深部高應(yīng)力巷道耦合支護(hù)應(yīng)用研究

靳文飛

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

在對深部煤層開采過程中，采掘巷道所處位置上覆巖層水土壓力逐漸增大，巷道掘進(jìn)后破壞失穩(wěn)的可能性增大，巷道圍巖趨向于破壞失穩(wěn)，嚴(yán)重影響煤層的安全開采作業(yè)。隨著巷道埋深的增大，單一的利用錨桿改善巷道圍巖的應(yīng)力條件或者利用雙層鋼筋混凝土進(jìn)行讓壓支護(hù)的方法已經(jīng)難以滿足深部巷道的支護(hù)要求。利用錨桿、錨索和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耦合對深部巷道圍巖進(jìn)行加固，根據(jù)深部巷道圍巖強(qiáng)度、埋深、支護(hù)阻力等特征設(shè)計耦合支護(hù)參數(shù)，增強(qiáng)巷道圍巖強(qiáng)度，防止巷道失穩(wěn)變形，提高巷道安全性。經(jīng)實(shí)踐表明，耦合支護(hù)措施對巷道安全掘進(jìn)具有一定實(shí)用意義。

1 巷道破壞機(jī)理（塑性區(qū)）

巷道變形失穩(wěn)的主要原因是巷道圍巖內(nèi)塑性區(qū)的破壞變形，在上覆巖層水土壓力作用下，塑性區(qū)內(nèi)巖體破碎成巖塊，膨脹的巖塊作用在巷道圍巖上，導(dǎo)致巷道截面收縮變形，降低了巷道安全性。塑性區(qū)半徑越大，巷道失穩(wěn)變形的可能性越大，巷道失穩(wěn)變形時的頂?shù)装逦灰屏砍跏贾岛徒K值較大，在某礦+1 200 m 掘進(jìn)巷道掘進(jìn)過程中，頂板位移量峰值達(dá)到1 067 mm，嚴(yán)重影響井下煤炭資源的正常開采。塑性區(qū)半徑大小與巷道圍巖性質(zhì)、巷道截面半徑、巷道內(nèi)支護(hù)阻力和巷道所處位置水土壓力有關(guān)，不考慮巷道圍巖性質(zhì)、巷道截面半徑、巷道內(nèi)支護(hù)阻力的影響，塑性區(qū)半徑大小與巷道所處位置的水土壓力成正比。巷道在均質(zhì)巖層中掘進(jìn)時塑性區(qū)受力簡圖。如圖1 所示，在近似相等的圍巖應(yīng)力P1和P2作用下，巷道圍巖中的塑性區(qū)為圓形或橢圓形。圖1 中P0為巷道內(nèi)的支護(hù)阻力，當(dāng)支護(hù)阻力P0與水平圍巖應(yīng)力P1或垂直圍巖應(yīng)力P2的差值超過塑性區(qū)內(nèi)圍巖的承載能力時，塑性區(qū)內(nèi)圍巖破碎膨脹，產(chǎn)生應(yīng)力作用在巷道圍巖上，巷道變形失穩(wěn)，引起頂板冒落、片幫、地板隆起現(xiàn)象。

圖1 塑性區(qū)受力簡圖

2 深部巷道變形過程

巷道煤巖體是一種脆性結(jié)構(gòu)，巖層的抗壓強(qiáng)度大于巖層的抗剪強(qiáng)度，巷道頂板上覆巖層在頂板內(nèi)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，在幫部和底板內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，由于巖層的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗剪強(qiáng)度，巷道頂板圍巖更容易在上覆巖層水土壓力或采動壓力下破壞變形。在+1 200 m 掘進(jìn)巷道的現(xiàn)場監(jiān)測中，頂板變形量峰值在700～1 100 mm 之間；幫部在上覆巖層水土壓力作用下產(chǎn)生壓裂破壞，幫部變形過程中主要受到壓應(yīng)力的作用，在+1 200 m 掘進(jìn)巷道的現(xiàn)場監(jiān)測中，幫部變形量峰值在500～1 000 mm 之間；受到礦井生產(chǎn)的影響，巷道掘進(jìn)后及時鋪設(shè)軌道、支柱、混凝土等結(jié)構(gòu)，在較大程度上抑止了底板變形，底板位移量的監(jiān)測數(shù)值較小。

深部巷道掘進(jìn)后的初始變形值和最終變形值較大，決定了傳統(tǒng)的雙網(wǎng)支護(hù)方式難以發(fā)揮支護(hù)作用。傳統(tǒng)的雙網(wǎng)支護(hù)方式利用兩層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對巷道進(jìn)行支護(hù)。第一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚度較小，在支護(hù)巷道圍巖的同時，利用自身的塑性變形吸收一部分巷道圍巖的變形；第二層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚度較大，與第一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有更大的剛度和強(qiáng)度，直接作用在第一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，約束巷道圍巖的變形。隨著巷道埋深的增大，巷道所處位置的水土壓力增大，巷道掘進(jìn)后的初始變形值和最終變形值較大，傳統(tǒng)的讓壓支護(hù)方式在深部巷道中不再適用，傳統(tǒng)的雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)難以抵抗較大的圍巖應(yīng)力和較大圍巖變形量，難以發(fā)揮支護(hù)作用，容易在水土壓力或采動壓力作用下產(chǎn)生變形破壞，降低煤礦開采的安全性。耦合支護(hù)措施則可以很好地避免這一問題。耦合支護(hù)技術(shù)利用錨桿錨索對巷道圍巖進(jìn)行加固，提高巷道圍巖的承載能力，減少巷道圍巖的變形值，同時在巷道內(nèi)側(cè)噴射一層鋼筋混凝土，確保巷道圍巖的整體性，與傳統(tǒng)的雙網(wǎng)支護(hù)技術(shù)相比，耦合支護(hù)只采用一層鋼筋混凝土作為錨桿錨索支護(hù)的輔助措施，主要用以維持巷道圍巖的整體性，防止局部掉塊造成的應(yīng)力薄弱環(huán)節(jié)[1-3]。

3 耦合支護(hù)技術(shù)機(jī)理

耦合支護(hù)技術(shù)通過在巷道圍巖中植入錨桿，在錨桿的周圍形成以錨桿為對角線的近似菱形加固區(qū)，通過選擇合理的錨桿間距，使菱形加固區(qū)部分重疊形成完整的加固帶，提高巷道圍巖的強(qiáng)度；通過沿巷道截面施作一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，提高巷道圍巖的整體性，防止因掉塊形成應(yīng)力集中，降低巷道圍巖的承載能力。錨桿菱形加固區(qū)對巷道圍巖的加固作用在遠(yuǎn)離錨桿軸線的方向上逐漸減小，在錨桿的菱形加固區(qū)邊緣植入錨索，在空間上錨索的植入點(diǎn)為相鄰四根錨桿形成的四邊形的中間位置，在充分提高錨桿加固效果的同時，避免了材料的浪費(fèi)。耦合支護(hù)技術(shù)簡圖如圖2 所示。

圖2 耦合支護(hù)圖

如圖2 所示，在巷道內(nèi)向圍巖內(nèi)植入錨桿ab后，形成以ab 為對角線的菱形加固區(qū)，相鄰的錨桿菱形加固區(qū)部分重疊，形成連續(xù)的加固帶AB。在相鄰的四根錨桿形成的四邊形的中心位置植入錨索cd，維持錨桿加固區(qū)加固強(qiáng)度的一致性。與傳統(tǒng)的雙層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)支護(hù)技術(shù)不同，在巷道臨空面施作一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)CD，作為錨桿錨索支護(hù)巷道的輔助措施，防止因掉塊形成應(yīng)力集中。

4 耦合支護(hù)設(shè)計

深部巷道掘進(jìn)過程中，在上覆巖層水土壓力和采動壓力作用下，巷道的初始變形值和最終變形值較大，應(yīng)適當(dāng)減小錨桿的間排距，增強(qiáng)錨桿加固帶的承載能力。耦合支護(hù)參數(shù)的計算公式：

式中：L 為錨桿長度，m；N 為安全系數(shù)；W 為巷道跨度，m；H 為錨索長度，m；H1、H2為穩(wěn)定、不穩(wěn)定巖層中錨索長度，m；H3為錨具厚度，m；H4為外露張拉長度。

錨桿的間排距計算公式：

式中：a 為錨桿間排距，m；G 為錨固力，kN/根；N 為安全系數(shù)；L2為頂板巖體內(nèi)破碎帶高度，m；γ 為巖體容重。

在式（3）中，N 表示安全系數(shù)，取值1.10～1.35，為了提高巷道的安全性，安全系數(shù)N 取最大值1.35。錨桿菱形加固區(qū)范圍大小與錨桿的預(yù)緊力成正比關(guān)系，隨著錨桿預(yù)緊力的增大，錨桿的菱形加固區(qū)范圍逐漸增大至趨近于加固范圍最大值。實(shí)驗表明，為了使相鄰的錨桿菱形加固區(qū)范圍重疊形成完整的加固帶，錨桿的預(yù)緊力不應(yīng)小于120 kN。

在深部巷道掘進(jìn)后，沿巷道臨空面施作一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，用以提高巷道圍巖的整體性，避免因巷道圍巖掉塊造成應(yīng)力集中。與傳統(tǒng)的雙層鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)不同，深部巷道開采過程中，巷道的初始變形值和最終變形值較大，傳統(tǒng)的讓壓支護(hù)方式支護(hù)強(qiáng)度低，難以滿足較大變形巷道的支護(hù)要求，在耦合支護(hù)技術(shù)中僅噴射一層鋼筋混凝土，作為錨桿錨索支護(hù)后的輔助措施，用以維持巷道圍巖的整體性，防止因圍巖掉塊形成應(yīng)力集中，破壞圍巖的整體性。當(dāng)巷道在軟弱易破碎的泥巖、砂巖中掘進(jìn)時，巷道掘進(jìn)過程中，及時向巷道圍巖內(nèi)注射加固漿液，提高巷道圍巖的整體性和承載能力。

5 耦合支護(hù)應(yīng)用

利用耦合支護(hù)技術(shù)對某礦下巷頂板進(jìn)行支護(hù)，該下巷頂板主要為軟弱易破碎的泥巖或砂巖（直接頂為32 m 泥巖，基本頂為砂巖，上覆礫巖），巷道尺寸6.7 m×4.5 m，根據(jù)深部復(fù)雜巷道上覆圍巖水土壓力小、圍巖軟弱易破碎的特點(diǎn)，設(shè)計錨桿選用螺紋鋼，直徑22 mm，長度2 400 mm，設(shè)計錨桿預(yù)緊力150 kN；錨索選用鋼絞線，直徑22 mm，長度6 300 mm，錨桿間排距900 mm×900 mm，錨索布置在相鄰四根錨桿組成的四邊形的中心位置，錨索間排距與錨桿間排距相同。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中：鋼筋網(wǎng)片采用Φ6.5 mm 圓鋼加工鋼筋網(wǎng)片，沿巷道掘進(jìn)方向搭接布置，搭接長度不小于100 mm，將鋼筋網(wǎng)片固定后，噴射混凝土設(shè)計厚度35 mm。在巷道中布置6 個監(jiān)測站，采集采用耦合支護(hù)技術(shù)對該下巷頂板進(jìn)行支護(hù)后對比段巷道和試驗段巷道頂板變形量數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)果如圖3 所示。圖3 中線條1 表示使用耦合支護(hù)技術(shù)前對比段巷道頂板位移量，線條2 表示試用耦合支護(hù)技術(shù)后試驗段巷道頂板位移量。在前7 d的監(jiān)測過程中，對比段巷道頂板的變形量快速增長至400 mm，7 d 后巷道頂板變形量緩慢持續(xù)增長，最終穩(wěn)定在422 mm；在前7 d 的監(jiān)測過程中，試驗段巷道頂板的變形量快速增長至200 mm，7 d 后巷道頂板變形量緩慢持續(xù)增長，最終穩(wěn)定在221 mm。經(jīng)統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，使用耦合支護(hù)技術(shù)對巷道頂板進(jìn)行支護(hù)后，巷道頂板變形量減少201 mm，減少幅度約為47.6%。

圖3 對比段和試驗段巷道頂板變形量

6 結(jié)語

實(shí)踐結(jié)果表明，耦合支護(hù)技術(shù)能明顯提高深部巷道圍巖的承載能力，增強(qiáng)巷道圍巖的整體性和穩(wěn)定性。在實(shí)用耦合支護(hù)技術(shù)對下巷頂板進(jìn)行支護(hù)后，巷道的頂板位移量明顯下降，提高了巷道的安全性，具有一定的實(shí)用價值。