深部巖巷錨噴支護技術(shù)參數(shù)確定與試驗研究

鄭冬杰，孫慶潤

（1.中赟國際工程有限公司，河南鄭州 450007；2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南鄭州 450001）

長期以來，煤炭一直作為我國的主要消費能源之一，在能源生產(chǎn)、消費結(jié)構(gòu)中所占比例在60%左右[1-2]。目前，我國中東部礦區(qū)已進入深部開采階段，據(jù)不完全統(tǒng)計，中東部礦區(qū)開采深度超過800 m 的煤礦有100 余個[3-4]，開采深度以每年10～25 m 速度增加[5-6]。由于煤礦開采深度的增加，煤巖體在高地應(yīng)力、高地溫以及高滲透壓的長時間作用下，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、響應(yīng)行為特征均發(fā)生了根本性變化，導(dǎo)致巷道出現(xiàn)了不同程度的非線性大變形[7-13]。自新奧法提出“充分發(fā)揮圍巖自身強度、促使圍巖與支護結(jié)構(gòu)形成共同承載圈”的核心理念后，錨桿和噴射混凝土支護技術(shù)得到快速發(fā)展[14-20]，相關(guān)專家學(xué)者進行了大量研究，比如蘇永華等[17-18]研究了錨噴襯砌穩(wěn)定可靠度對隧道圍巖穩(wěn)定的影響；劉泉聲等[19]利用FDEM 軟件模擬了“錨噴+注漿”條件下巷道圍巖變形破壞特征，指出圍巖破裂、碎脹是巷道大變形的主要原因；文競舟等[20]提出了內(nèi)、外復(fù)合拱理論，其中錨桿作為支護外拱，噴層與鋼架作為支護內(nèi)拱，研究表明在軟弱破碎圍巖中支護內(nèi)拱起主要承載作用。雖然錨噴支護理論和技術(shù)得到了快速發(fā)展，但目前仍缺乏錨噴支護參數(shù)對深部巷道變形控制的系統(tǒng)性分析，為此，以三河尖煤礦吳莊區(qū)運輸大巷為試驗巷道開展錨噴支護參數(shù)對深部巖巷圍巖變形控制作用的數(shù)值模擬研究，量化分析錨桿預(yù)緊力、密度、長度、錨固長度以及噴層厚度和強度對巷道變形的控制作用，提出1 種深部巖巷錨噴支護技術(shù)參數(shù)的確定思路和方法。

1 工程概況

試驗巷道位于三河尖煤礦吳莊區(qū)，巷道開掘并與-700 m 西大巷相連，巷道總長度為1 442.8 m，施工過程中穿過斷層H=100 m∠75°～80°、張莊斷層H＝20～140 m∠70°后，進入7#煤底板、9#煤頂板巖層進行施工，巷道主要揭露巖性為中-細(xì)粒砂巖，巷道揭露巖層上方為15.15 m 厚的粉-細(xì)粒砂巖，下方為1.77 m 厚的粉砂巖和3.35 m 厚的9#煤層。試驗巷道掘進斷面為半圓拱形巷道，斷面尺寸（寬×高）為5.0 m×4.0 m，巷道平均埋深約800 m，巖層綜合柱狀圖如圖1，各巖層基本力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of rock strata

圖1 巖層綜合柱狀圖Fig.1 Strata comprehensive column diagram

2 錨噴支護參數(shù)對深部巖巷變形的控制作用

為研究錨噴支護參數(shù)改變對深部巖巷變形的控制作用，根據(jù)試驗巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件和支護參數(shù)，建立大尺寸“錨桿支護+混凝土噴層”三維數(shù)值計算模型，同時，采用鄰近巷道現(xiàn)場實測獲得的圍巖變形作為已知特征值，校驗?zāi)Ｐ蛥?shù)。

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)試驗巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立尺寸（長×寬×高）為60 m×30 m×60 m 的三維數(shù)值計算模型，已知巷道斷面尺寸（寬×高）為5.0 m×4.0 m，模型四周及底部固定位移，上部施加19.25 MPa 均布載荷等價于上覆巖層重力，數(shù)值計算模型如圖2。巷道開挖后施加錨桿支護，采用控制變量法計算分析錨桿參數(shù)和混凝土噴層參數(shù)對巷道變形的影響，具體計算路徑：模型初始應(yīng)力平衡開挖巷道添加錨桿支護添加混凝土噴層力學(xué)平衡。

圖2 數(shù)值計算模型Fig.2 Numerical calculation model

2.2 錨桿參數(shù)對巷道變形的控制作用

1）錨桿預(yù)緊力對巷道變形的控制作用。不同錨桿預(yù)緊力下巷道圍巖變形情況如圖3。從圖3 中可以看出，預(yù)緊力為40 kN 時，巷道頂、底板及幫部最大變形量分別為118、427、213 mm，隨著預(yù)緊力的增加，巷道變形量持續(xù)減小，當(dāng)預(yù)緊力為120 kN 時，巷道頂、底板及幫部最大變形量分別為69、217、88 mm，頂、底板及幫部最大變形量分別減小了41.5%、49.2%、58.7%，此時巷道變形得到有效控制，因此，在錨桿支護設(shè)計時，應(yīng)盡量設(shè)計高預(yù)緊力錨桿支護，促使錨桿支護形成有效的主動承載結(jié)構(gòu)。

圖3 錨桿預(yù)緊力與巷道圍巖變形關(guān)系圖Fig. 3 Relation between bolt preload and roadway surrounding rock deformation

2）錨桿間距對巷道變形的控制作用。不同錨桿間距下巷道圍巖變形情況如圖4。從圖4 中可以看出，錨桿間距為600～800 mm 時，圍巖變形量相對較小，當(dāng)錨桿間距增加至900 mm 時，巷道整體變形量出現(xiàn)明顯增加，頂、底板及幫部最大變形量分別為72、224、108 mm，錨桿間距繼續(xù)減小至1 000 mm后，巷道變形出現(xiàn)大幅度增加。綜上表明，該地質(zhì)條件下錨桿間距應(yīng)確定在在600～800 mm 范圍內(nèi)。

圖4 錨桿間距與巷道圍巖變形關(guān)系圖Fig.4 Relation between bolt spacing and roadway surrounding rock deformation

3）錨桿長度對巷道變形的控制作用。不同錨桿長度下巷道圍巖變形情況如圖5。從圖5 中可以看出，錨桿長度為1.6 m 時，頂、底板及幫部變形量分別為95、344、161 mm，圍巖變形量最大，錨桿長度增加至1.8 m 時，圍巖變形量明顯減小，此時頂、底板及幫部變形量分別為82、300、128 mm，錨桿長度繼續(xù)增加至2.0 m 時，圍巖變形量繼續(xù)減小，頂、底板及幫部變形量分別為69、217、88 mm，之后錨桿長度的繼續(xù)增加并不會減小圍巖的變形，錨桿長度為2.2 和2.4 m 時，巷道圍巖變形出現(xiàn)了小幅度的增加。綜上表明，該地質(zhì)條件下錨桿長度應(yīng)確定為2.0或2.2 mm 范圍內(nèi)。

圖5 錨桿長度與巷道圍巖變形關(guān)系圖Fig.5 Relation between bolt length and roadway surrounding rock deformation

4）錨固長度對巷道變形的控制作用。不同錨固長度下巷道圍巖變形情況如圖6。從圖6 中可以看出，錨固長度400 mm 時，巷道圍巖變形的控制效果最差，頂、底板及幫部變形量分別為115、383、206 mm，錨固長度增加，圍巖的控制效果逐漸改善，錨固長度增加至800 mm 時，頂、底板及幫部變形量分別為84、248、136 mm，之后錨固長度繼續(xù)增加，巷道圍巖變形繼續(xù)減小，錨固長度繼續(xù)增加至1 200 mm時，頂、底板及幫部變形量分別為63、187、81 mm，錨固長度由400 mm 增加至1 200 mm，頂、底板以及幫部圍巖變形量分別減小了59.8%、51.2%、60.7%。綜上表明，該地質(zhì)條件下錨固長度應(yīng)不低于800 mm。

圖6 錨固長度與巷道圍巖變形關(guān)系圖Fig.6 Relation between anchorage length and roadway surrounding rock deformation

2.3 噴層參數(shù)對巷道變形的控制作用

1）噴層厚度對巷道變形的控制作用。不同混凝土噴層厚度下巷道圍巖變形情況如圖7。從圖7 中可以看出，僅采用錨桿支護時，巷道頂、底板及幫部變形量分別為69、217、88 mm，而采用錨噴支護時，當(dāng)噴層厚度為60 mm 時，巷道頂、底板及幫部變形量分別為66、171、121 mm，巷道底板變形量顯著減小，而幫部變形量卻有所增加，當(dāng)噴層厚度增加至80 mm 時，底板變形量繼續(xù)減小，幫部變形量也相對減小，當(dāng)噴層厚度大于100 mm 時，圍巖變形量均小于錨桿支護時的變形量，當(dāng)噴層厚度為120 mm時，巷道頂、底板及幫部變形量分別為62、155、80 mm，同比僅采用錨桿支護的頂、底板以及幫部圍巖變形量分別減小了10.1%、28.6%、9.1%。綜上表明，該地質(zhì)條件下噴層厚度應(yīng)不低于100 mm。

圖7 噴層厚度與巷道圍巖變形關(guān)系圖Fig.7 Relation between the thickness of shotcrete layer and surrounding rock deformation of roadway

2）噴層強度對巷道變形的控制作用。不同噴層強度下巷道圍巖變形情況如圖8。從圖8 中可以看出，噴層強度的增加可改善巷道變形的控制效果，當(dāng)噴層強度為10 MPa 時，巷道頂、底板及幫部變形量分別為68、180、104 mm，巷道底板變形量顯著減小，而幫部變形量卻有所增加，當(dāng)噴層強度增加至20 MPa 時，巷道底板變形量繼續(xù)減小，幫部變形量也開始減小，之后，隨著噴層強度的增加，巷道底板變形量持續(xù)減小，頂板和幫部變形量緩慢減小，當(dāng)噴層強度為40 MPa 時，巷道頂、底板及幫部最大變形量分別為63、156、84 mm，同比僅采用錨桿支護的頂、底板以及幫部圍巖最大變形量分別減小了8.7%、28.1%、4.5%。綜上表明，該地質(zhì)條件下噴層強度應(yīng)不低于30 MPa。

圖8 噴層強度與巷道圍巖變形關(guān)系圖Fig.8 Relation between shotcrete layer strength and surrounding rock deformation of roadway

3 錨網(wǎng)噴支護技術(shù)與現(xiàn)場試驗

3.1 錨網(wǎng)噴支護技術(shù)與參數(shù)

基于錨噴支護參數(shù)對巷道變形的控制作用分析，可以確定巷道圍巖采用的錨網(wǎng)噴支護技術(shù)參數(shù)。

1）第1 次噴漿作業(yè)。在巷道初掘時期，初噴厚度為50 mm，初期可提供一定的臨時支護作用，混凝土材料選取C30 等級混凝土，具體參數(shù)如下：水泥∶黃砂∶石子比（材料配比）為1∶2∶2，水灰比為0.45，最大粒徑應(yīng)小于20 mm，必要時可添加速凝劑和減水劑改善噴漿質(zhì)量；噴漿作業(yè)時，工作風(fēng)壓保持在0.4 MPa 以上，噴頭距受噴面距離在0.8～1.5 m 范圍內(nèi)，噴射角度在80°～110°范圍內(nèi)。

2）錨桿和金屬網(wǎng)支護。待噴層凝固后進行錨桿和金屬網(wǎng)支護，其中，錨桿型號BHRB500，規(guī)格φ20 mm×L2.0 m，間排距800 mm×800 mm，配套使用規(guī)格為140 mm×140 mm×10 mm 的碟形托盤，每根錨桿采用1 支CK-Z2370 樹脂藥卷錨固，預(yù)緊扭矩約300 N·m；錨桿采用φ14 mm 圓鋼焊接而成的鋼筋梯子梁連接；金屬網(wǎng)采用8#鐵絲編制而成，網(wǎng)口規(guī)格50 mm×50 mm，規(guī)格3 800 mm×1 100 mm。

3）第2 次噴漿作業(yè)。在掘進巷道穩(wěn)定時期，巷道變形量區(qū)域穩(wěn)定后，進行復(fù)噴，復(fù)噴厚度為50 mm，材料選用C30 等級混凝土，復(fù)噴時，噴層覆蓋網(wǎng)、鋼帶、錨桿托板等，具體噴漿參數(shù)參照第1 次噴漿作業(yè)，噴層總厚度約100 mm，復(fù)噴可及時封閉圍巖。巷道支護斷面如圖9。

圖9 巷道支護斷面Fig.9 Supporting section of roadway

3.2 現(xiàn)場試驗效果

采用確定的錨網(wǎng)噴支護技術(shù)與參數(shù)進行了工業(yè)性試驗，并進行了現(xiàn)場礦壓監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示巷道服務(wù)期間，頂?shù)装逡平考s在276～333 mm 范圍內(nèi)，兩幫變形量約在247～270 mm 范圍內(nèi)，其中主要變形發(fā)生在巷道底板，同時，現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，試驗巷道噴層表面并未出現(xiàn)大范圍開裂現(xiàn)象，其巷道表面噴層光潔度和密實度較好，驗證了錨網(wǎng)噴支護技術(shù)與參數(shù)的合理性和可靠性。

4 結(jié) 語

1）系統(tǒng)研究了錨桿預(yù)緊力、間距、長度、錨固長度以及噴層厚度和強度對深部巷道變形的控制作用。研究表明：隨錨桿預(yù)緊力、間距、錨固長度的增加，巷道圍巖變形量得到有效控制，且受預(yù)緊力和錨固長度的控制更為顯著，而適宜的錨桿長度可以有效控制巷道變形，噴層強度和厚度較小時，噴層結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致巷道頂?shù)装遄冃蜗騼蓭娃D(zhuǎn)移，當(dāng)噴層強度和厚度達到一定時，噴層結(jié)構(gòu)可改善巷道圍巖的控制效果。

2）基于錨噴支護參數(shù)對巷道變形的控制作用分析，確定了試驗巷道錨網(wǎng)噴支護技術(shù)和參數(shù)：錨桿型號BHRB500，規(guī)格φ20 mm×L2.0 m，間排距800 mm×800 mm，預(yù)緊扭矩300 N·m，1 支CK-Z2370 樹脂藥卷，混凝土噴層厚度和強度分別為100 mm、30 MPa，現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果驗證了試驗巷道錨網(wǎng)噴支護技術(shù)和參數(shù)其合理性。