始支護(hù)、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)和注漿加固支護(hù)與圍巖形成力學(xué)特征相匹配，形成有機(jī)耦合支護(hù)狀態(tài)，最大限度地發(fā)揮圍巖的承載能力。

本次支護(hù)設(shè)計(jì)是在借鑒原支護(hù)設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的改進(jìn)和提高：①優(yōu)化支護(hù)參數(shù)選擇，合理支護(hù)結(jié)構(gòu)配置；②提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，嚴(yán)格控制耦合支護(hù)時(shí)空節(jié)點(diǎn)；③改進(jìn)施工工藝，提高支護(hù)質(zhì)量，增強(qiáng)初始錨固力和有效性；④采用注漿加固技術(shù)，增強(qiáng)巖體強(qiáng)度和整體性。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上分析及巷道埋深、層位圍巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該巷道的設(shè)計(jì)方案：①對(duì)巷道爆破刷大斷面后初噴找平，及時(shí)充填微裂隙、填凹補(bǔ)平和封閉裸露巖體，形成相對(duì)平整的噴射混凝土層面；②及時(shí)進(jìn)行錨桿支護(hù)，縮短圍巖裸露時(shí)間，提高圍巖的穩(wěn)定性；③錨桿受力到達(dá)15 t左右，巷道變形量達(dá)到80 mm左右，立即進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，使錨索與錨桿合理耦合，共同加固巖體，有效阻止圍巖快速變形，達(dá)到抗讓新的平衡；④巷道施工基本支護(hù)成巷完成20 d后，或在掘進(jìn)工作面后方50 m以外及時(shí)實(shí)施錨索注漿加固，通過(guò)注漿錨索將破碎圍巖膠結(jié)成整體，改善圍巖的結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖自承載能力，為錨桿(索)提供可靠的著力點(diǎn)，使錨桿(索)對(duì)松散圍巖的錨固作用得以發(fā)揮，控制巷道變形。

巷道采用錨梁網(wǎng)索與注漿錨索耦合加固聯(lián)合支護(hù)方式[7-10]。巷道掘進(jìn)斷面：寬×高=4.8 m×3.9 m，凈斷面：寬×高=4.6 m×3.8 m，如圖2所示。

圖2 支護(hù)設(shè)計(jì)Fig.2 Supporting design

(1)錨桿。采用長(zhǎng)度2 400 mm、直徑22 mm的MSGLW500左旋高強(qiáng)度無(wú)縱肋螺紋鋼，錨桿間排距均為700 mm。采用快速安裝扭矩螺母，托盤(pán)為蝶形托盤(pán)，規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×厚)。

(2)錨索。頂板和兩幫錨索均采用直徑21.6 mm、長(zhǎng)度5 250 mm、抗拉強(qiáng)度等級(jí)不低于1 860 MPa、延伸率不小于3.5%～7.0%的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索間排距分別為1 000 mm和1 400 mm，每排錨索布置9根，錨索托盤(pán)規(guī)格為300 mm×300 mm×14 mm(長(zhǎng)×寬×厚)蝶形托盤(pán)。

(3)注漿錨索。采用直徑21.6 mm、長(zhǎng)度7 250 mm鋼絞線錨索，一排7根，間排距均為1 400 mm，用快硬水泥封孔，封孔長(zhǎng)度600 mm，注水泥漿水灰比為1.0∶2.0～1.0∶1.6，注漿壓力1～2 MPa，在巷道施工基本支護(hù)成巷完成20 d后，或在掘進(jìn)工作面后方50 m以外實(shí)施錨索注漿加固施工。每根錨索注漿量有一定的離散性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取其平均值為0.072 m3。

(4)錨固劑。頂板錨桿選用錨固劑型號(hào)為K2360和Z2360兩種，每根錨桿使用錨固劑2卷，1卷K2360和1卷Z2360；兩幫錨桿選用錨固劑型號(hào)為K2335和Z2360兩種，每根錨桿使用錨固劑2卷，1卷K2335和1卷Z2360；頂板和兩幫錨索選用錨固劑型號(hào)均為K2360和Z2360兩種，頂板錨索使用3卷錨固劑，1卷K2360和2卷Z2360，兩幫錨索使用2卷錨固劑，1卷K2360和1卷Z2360。

(5)組合支護(hù)構(gòu)件。鋼筋梯子梁：頂板和兩幫均使用鋼筋梯子梁，長(zhǎng)度分別為4 700 mm和3 300 mm，寬度均為90 mm，鋼筋直徑16 mm。金屬網(wǎng)：選用菱形金屬網(wǎng)，采用直徑不得小于8號(hào)鐵絲編織，頂板用金屬網(wǎng)長(zhǎng)度4 800 mm，寬度900 mm，網(wǎng)孔尺寸40 mm×40 mm。兩幫用金屬網(wǎng)長(zhǎng)度3 300 mm，寬度900 mm，網(wǎng)孔尺寸40 mm×40 mm。

4 施工中關(guān)鍵點(diǎn)

(1)做好優(yōu)質(zhì)光面爆破，最大限度減少對(duì)圍巖的破壞，為錨桿支護(hù)質(zhì)量控制打好基礎(chǔ)。①鉆眼前，畫(huà)圓弧線，定炮眼眼位。②鉆眼時(shí)，定人、定位、定炮眼范圍，嚴(yán)格按照爆破圖表設(shè)計(jì)的炮眼數(shù)量、位置、角度打眼。③嚴(yán)格按照爆破圖表設(shè)計(jì)的不同炮眼裝藥量要求裝藥和規(guī)定的順序依次爆破，控制好抵抗層。

(2)錨桿“三徑兩長(zhǎng)”要合理匹配。①錨桿鉆孔鉆頭配置為直徑30 mm，錨固劑直徑選用23 mm，錨桿直徑選用22 mm，達(dá)到錨桿優(yōu)質(zhì)“三徑”匹配，這是錨桿達(dá)到系統(tǒng)等強(qiáng)錨固力的基礎(chǔ)。②施工錨桿孔的鉆桿要與錨桿等長(zhǎng)，且鉆桿與鉆頭要同心，避免出現(xiàn)超深打孔、鉆桿刷孔等問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中要嚴(yán)格控制，否則將會(huì)嚴(yán)重影響和損害支護(hù)質(zhì)量。

(3)抓好錨桿、錨索安裝質(zhì)量。①錨桿(索)要定眼位打眼。錨桿位置誤差不得大于50 mm，鉆孔角度誤差不大于5°。錨索位置誤差不大于±100 mm，鉆孔角度不得大于10°，鉆孔深度不大于50 mm。鉆眼操作時(shí)，錨桿鉆機(jī)要擺放平穩(wěn)，不得隨意擺動(dòng)和移動(dòng)，勻速鉆進(jìn)，保證成孔質(zhì)量和安裝質(zhì)量，做好掃孔細(xì)節(jié)，達(dá)到最佳錨固效果。③錨桿安裝時(shí)，要按照要求把快速錨固劑在前、中速錨固劑隨后，用錨桿桿體輕輕推入孔底，防止錨固劑中途破損，待錨固劑完好裝入孔底后，用錨桿機(jī)均勻攪拌，錨桿機(jī)旋轉(zhuǎn)和升起要配合得當(dāng)，勻速升起，保證錨固劑均勻充分?jǐn)嚢?。攪拌后，待錨固劑初凝，再上緊螺母，錨桿螺母扭矩不得小于260 N·m，錨桿露出螺母長(zhǎng)度不得超過(guò)40 mm，托盤(pán)要壓在鋼筋梯子梁中間且緊貼鋼筋梯子梁。④錨索安裝時(shí)，與錨桿安裝相同。由于錨固劑裝入數(shù)量較多，在攪拌時(shí)，錨桿機(jī)向上推進(jìn)的速度要稍快些，旋轉(zhuǎn)速度也要加快一些，實(shí)現(xiàn)均勻攪拌，防止出現(xiàn)“竄液”以及避免錨索安裝不能到達(dá)孔底的情況。錨索的索具要張緊，托盤(pán)要緊貼巖面，錨索的張緊力不得小于20 t，外露長(zhǎng)度控制在150～250 mm。⑤對(duì)于失效、松動(dòng)等不合格錨桿(索)必須及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)打或重新張緊和緊固，所有操作人員須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)使用的鉆頭、鉆桿配套打眼，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的錨固劑規(guī)格、型號(hào)和數(shù)量進(jìn)行安裝。

(4)施工過(guò)程中必須預(yù)留壓茬網(wǎng)，保證網(wǎng)連接處的強(qiáng)度不減弱。壓茬寬度200 mm，壓茬網(wǎng)壓茬位置必須壓在鋼筋梯子梁下，用錨桿穿入壓緊，保證錨桿兩邊壓茬寬度相等、均勻，鋪設(shè)的金屬網(wǎng)要繃緊，與初噴噴層接觸良好。

5 效果檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)支護(hù)效果，采用“十”字觀測(cè)對(duì)拱頂相對(duì)移近量、兩幫及肩部相對(duì)移近量、底板相對(duì)移近量進(jìn)行了觀測(cè)。每隔20 m設(shè)1組檢測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)巷道表面位移情況，每組檢測(cè)點(diǎn)在巷道拱頂、肩窩及兩幫拱基線處各設(shè)一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)(釘上水泥釘作為標(biāo)記)，做好初始讀數(shù)記錄，以后每10 d觀測(cè)1次。截至目前，巷道頂板下沉量30～100 mm，底鼓量30～60 mm，兩幫收縮量50～150 mm，在安全、運(yùn)輸、通風(fēng)等方面均能滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的需要。在-655 m北大巷再次進(jìn)行了驗(yàn)證，同樣取得了很好的效果。現(xiàn)-655 m水平南大巷支護(hù)情況如圖3所示。

圖3 -655 m水平南大巷支護(hù)情況Fig.3 -655 m level roadway supporting situation

6 結(jié)論

(1)鶴煤八礦-655 m水平南大巷為典型的深部高應(yīng)力軟巖巷道，采用幾種支護(hù)體簡(jiǎn)單疊加方式無(wú)法保證巷道圍巖穩(wěn)定性，主要是由于巷道埋深大、地應(yīng)力水平高、圍巖強(qiáng)度低和自穩(wěn)能力差、支護(hù)設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量差等因素造成的。

(2)原支護(hù)所采用的支護(hù)方式僅將幾種支護(hù)體進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，未考慮支護(hù)體的支護(hù)機(jī)理及結(jié)構(gòu)上的耦合作用，導(dǎo)致巷道變形破壞嚴(yán)重。通過(guò)錨梁網(wǎng)索與注漿錨索耦合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，巷道頂板離層、兩幫移近量和底鼓量大幅減小，巷道維護(hù)狀況顯著改善，效益顯著，解決了支護(hù)問(wèn)題。

(3)采用錨梁網(wǎng)索與注漿錨索耦合支護(hù)，使初噴、初始支護(hù)、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)和注漿加固支護(hù)的整個(gè)支護(hù)過(guò)程實(shí)現(xiàn)有機(jī)耦合，形成有層次的、完整的及時(shí)耦合強(qiáng)化體，整個(gè)支護(hù)體的每個(gè)階段都能夠在適度讓壓變形后得到強(qiáng)化，在讓抗結(jié)合的過(guò)程中達(dá)到巷道的有效控制和穩(wěn)定，極大地提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和圍巖的自身承載能力。

(4)從-655 m水平南大巷返修巷道支護(hù)效果可以看出，該支護(hù)技術(shù)方案技術(shù)路線合理，成功地解決了鶴煤八礦深部軟巖應(yīng)力集中帶巷道圍巖穩(wěn)定控制和支護(hù)技術(shù)難題，是一種非常好的主動(dòng)支護(hù)形式，為礦井深部應(yīng)力集中區(qū)域軟巖巷道的治理提供了一條行之有效的技術(shù)途徑，可以較好地解決深部軟巖巷道的支護(hù)問(wèn)題。 同時(shí)也為其他軟巖巷道或硐室的支護(hù)設(shè)計(jì)與施工提供了理論依據(jù)和實(shí)踐參考。