深部軟巖大變形巷道錨注一體化支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用

鄧廣哲，劉 華

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤炭是中國(guó)的基礎(chǔ)能源和重要原料，隨著淺部煤炭資源的日益枯竭，深部煤炭開(kāi)采規(guī)模逐年擴(kuò)大，目前正以8～12 m/a 的速度向深部延伸，巷道所處地質(zhì)環(huán)境及圍巖應(yīng)力條件逐步惡化，深部軟巖大變形非線性特性愈加明顯，導(dǎo)致巷道支護(hù)難度和破壞程度不斷增加。針對(duì)深部軟巖大變形巷道支護(hù)難題，廣大學(xué)者開(kāi)展了一系列的研究工作，提出了不同的圍巖控制措施?？导t普系統(tǒng)的對(duì)煤炭開(kāi)采與巖層控制的空間尺度進(jìn)行分析，通過(guò)研究深井巷道圍巖變形破壞特征與支護(hù)體作用的關(guān)系，得到高強(qiáng)度錨桿與錨索及注漿聯(lián)合加固技術(shù)，有利于控制深井巖巷大變形，提高圍巖穩(wěn)定性[1-3]。李術(shù)才等針對(duì)三軟煤層巷道變形特征，提出并合理設(shè)計(jì)以錨注支護(hù)為核心的圍巖控制措施，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)圍巖支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化[4-6]。王洪濤等在注漿加固技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)并提出新型高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)，并現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨注技術(shù)具有可提高軟弱破碎圍巖完整性，充分發(fā)揮圍巖自承能力的效果[7]。伍永平分析了急傾斜煤層軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)理，針對(duì)巷道圍巖賦存的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境以及多次重復(fù)采動(dòng)影響條件，提出錨桿、錨索非對(duì)稱多介質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合支護(hù)對(duì)策[8-10]。孟慶斌等基于巖石室內(nèi)物化試驗(yàn)分析及巷道地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，揭示了深部巷道圍巖變形破壞機(jī)理，并提出以內(nèi)注漿錨桿為核心的錨桿+錨索+錨注“三錨”聯(lián)合支護(hù)體系[11-13]。李樹(shù)剛等為解決深部破碎圍巖巷道支護(hù)難題，運(yùn)用UDEC數(shù)值計(jì)算軟件，揭示了破碎圍巖巷道變形機(jī)制，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，提出基于錨索與注漿的支護(hù)加固方案[14]。CHARLIE針對(duì)深部高應(yīng)力巖體開(kāi)挖過(guò)程中的巷道大變形問(wèn)題，提出并開(kāi)發(fā)了適用于深井大變形巷道的新型吸能錨桿，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，新型吸能錨桿各變形部位獨(dú)立均等承受荷載，錨桿失效率低，可有效控制巷道圍巖大變形[15]。AKSOY等通過(guò)理論分析深埋巷道開(kāi)挖過(guò)程中錨固失效機(jī)理，以及界面剪脹效應(yīng)、圍巖強(qiáng)度參數(shù)和圍巖應(yīng)力等因素影響，提出了錨固體界面黏結(jié)強(qiáng)度的理論計(jì)算分析方法，揭示了錨固體界面力學(xué)承載持性[16]。謝生榮針對(duì)深部巷道圍巖變形量大，支護(hù)體系易失效等問(wèn)題，提出了集密集高強(qiáng)錨桿承壓拱、厚層鋼筋網(wǎng)噴層拱和滯后注漿加固拱于一體的錨噴注強(qiáng)化承壓拱支護(hù)技術(shù)[17]。鄧廣哲針對(duì)高應(yīng)力區(qū)、膨脹性裂隙軟巖變形控制問(wèn)題，以膨脹時(shí)效變形過(guò)程控制為指導(dǎo)思想，揭示膨脹變形的內(nèi)在機(jī)制及松動(dòng)圈演化規(guī)律，分析支護(hù)體系對(duì)膨脹變形破壞的影響，建立了適應(yīng)裂隙圍巖的主動(dòng)支護(hù)與巷道加固的理論依據(jù)[18-20]。

上述針對(duì)深部巷道圍巖支護(hù)技術(shù)在不同礦區(qū)進(jìn)行了成功實(shí)踐，具有一定的借鑒意義，但對(duì)于不同的地質(zhì)賦存條件、巷道圍巖狀況及開(kāi)采方式等，則需要根據(jù)礦井實(shí)際情況進(jìn)行分析，采用有針對(duì)性的圍巖支護(hù)措施，才能保證巷道圍巖的合理有效控制。以金川煤礦8202工作面回風(fēng)順槽為工程背景，通過(guò)巷道圍巖物化特征的實(shí)驗(yàn)分析，松動(dòng)圈演化規(guī)律的井下綜合實(shí)測(cè)以及圍巖支護(hù)體系效果監(jiān)測(cè)，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，研究8202工作面回風(fēng)順槽圍巖變形破壞機(jī)理，提出巷道錨注一體化支護(hù)技術(shù)，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案優(yōu)化試驗(yàn)，對(duì)錨注一體化支護(hù)效果進(jìn)行了驗(yàn)證，以期為解決此類軟巖大變形巷道圍巖控制難題提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

金川煤礦是南疆煤炭的主力生產(chǎn)礦井，礦區(qū)面積為13.34 km2，南北方向?qū)捈s1.4～1.6 km，東西方向長(zhǎng)約5.3 km。主采8#煤，煤層厚度5.1 m左右，傾角13°，為緩傾斜煤層。煤層直接頂以碳質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，屬易冒落-中等冒落的軟弱巖石類型，直接底為泥巖、碳質(zhì)泥巖，局部粉砂巖，抗壓強(qiáng)度低，巷道圍巖遇水易膨脹軟化，8#煤層綜合柱狀圖如圖1所示。礦井8202工作面回風(fēng)順槽煤層埋深797.7～802.8 m，回風(fēng)順槽北鄰已開(kāi)采完畢的8203工作面。

圖1 8#煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of No.8 coal seam

1.2 原支護(hù)方案

該順槽為梯形斷面，規(guī)格為：上寬3.8 m，下寬4.2 m，高3.0 m，斷面積12.0 m2。采用錨索-錨網(wǎng)-錨桿-工字鋼支架聯(lián)合支護(hù)。斷面設(shè)計(jì)及支護(hù)形式如圖2所示。

圖2 8202工作面回風(fēng)順槽原支護(hù)方案Fig.2 Original support scheme of return air roadway of 8202 working face

采用φ18 mm×2 000 mm等強(qiáng)錨桿，間排距是800 mm×800 mm，頂錨桿及幫錨桿每根安裝2節(jié)ZK2350樹(shù)脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度為1 m。錨桿托盤(pán)為Q235鋼板，規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm。

錨索采用“2-1-2”型布設(shè)方式。巷道頂部布設(shè)2根錨索，距離兩幫1 150 mm，隔排在巷道頂板中間布設(shè)1根錨索，間排距是1 500 mm×1 600 mm，使用φ17.8 mm×9 000 mm鋼絞線。錨索托盤(pán)使用11#工字鋼，長(zhǎng)度為500 mm，每根錨索安裝4節(jié)ZK2350樹(shù)脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度為2 m。

錨網(wǎng)采用4#冷拔絲制作，孔距40 mm×40 mm。梯形工字鋼架采用11#工字鋼加工制作，架于兩排錨桿之間。

2 圍巖變形破壞特征

2.1 強(qiáng)時(shí)效性、強(qiáng)流變性

巷道圍巖變形表現(xiàn)為強(qiáng)時(shí)間效應(yīng)和持續(xù)的流變特性[21]，巷道掘進(jìn)初期的變形速率高，隨著時(shí)間增加而逐漸減小，需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間歷程才能逐漸趨于穩(wěn)定。圍巖總變形量大，在400～1 300 mm?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明：巷道剛開(kāi)挖時(shí)的變形速率可達(dá)60 mm/d以上，巷道掘出后，變形速率隨時(shí)間的延續(xù)基本呈負(fù)指數(shù)y=41.351e-0.023x曲線衰減趨勢(shì)(圖3)，變形持續(xù)3個(gè)月后逐漸減小而趨于穩(wěn)定，但變形基本不會(huì)終止。

圖3 巷道變形速率觀測(cè)Fig.3 Observation of roadway deformation rates

2.2 變形破壞嚴(yán)重

巷道在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)頂板破碎、離層、網(wǎng)兜、頂板部分錨桿和錨索托盤(pán)已經(jīng)壓平變形，頂板易冒落，冒落區(qū)多發(fā)生于頂板靠采空區(qū)側(cè)；網(wǎng)兜較多，部分鋼筋網(wǎng)被拉斷，失去護(hù)表作用，且網(wǎng)兜多發(fā)生于頂板靠實(shí)體煤側(cè)。錨桿受力變化較大，不均勻，錨桿失效現(xiàn)象頻發(fā)。加之錨固劑與煤巖體間錨固力不足，端頭錨固很難達(dá)到錨桿(索)拉拔力要求，造成錨索大范圍破斷，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，錨索破斷率達(dá)35%左右。巷道兩幫的變形導(dǎo)致梯形工字鋼支架易彎曲變形，無(wú)法緊貼巷道煤壁，原支護(hù)方案下巷道破壞情況如圖4所示。

圖4 巷道破壞Fig.4 Roadway failure

原支護(hù)方案下巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線如圖5所示，可以看出：原支護(hù)方案下，巷道表面位移呈現(xiàn)出從大到小為“頂板下沉量，采空區(qū)側(cè)幫內(nèi)移量，實(shí)體煤側(cè)幫內(nèi)移量，底鼓量”的變形特征。巷道掘進(jìn)過(guò)程中，圍巖產(chǎn)生較大變形，隨著掘進(jìn)工作的進(jìn)行，頂板下沉呈持續(xù)增大趨勢(shì)，兩幫收斂及底鼓經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間后穩(wěn)定，最終，頂板下沉量達(dá)到1 319 mm，兩幫收斂量達(dá)到1 618 mm，其中采空區(qū)側(cè)幫內(nèi)移量849 mm，實(shí)體煤側(cè)幫內(nèi)移量769 mm，底板移近量相對(duì)較小，為432 mm。

圖5 原支護(hù)方案巷道表面位移監(jiān)測(cè)Fig.5 Monitoring of roadway surface displacement of original support scheme

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部協(xié)調(diào)性不足

通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，巷道頂板圍巖離層較多，距離頂板較近處巖層破碎，巷道支護(hù)體系中錨桿錨固形式采用端部錨固[22]，地質(zhì)條件表現(xiàn)為圍巖裂隙較發(fā)育，而端錨錨桿僅在錨桿端部與圍巖很好地黏結(jié)成一整體，錨桿鉆孔其他區(qū)段被裂隙分割成較小碎塊，因此其所形成的自承圈穩(wěn)定性和承載能力都較差，致使圍巖應(yīng)力多集中于頂錨索，且錨索先期承受較大荷載，錨桿作用未能充分發(fā)揮。梯形工字鋼架受力變化緩慢，僅承受由于頂板下沉所引起的荷載，且荷載較小。

3 原支護(hù)方案變形破壞機(jī)理分析

3.1 黏土礦物分析

由于膨脹性軟巖中所含的蒙脫石、高嶺石等黏土礦物是導(dǎo)致此類軟巖遇水易膨脹、崩解及軟化的原因，為深入分析軟巖巷道圍巖變形機(jī)理，研究支護(hù)設(shè)計(jì)與參數(shù)，因此，采用D/MAXrA型X射線衍射儀對(duì)巷道不同層位圍巖進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果顯示：直接頂試樣中含有的礦物主要以黏土礦物為主，其含量為73%，其余為石英13.1%，斜長(zhǎng)石11.8%，此外含有少量方解石，黏土礦物中含87%的蒙脫石以及13%的高嶺土；基本頂試樣中黏土礦物總量接近34%，石英含量超過(guò)66%；直接底試樣中黏土礦物總量超過(guò)61%，石英含量接近36%。

可見(jiàn)，巷道淺部圍巖為含較多黏土礦物的塑性圍巖，并且易于吸水膨脹。此類圍巖通常具有風(fēng)化速度快、力學(xué)強(qiáng)度低以及遇水易于軟化崩解等不良險(xiǎn)質(zhì)，是造成巷道圍巖強(qiáng)時(shí)效性、強(qiáng)流變性的原因，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性不利。

3.2 松動(dòng)圈綜合觀測(cè)分析

為全面掌握巷道圍巖賦存及裂隙發(fā)育情況，采用YSZ(B)鉆孔窺視儀觀測(cè)鉆孔圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及破裂形態(tài)，通過(guò)CT2礦用超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀測(cè)出聲波縱波速度在圍巖鉆孔中的分布變化曲線，當(dāng)圍巖裂隙(破裂縫)多時(shí)，波速相對(duì)于深部完整無(wú)裂隙(未松動(dòng)破壞)煤巖體的波速低，即可判定圍巖裂隙(松動(dòng))范圍。

分別于巷道變形破碎嚴(yán)重區(qū)段設(shè)置3組松動(dòng)圈觀測(cè)站，每組測(cè)站在巷道頂板及兩幫中心處鉆孔。鉆孔窺視觀測(cè)裂隙分布可以發(fā)現(xiàn)，巷道頂板0.5～3.2 m范圍內(nèi)圍巖破裂最嚴(yán)重，靠采空區(qū)側(cè)幫部0.5～1.85 m范圍內(nèi)圍巖破裂最嚴(yán)重，靠實(shí)體煤側(cè)幫部0.5～1.75 m范圍圍巖破裂最嚴(yán)重，截取1#觀測(cè)站頂板及兩幫鉆孔窺視圖像，顯示破裂區(qū)內(nèi)邊緣處與內(nèi)部完整圍巖交界處情況(圖6)。超聲波綜合波形可知靠采空區(qū)側(cè)幫部充分發(fā)育的裂隙主要分布在1.95 m以內(nèi)區(qū)段，靠實(shí)體煤側(cè)幫部充分發(fā)育的裂隙主要分布在1.8 m以內(nèi)區(qū)段。鉆孔圍巖變形破碎嚴(yán)重，隨著鉆孔測(cè)試深度的增加，圍巖破壞情況依次減弱，將鉆孔窺視觀測(cè)的裂隙分布與超聲波波速曲線相結(jié)合繪制于圖上(圖7)，2種結(jié)果互相印證[23-24]，可以得到鉆孔內(nèi)圍巖存在分區(qū)破裂現(xiàn)象，整體支護(hù)強(qiáng)度不足。

3.3 巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)(阻力分配)分析

通過(guò)在8202回風(fēng)順槽典型變形破壞區(qū)段布設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)錨桿、錨索及梯形工字鋼架應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)阻力及阻力分配率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

圖7 巷道圍巖松動(dòng)圈裂隙綜合觀測(cè)分布Fig.7 Comprehensive observation and distribution of cracks in surrounding rock loose zone of roadway

通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同情況下巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)形式中，錨桿、掛網(wǎng)、錨索、支架聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部支護(hù)協(xié)調(diào)性嚴(yán)重不足，支護(hù)作用不平衡。其中錨索承擔(dān)了總支護(hù)阻力的60%～70%；錨桿承擔(dān)了總支護(hù)阻力的24%～32%；工字鋼支架支護(hù)阻力為總支護(hù)阻力的6%～8%。結(jié)合松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，頂板圍巖松動(dòng)圈已達(dá)3 200 mm，而錨桿長(zhǎng)度僅為2 000 mm，錨桿端部不能黏結(jié)深部堅(jiān)硬巖層，造成錨桿大范圍失效，錨桿支護(hù)不能形成組合拱，錨索承擔(dān)了大部分支護(hù)阻力，嚴(yán)重影響支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部協(xié)調(diào)性，支護(hù)構(gòu)件作用發(fā)揮不充分。

4 大變形巷道圍巖控制對(duì)策

4.1 圍巖控制方案分析

綜合上述圍巖變形破壞機(jī)理分析，圍巖變形破壞嚴(yán)重、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，淺部裂隙發(fā)育充分，松動(dòng)圈范圍大，支護(hù)潛力不能有效發(fā)揮，巷道圍巖黏土礦物含量較多。為充分發(fā)揮支護(hù)體系對(duì)圍巖控制作用，進(jìn)一步減小圍巖變形，提出以下控制措施：

1)加長(zhǎng)錨桿，優(yōu)化錨桿、錨索布置方式。基于巷道圍巖變形大，松動(dòng)圈范圍超出錨桿長(zhǎng)度，支護(hù)承載體受力不平衡，應(yīng)加長(zhǎng)錨桿，提高其所形成的淺部自承圈穩(wěn)定性和承載能力。減小錨索排距，充分達(dá)到錯(cuò)差聯(lián)合，加強(qiáng)錨桿錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)性。

2)加強(qiáng)護(hù)表支護(hù)。巷道圍巖含黏土礦物多，吸水易碎脹崩解，并具有強(qiáng)流變性，巷道表面強(qiáng)度低。對(duì)頂板改用錨索梁，去掉梯形工字鋼架，錨桿配以W鋼帶和金屬網(wǎng)使護(hù)表得以加強(qiáng)。錨索梁的作用是將預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散至錨桿之間，改善錨桿受力效果，限制巷道圍巖變形，去掉梯形工字鋼架可縮短施工作業(yè)時(shí)間，盡量達(dá)到支護(hù)工藝平行作業(yè)，提高巷道掘進(jìn)效率。

3)錨注一體化支護(hù)。對(duì)巷道進(jìn)行淺部注漿加固，填充圍巖裂隙，提高圍巖強(qiáng)度，一方面配合錨梁網(wǎng)索支護(hù)形成多層組合拱，改善圍巖自身承載能力，并有效膠結(jié)巷道淺部破碎松軟巖體，為錨桿錨索提供穩(wěn)固的著力基礎(chǔ)；另一方面，圍巖裂隙被漿液封堵，巖體整體性得到改善，堵水作用明顯，抗?jié)B能力大幅度提高，使圍巖黏土礦物不易受到水的侵蝕作用而軟化變形。

4)提高錨桿錨索預(yù)緊力。在錨注一體化加固的基礎(chǔ)上，保證張拉后允許變形量可以滿足頂板允許下沉量的情況下，適當(dāng)提高錨桿等支護(hù)構(gòu)件預(yù)緊力，改善支護(hù)構(gòu)件對(duì)圍巖的主動(dòng)支護(hù)效果，進(jìn)一步控制圍巖變形。

4.2 錨注一體化支護(hù)方案數(shù)值模擬

4.2.1 數(shù)值模型建立

基于圣維楠原理，巷道開(kāi)挖后，其影響范圍具有一定的限度，而不是擴(kuò)展至無(wú)限遠(yuǎn)。同時(shí)，考慮到便于數(shù)值模擬計(jì)算方便，按照實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給定其一個(gè)影響范圍。此次模擬不對(duì)巷道回采過(guò)程進(jìn)行考慮，即不考慮巷道的空間效應(yīng)，因此建立三維模型。模型的寬度為60 m，模型高為45 m，模型厚3 m，巷道斷面為梯形，上寬3.8 m，下寬4.2 m，高3.0 m，模型建立如圖8所示，計(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，采用摩爾-庫(kù)侖模型進(jìn)行計(jì)算。模型采用位移邊界條件，固定左右及前后邊界水平方向位移，巷道底板固定水平位移和豎向位移，上部邊界為自由邊界并施加19.2 MPa的原巖應(yīng)力。

圖8 數(shù)值計(jì)算模型Fig.8 Numerical calculation model

4.2.2 支護(hù)方案優(yōu)化比選

綜合現(xiàn)場(chǎng)圍巖支護(hù)體系受力、圍巖變形等實(shí)測(cè)，提出巷道錨梁網(wǎng)索+注漿控制圍巖變形的支護(hù)理念，確定3種支護(hù)方案的數(shù)值模型，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件分別對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析(圖9～圖11)，并與無(wú)支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3。

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock physical and mechanical parameters

方案1：錨梁網(wǎng)索+注漿，頂板錨桿規(guī)格φ22 mm×3 000 mm，間排距800 mm×1 000 mm；兩幫錨桿規(guī)格φ20 mm×3 000 mm，間排距800 mm×1 000 mm；頂板錨索規(guī)格φ21.6 mm×9 000 mm，間排距1 500 mm×1 000 mm，每排2根；掛梁錨索規(guī)格φ21.6 mm×6 000 mm，間排距1 500 mm×1 000 mm，每排3根；錨索梁采用11#工字鋼，長(zhǎng)度3 800 mm。

方案2：錨梁網(wǎng)索+注漿，頂板錨桿規(guī)格φ22 mm×3 000 mm，間排距800 mm×800 mm；兩幫錨桿規(guī)格φ20 mm×3 000 mm，間排距800 mm×800 mm；頂板錨索規(guī)格φ21.6 mm×9 000 mm，間排距1 500 mm×800 mm，每排2根；掛梁錨索規(guī)格φ21.6 mm×6 000 mm，間排距1 500 mm×800 mm，每排3根；錨索梁采用11#工字鋼，長(zhǎng)度3 800 mm。

圖9 巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.9 Distribution of surrounding rock plastic zone

方案3：錨梁網(wǎng)索+注漿，頂板錨桿規(guī)格φ22 mm×3 000 mm，間排距800 mm×1 200 mm；兩幫錨桿規(guī)格φ20 mm×3 000 mm，間排距800 mm×1 200 mm；頂板錨索規(guī)格φ21.6 mm×9 000 mm，間排距1 500 mm×1 200 mm，每排2根；掛梁錨索規(guī)格φ21.6 mm×6 000 mm，間排距1 500 mm×1 200 mm，每排3根；錨索梁采用11#工字鋼，長(zhǎng)度3 800 mm。

從表3可知,3種支護(hù)方案均有效控制了巷道圍巖變形，頂板下沉量和兩幫移近量大幅度減小。其中方案2支護(hù)效果最好，錨桿錨索密度最大；方案3效果相對(duì)較差，錨桿錨索密度最??；在有效控制圍巖變形的前提下，綜合考慮巷道總支護(hù)工作量與經(jīng)濟(jì)效益，支護(hù)方案1最為合理。

圖10 巷道圍巖水平位移分布Fig.10 Horizontal displacement distribution of surrounding rock in roadway

圖11 巷道圍巖垂直位移分布Fig.11 Vertical displacement distribution of surrounding rock in roadway

表3 不同方案下支護(hù)效果Table 3 Support effects under different plans

4.3 支護(hù)方案參數(shù)選取與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

4.3.1 方案設(shè)計(jì)及參數(shù)

為解決8202回風(fēng)順槽原支護(hù)方案的不足，由于錨索持力層圍巖整體性好，強(qiáng)度高，錨索支護(hù)與錨索梁聯(lián)合作用，可對(duì)圍巖深部分層次控制，筆者通過(guò)前期現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬方案的對(duì)比分析，提出以淺部錨注支護(hù)為核心，并利用錨索梁代替梯形鋼架以控制巷道變形的錨注一體化支護(hù)技術(shù)，使支護(hù)構(gòu)件力學(xué)性能相互匹配，整體支護(hù)作用得到最大限度發(fā)揮。

錨桿安裝與注漿在同一鉆孔中進(jìn)行。頂錨桿采用φ22 mm×3 000 mm高強(qiáng)錨桿，間排距800 mm×1 000 mm；兩幫錨桿規(guī)格φ20 mm×3 000 mm，間排距800 mm×1 000 mm；樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度均為1.8 m；采用高強(qiáng)球型托盤(pán)配以W剛帶及鋼筋網(wǎng)護(hù)表，每排布置13根錨桿；錨桿預(yù)緊力為80～100 kN。

頂板錨索規(guī)格為φ21.6 mm×9 000 mm高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距1 500 mm×1 000 mm，每排2根；掛梁錨索安裝于原梯形工字鋼架位置處(兩排錨桿之間)，掛梁錨索規(guī)格φ21.6 mm×6 000 mm高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距1 500 mm×1 000 mm，每排頂板安裝3根；錨索錨固長(zhǎng)度均為1.8 m，施加120 kN預(yù)緊力。錨索梁采用11#工字鋼，長(zhǎng)度3 800 mm，每根鋼梁上焊制3個(gè)25 mm圓孔。優(yōu)化后支護(hù)方案如圖12所示。

圖12 8202工作面回風(fēng)順槽優(yōu)化支護(hù)方案Fig.12 Optimal supporting scheme of the return air roadway along 8202 working face

4.3.2 錨索梁施工

1)錨索梁于兩排錨桿之間施工，每排布設(shè)3個(gè)掛梁錨索，分別位于頂板中心及兩肩角處。首先用MQT-130型氣動(dòng)錨索鉆機(jī)施工深度為6 m的鉆孔，鉆孔間距為1.6 m。

2)鉆孔施工完成后，分別給每個(gè)鉆孔填裝3支樹(shù)脂錨固劑(MSK23/60型)，隨后放置6 m長(zhǎng)錨索并進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)5 min的錨固，錨索外露端0.5 m左右。

3)每排3根掛梁錨索施工完成后，將工字鋼梁垂直于巷道軸線，并將焊制好的圓孔與3根錨索對(duì)齊，安裝好并緊貼頂板，用300 mm×300 mm剛托板及鎖具固定，再利用張拉機(jī)具進(jìn)行預(yù)緊，目的是確保工字鋼梁與頂板良好接觸。當(dāng)巷道頂板變形破碎、不平整導(dǎo)致工字鋼梁與頂板不能充分接觸時(shí)，可采用半圓木架設(shè)于頂板與工字鋼梁之間，使錨索梁作用有效發(fā)揮。

4.3.3 注漿施工

1)采用淺部注漿方式，旨在加強(qiáng)淺部圍巖完整性及整體強(qiáng)度，錨桿安裝與注漿在同一鉆孔中進(jìn)行，將注漿管直接下入錨桿孔內(nèi)進(jìn)行水泥注漿，錨桿孔均下1.5 m長(zhǎng)注漿管。

2)注漿材料選用425#普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比為0.7∶1，并加入XPM納米灌注劑。XPM納米灌注劑的加入大幅度提高漿液流變性，改善漿液滲透能力，同時(shí)可以提高注漿巖體抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能。封孔長(zhǎng)度均為400 mm，采用風(fēng)動(dòng)雙液注漿泵進(jìn)行注漿，規(guī)定注漿壓力為3.0 MPa左右，若注漿過(guò)程中鉆孔能繼續(xù)吃漿，提高注漿壓力至5 MPa左右，使?jié){液充分進(jìn)入圍巖裂隙中，加強(qiáng)圍巖裂隙封堵效果。

5 井下試驗(yàn)效果分析

5.1 鉆孔注漿效果觀測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)巷道破碎嚴(yán)重區(qū)段注漿過(guò)程順利，注漿量大，為觀測(cè)圍巖注漿后的漿液充填效果，選取代表性斷面對(duì)頂板及兩幫進(jìn)行鉆孔窺視觀測(cè)(圖13)，頂板及兩幫鉆孔的觀測(cè)深度均為2.5 m，通過(guò)鉆孔漿液充填效果的可視化觀測(cè)，直觀表現(xiàn)出漿液對(duì)巷道圍巖破碎區(qū)段充填的有效性。

圖13 鉆孔漿液充填觀測(cè)Fig.13 Observation of diffusion of drilling slurry

5.2 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)

圖14 優(yōu)化方案巷道表面位移監(jiān)測(cè)Fig.14 Surface displacement monitoring of the roadway optimization scheme

錨注一體化支護(hù)方案實(shí)施后，巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖14所示，巷道開(kāi)挖20 d內(nèi)，巷道頂板下沉及兩幫收斂速率較快，采空區(qū)側(cè)幫部變形速率較實(shí)體煤側(cè)幫部大，底板移近量增幅較小；巷道圍巖變形持續(xù)40 d后趨于穩(wěn)定，最終頂板下沉量387 mm；兩幫移近量425 mm，其中采空區(qū)側(cè)幫內(nèi)移量216 mm，實(shí)體煤側(cè)幫內(nèi)移量209 mm，前期采空區(qū)側(cè)幫部較實(shí)體煤側(cè)幫部變形幅度大，變形趨于穩(wěn)定后兩幫的變形量相近，說(shuō)明幫部整體性得到加強(qiáng)，注漿效果良好；底板移近量相對(duì)較小，為116 mm。與原支護(hù)方案巷道表面位移量對(duì)比見(jiàn)表4?？梢?jiàn)，錨注一體化支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖變形控制效果顯著。

表4 巷道表面位移量對(duì)比Table 4 Contrast of the displacement of roadway surface

6 結(jié) 論

1)金川礦8202回風(fēng)順槽圍巖所處地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道淺部圍巖為含較多黏土礦物的塑性圍巖，并且易于吸水膨脹，圍巖破碎嚴(yán)重、淺部裂隙發(fā)育充分，松動(dòng)圈范圍大，錨桿錨固長(zhǎng)度不足，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部協(xié)調(diào)性差，支護(hù)潛力不能有效發(fā)揮，導(dǎo)致原方案下巷道圍巖變形大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

2)巷道淺部注漿封堵圍巖裂隙，提高圍巖抗?jié)B能力，改善圍巖力學(xué)參數(shù)性能，結(jié)合錨桿支護(hù)大幅度提高淺部圍巖強(qiáng)度及自承能力。錨索及掛梁錨索均位于頂板穩(wěn)定持力層內(nèi)，錨索梁代替梯形工字鋼架，可有效懸吊離層變形區(qū)，控制頂板下沉，提高巷道掘進(jìn)效率。

3)基于數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定合理的支護(hù)方式及參數(shù)，增加錨桿長(zhǎng)度及淺部注漿支護(hù)，配合錨索梁及錨索支護(hù)形成多層組合拱，改善圍巖自承能力，同時(shí)，W鋼帶及金屬網(wǎng)形成柔性支護(hù)加強(qiáng)護(hù)表作用?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，新方案實(shí)施后錨注效果良好，可有效控制深部巷道軟弱圍巖變形。