南關(guān)煤業(yè)受動壓影響巷道鋼管混凝土支架支護應(yīng)用研究

郝志軍，王西林，何曉升，單仁亮

(1.山西汾西礦業(yè)(集團)有限責任公司，山西 介休 032000；2.山西大同大學，山西 大同 037000；3.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

巷道支護的目的在于維護開挖空間的穩(wěn)定性，保證巷道功能的實現(xiàn)。為采區(qū)服務(wù)的準備巷道一般服務(wù)年限在十年以上，且受到附近工作面回采的采動影響，若巷道圍巖軟弱破碎或原巖應(yīng)力較大，則巷道易發(fā)生流變變形，難以維持巷道的長期穩(wěn)定[1-7]。

汾西礦業(yè)(集團)公司南關(guān)煤業(yè)三采區(qū)西翼軌道巷、西翼皮帶巷和西翼回風巷服務(wù)于三采區(qū)工作面回采以及未來的五采區(qū)工作面回采。巷道服務(wù)年限長，三條大巷圍巖持續(xù)變形始終困擾著該礦的煤炭生產(chǎn)。雖經(jīng)歷多次返修，巷道圍巖流變?nèi)噪y以控制，截至2018年12月，三條大巷因不滿足使用要求而需要刷擴返修的巷道總長度約為3000m，巷道維修任務(wù)量很大。

鋼管混凝土支架具有承載能力大，延性好且便于安裝的特點。近年來，在一些軟巖巷道、斷層破碎區(qū)巷道和動壓巷道支護中發(fā)揮了良好的應(yīng)用效果[8-15]。

在分析巷道圍巖條件、原巖應(yīng)力條件和原有支護變形特征的基礎(chǔ)上，提出了基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護方案，并在3209工作面動壓影響區(qū)域進行了現(xiàn)場試驗。本文在理論分析的基礎(chǔ)上，論述了鋼管混凝土支架方案設(shè)計及應(yīng)用效果，希望能為地質(zhì)條件相近的巷道支護提供有益借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

南關(guān)煤業(yè)西翼運輸巷、西翼軌道巷和西翼回風巷三條下山平行布置，沿2#煤層頂板掘進，巷道埋深為500～560m。2#煤頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 巷道頂?shù)装鍘r性

1.2 原巖應(yīng)力情況

南關(guān)煤業(yè)井田區(qū)域內(nèi)斷層較多，為了解三采區(qū)原巖應(yīng)力狀況，分別在3201材巷和西翼回風巷采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法進行原巖應(yīng)力測量。地應(yīng)力測試空心包體應(yīng)力計安裝情況見表2，地應(yīng)力測試結(jié)果見表3。

由空心包體應(yīng)力計安裝情況可知，3201材料巷31°孔和西翼回風巷14°孔所安裝應(yīng)力計處于泥巖中，泥巖在打鉆過程中易破裂松動，產(chǎn)生較大的應(yīng)力重分布，因此舍棄這兩個孔的測試結(jié)果。

表2 空心包體應(yīng)力計安裝情況

原巖應(yīng)力測量結(jié)果表明水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，水平應(yīng)力的方向為43°～95°，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.90～2.50倍，由于水平地應(yīng)力造成的礦壓顯現(xiàn)向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，巷道頂?shù)装遄冃瘟看笥趦蓭褪湛s量。最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力以及三者之間的關(guān)系見表3。

表3 地應(yīng)力測試結(jié)果

2 巷道原有支護情況及變形特征

以南關(guān)煤業(yè)具有代表性的西翼軌道(巷道里程1320～1414m段)為例，分析巷道原有支護條件下的變形情況。該段巷道使用“36U型鋼支架+錨網(wǎng)噴”聯(lián)合支護，支護強度較高，巷道受工作面回采動壓影響，與回采工作面停采線平距為133.5m，巷道流變變形量較大。三條大巷保護煤柱寬度為80m，與工作面臨近的大巷受采動影響最大，支護難度最大。

2.1 原有巷道支護情況

西翼軌道巷里程1320～1414m段于2014年10月進行返修，支護采取錨網(wǎng)噴+馬蹄形36U型鋼支架聯(lián)合支護。巷道支護斷面如圖1所示。

具體參數(shù)如下：

錨桿選取型號為?20mm×2400mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm。

錨索選用規(guī)格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線，頂錨索布置3根，間排距為1600mm×1600mm。

巷道全斷面掛鋼筋網(wǎng)，采用直徑6.5mm圓鋼加工，網(wǎng)格為100mm×100mm，搭接長度為100mm。

錨筋網(wǎng)支護后，進行全斷面初噴，初噴厚度為30～50mm，復(fù)噴70～50mm，噴射混凝土厚度為100mm，噴射混凝土強度等級為C20。復(fù)噴后架設(shè)36U型鋼支架，支架安裝滯后復(fù)噴10m以內(nèi) 。

36U型鋼支架間距為1m，支架結(jié)構(gòu)為6段式，相鄰各節(jié)以卡蘭搭接，每處搭接長度為0.5m。

圖1 西翼軌道巷支護斷面圖(mm)

2.2 巷道變形特征

截至2018年10月，巷道寬度收縮0.4m，高度收縮1.2m，U型棚扭曲變形。

2.3 巷道變形原因分析

巷道變形原因分析如下：①高構(gòu)造地應(yīng)力。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造較多，根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，水平應(yīng)力約為自重應(yīng)力的兩倍，巷道頂?shù)装逡平扛哂趦蓭鸵平?；②煤層強度低。煤層單軸抗壓強度僅為10MPa，約為原巖最打應(yīng)力的2/3，約為巷道開挖后應(yīng)力重分布區(qū)域內(nèi)理論應(yīng)力峰值的1/3，在高應(yīng)力環(huán)境下，巷道兩幫煤壁極易發(fā)生破壞；③巷道未受采動影響期間，巷道圍巖呈緩慢流變狀態(tài)，累計頂?shù)滓平考s為660mm，說明巷道支護強度不足，難以維持巷道圍巖的長期穩(wěn)定；④巷道受到3211工作面回采動壓影響，3211工作面終采線與該段巷道平距為133.5m，2017年8月3211工作面回采完畢。工作面回采過程中，圍巖變形速度較快，回采動壓影響期間累計頂?shù)装逡平考s為540mm。

3 巷道圍巖變形機理與控制對策

巷道開挖后，未支護情況下，圍巖壓力大于巖石的極限強度，圍巖變形速度快，巷道圍巖切向應(yīng)力峰值向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移，巷道壁處圍巖壓力降低，有利于巷道穩(wěn)定。隨著塑性變形的繼續(xù)發(fā)展，開挖空間內(nèi)的圍巖塌落，形成松散巖體，對支護體產(chǎn)生松動壓力，松動壓力的升高不利于巷道穩(wěn)定。因此，巷道支護過程中，應(yīng)當使支護體具有一定的讓壓變形能力，同時還應(yīng)提供較大支護反力。南關(guān)煤業(yè)西翼三條大巷已經(jīng)歷多次返修，圍巖破碎松散，巷道變形以“有害變形”為主。

南關(guān)煤業(yè)西翼三條大巷圍巖變形以長期流變變形為主，動壓影響期間巷道變形速度較大，無回采擾動影響時，圍巖變形速度較小。巷道變形速率特征表明，巖石處于強度極限鄰域內(nèi)。

所謂巖石強度極限鄰域，是對巖石應(yīng)力狀態(tài)而言的，在簡單的壓(拉、剪)應(yīng)力狀態(tài)下，巖石具有一個強度極限值σ0，依據(jù)一定條件給定一個Δσ，如果巖石的應(yīng)力σ滿足于：

|σ0-σ|≤Δσ

則稱巖石處于強度極限鄰域內(nèi)，Δσ稱之應(yīng)力強度極限鄰域的寬度，簡稱為鄰域?qū)挾?，Δσ代表了巖石強度極限鄰域的范圍。

使圍巖脫離強度極限鄰域的方法是增強圍巖強度極限值，增大圍巖強度和巖石應(yīng)力的差值，支護體的支護力對巷道圍巖產(chǎn)生徑向約束，在徑向約束狀態(tài)下，提高了處于三軸應(yīng)力狀態(tài)下圍巖的σ3，提高巖體的長期強度σS和巖石極限強度σ1。支護力越大，對巖體的長期強度和極限強度提高就越大。當支護強度提高到一定值以后，圍巖便能夠脫離強度極限鄰域，巷道流變便得到了控制。

提高圍巖強度的主要技術(shù)方法：根據(jù)實驗室測試結(jié)果可知，相同斷面的?194mm×8mm(支架主體線密度36kg/m)鋼管混凝土支架承載力是36U型鋼支架承載力的2.65倍[16]。因此，采用鋼管混凝土支架支護可有效提高大變形巷道支護體支護強度。建議采用基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護進行巷道返修。

4 巷道支護設(shè)計與支護效果分析

由于西翼三條大巷需要刷擴返修的巷道總長度約為3000m，巷道返修人力物力投入大，南關(guān)煤業(yè)急需尋求一種能夠維持西翼三條大巷巷道動壓影響區(qū)域圍巖穩(wěn)定的支護形式。

為驗證各種支護對策支護效果，選取3209工作面附近的西翼回風巷為試驗段。選取該段作為試驗段的原因如下：①3209工作面于2019年9月17日進行回采，預(yù)計2020年6月末結(jié)束，可在動壓影響前完成試驗段返修加固，監(jiān)測回采動壓試驗段巷道的圍巖變形情況；②該試驗段與工作面平距最近，受動壓影響最大，若能夠保持該段巷道圍巖在回采動壓期間的圍巖穩(wěn)定，則可判定這種支護形式滿足使用要求，可推廣至三條大巷返修支護中；③該段巷道足夠長，礦方?jīng)Q定分別采用3種巷道返修加固方式(基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護段；全斷面錨索支護段；全斷面錨索+注漿加固支護段)，進行現(xiàn)場對比實驗。試驗段位置如圖3所示。

圖2 巷道位置

4.1 鋼管混凝土支架支護段支護設(shè)計

西翼回風巷鋼管混凝土支架支護段支護參數(shù)如下：①錨桿選取型號為?20mm×2400mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm；②錨索選用規(guī)格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線，頂錨索布置5根，間排距為1600mm×1600mm；③錨網(wǎng)支護后，進行全斷面初噴，初噴厚度為30～50mm，復(fù)噴70～50mm，噴漿厚度為100mm，噴射混凝土強度等級為C20；④鋼管混凝土支架主體鋼管型號為 ?194mm×8mm，支架間距0.8m。支架壁后鋪?3賓格網(wǎng)，以水泥背板接頂密實。

試驗段鋼管混凝土支架支護斷面如圖3所示。試驗段于2020年4月20日施工完畢，此時3209回采工作面距離西翼回風巷平距200m。

圖3 試驗段鋼管混凝土支架支護斷面(mm)

4.2 “全斷面錨索+圍巖注漿”加固支護設(shè)計

由于巷道圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，為提高圍巖的自穩(wěn)能力和錨索支護效果，圍巖注漿加固段擬采用圍巖注漿加固和錨網(wǎng)索加強護巖的手段加固該段巷道。

圍巖注漿加固段支護參數(shù)如下：①錨索選用規(guī)格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線，全斷面錨索支護，間排距為800mm×800mm；②錨索配300mm×300mm×16mm托板，沿垂直于巷道軸線的斷面方向，錨索間以W鋼帶相連，W鋼帶內(nèi)鋪賓格網(wǎng)，增強支護體的整體性。③使用注漿錨索對該段巷道進行圍巖注漿加固，采用水泥基注漿材料，水灰比為1∶2，中空注漿錨索注漿壓力不低于7MPa。

圍巖注漿加固2020年4月26日施工完畢。全斷面錨索支護試驗段相比而言只是不進行注漿加固。

4.3 變形監(jiān)測與效果分析

自2020年5月2日(回采工作面與試驗段平距150m)，對實驗段采用“十字布點法”監(jiān)測西翼回風巷試驗段巷道變形量。巷道變形監(jiān)測情況如圖4所示。

圖4 巷道寬度方向收斂量曲線

圖5 巷道高度方向收斂量曲線

其他情況說明：3209工作面5月15日(回采工作面與試驗段平距103m)工作面終采，6月1日復(fù)采開始工作面末采，6月20日末采完畢。

支護效果分析：①總體而言，鋼管混凝土支架支護段巷道收斂量<注漿加固巷道收斂量<未注漿加固段巷道收斂量；②截止工作面末采完成20d后，鋼管混凝土支架支護段巷道最大收斂量在100mm以內(nèi)，且巷道圍巖變形已趨于穩(wěn)定；③沒有進行鋼管混凝土支架支護段巷道，巷道最大收斂量大于460mm，且巷道流變變形還在持續(xù)。

綜上所述，所設(shè)計的鋼管混凝土支架支護能夠維持動壓影響下的南關(guān)煤業(yè)西翼回風巷長期穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1)為解決南關(guān)煤業(yè)西翼三條大巷的支護問題，分析了巷道圍巖條件、原巖應(yīng)力條件和原有支護變形特征。

2)提出了基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護方案，并在現(xiàn)場實驗中與其他返修加固形式相對比。

3)根據(jù)“十字布點”監(jiān)測法監(jiān)測試驗段巷道變形，工作面末采完成20d后，鋼管混凝土支架支護段巷道最大收斂量在100mm以內(nèi)，巷道圍巖變形已趨于穩(wěn)定。這種支護形式適用于南關(guān)煤業(yè)西翼三條動壓大巷支護。