深井煤礦巷道支護(hù)中耦合支護(hù)技術(shù)運用分析

趙輝強(qiáng)

（華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 平?jīng)?744100）

0 引言

單一的支護(hù)形式無法滿足支護(hù)強(qiáng)度的要求，而傳統(tǒng)聯(lián)合支護(hù)難以應(yīng)用的原因在于深井煤礦巷道圍巖力學(xué)特性與支護(hù)體難以耦合，支護(hù)體與圍巖無法形成良好的耦合作用，而本文闡述的耦合支護(hù)技術(shù)能夠有效在深井煤礦巷道中進(jìn)行支護(hù)，確保深井巷道的安全，在實際支護(hù)運用上還有諸多注意事項需要探究。

1 深井煤礦巷道支護(hù)面臨的問題

1.1 深井巷道環(huán)境復(fù)雜

深井煤礦巷道位于地下800 m，深井開采具有地壓大的特點，此深度原巖應(yīng)力大、巖體塑性大、礦山壓力顯現(xiàn)劇烈。而且深礦井開采中地溫一般比地面高，而地溫決定著井下開采工作面的溫度，除了影響施工人員身體健康外，也可能會加快支護(hù)部件的老化速度。在此深度內(nèi)的地應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致具有二類變形特征的巖石會發(fā)生頻繁的巖爆，并伴隨著大規(guī)模、大量級的動力失穩(wěn)問題，很多巷道已經(jīng)進(jìn)入臨界的深度，沉井巷道面臨的整體地應(yīng)力非常大。

1.2 深井巷道圍巖特殊

深井巷道在高應(yīng)力環(huán)境下，周圍的圍巖的變形破壞特征出現(xiàn)了較大變化，原本在淺井巷道中表現(xiàn)為堅硬特征的巖石，在深井下表現(xiàn)出軟巖特征，也就是工程軟巖，軟巖地質(zhì)比堅硬圍巖更容易變形，并且具有蠕動性，會為巷道支護(hù)帶來更大的難度。并且從過往深井巷道支護(hù)實踐經(jīng)驗中得出，分區(qū)破裂也是深井巷道圍巖的變化特征之一，就是指深井巷道圍巖出現(xiàn)破裂相互交替發(fā)生的特點。比如在深井巷道0～1 m區(qū)域為破壞區(qū)域，1～2 m為塑性區(qū)域，2～4 m為穩(wěn)定區(qū)域，4～5 m又成為破壞區(qū)域，在這種多變的破裂分區(qū)中實施支護(hù)的難度可想而知。在巷道開挖后，圍巖從三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，圍巖保持穩(wěn)定的時間相當(dāng)短，需要在短時間內(nèi)對圍巖采取支護(hù)措施，否則待到圍巖穩(wěn)定性變?nèi)酰冃畏容^大時支護(hù)的難度將成倍增長。

2 深井煤礦巷道支護(hù)中耦合支護(hù)機(jī)制

2.1 耦合支護(hù)技術(shù)原理

聯(lián)合支護(hù)與復(fù)合支護(hù)都不考慮圍巖應(yīng)力的作用及釋放，只有在圍巖應(yīng)力較弱的淺井中才能發(fā)揮效果，而深井巷道圍巖應(yīng)力很大，必須充分釋放圍巖應(yīng)力，并有足夠的剛度限制圍巖不良變形。耦合支護(hù)技術(shù)原理就是在強(qiáng)度、剛度與結(jié)構(gòu)上全面實現(xiàn)支護(hù)體耦合作用，如表1所示，就是耦合支護(hù)的基本原理。

表1 耦合支護(hù)技術(shù)基本原理

在剛度上的耦合支護(hù)，要充分考慮圍巖與支護(hù)體之間的剛度，如果支護(hù)體剛度比圍巖剛度小很多，在圍巖變形發(fā)展時就無法形成約束，支護(hù)效果自然就不理想。而支護(hù)體剛度遠(yuǎn)大于圍巖剛度，則難以釋放圍巖內(nèi)部的變形能；在結(jié)構(gòu)上的耦合支護(hù)，需要清楚巷道斷面不同位置上對支護(hù)體的作用力存在差異，采用等強(qiáng)支護(hù)體作用會造成圍巖應(yīng)力分布不均的問題，最終可能導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。

2.2 圍巖力學(xué)性質(zhì)測定

現(xiàn)場采樣后，于實驗室內(nèi)進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測試，煤礦圍巖的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)包括真密度、泊松比、凝聚力、彈性模量、內(nèi)摩擦角、堅固性系數(shù)h和單軸抗壓強(qiáng)度這七項指標(biāo)。還需測定巷道圍巖松動區(qū)域，在開挖后巷道圍巖的應(yīng)力從三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚴芰?，?yīng)力變化區(qū)域也隨之產(chǎn)生，主要包括巷道、松動區(qū)、塑性變形區(qū)、彈性變形區(qū)。通過超聲波圍巖裂隙探測儀測定各區(qū)域范圍，例如，松動圈在0～40 cm之間就是穩(wěn)定圍巖，可采取不支護(hù)。而超過150 cm就進(jìn)入軟巖類別，剛性支護(hù)效果大幅下降，必須采用其他支護(hù)方法。

2.3 巷道變形破壞因素

開挖之后，巷道圍巖的應(yīng)力將會迅速變化，重新分布并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力大量集中便會造成圍巖變形破壞。而且深井巷道圍巖具有的蠕動性特點，使得圍巖變形在開挖后的一段時間內(nèi)劇烈變形，之后逐漸變緩，最后形成穩(wěn)定變形。在巷道開挖后，及時采取有效的支護(hù)技術(shù)，可以將圍巖變形量控制在30 cm以下。在有效支護(hù)狀態(tài)下造成巷道變形的因素包括圍巖性質(zhì)與結(jié)構(gòu)，這也是決定巷道變形破壞的主要因素，像是巖體中膨脹性或黏土性成分較高，巖體就會呈現(xiàn)軟巖特性；圍巖狀態(tài)主要是地應(yīng)力轉(zhuǎn)移的方向，這需要結(jié)合煤礦巷道實際情況進(jìn)行確定；還有水理作用，巖石遇水后會發(fā)生軟化現(xiàn)象，使其強(qiáng)度降低，并且浸水時間越長，強(qiáng)度降低越大。以深井馬頭門為例，作為礦井的咽喉部位，其重要性不言而喻，我國也曾發(fā)生過多次馬頭門破裂情況，比如豐城曲江煤礦-920m，曾出現(xiàn)過馬頭門上下15m范圍內(nèi)井筒變形破壞，井壁結(jié)構(gòu)多處開裂，罐道無法正常使用的嚴(yán)重問題。研究表明，是由于含水量對沉積巖強(qiáng)度和變形特定影響十分顯著的原因，在單軸抗壓強(qiáng)度試驗測試下，泥巖和石英砂巖在飽和狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度會有將近50%的損失，部分深井巷道滲透壓高達(dá)7MPa，在高滲透壓的作用下，巖石的抗壓強(qiáng)度大幅降低。

3 深井煤礦巷道支護(hù)中耦合支護(hù)技術(shù)運用

3.1 巷道支護(hù)原則

在運用耦合支護(hù)技術(shù)時，應(yīng)當(dāng)充分考慮到這一要素，將圍巖作為平衡應(yīng)力的承載體，通過耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)來提高圍巖強(qiáng)度和巷道強(qiáng)度。基于此，在深井煤礦巷道開展耦合支護(hù)應(yīng)當(dāng)遵守三項基本原則。

第一項是提高并維護(hù)圍巖的殘余強(qiáng)度，在開挖后必須要阻止巷道圍巖持續(xù)變形，圍巖受應(yīng)力影響較大，深井巷道地質(zhì)條件比較復(fù)雜，只有有效發(fā)揮圍巖的殘余強(qiáng)度才能提高支護(hù)效果。

第二項是盡快穩(wěn)定圍巖強(qiáng)度，可通過提高支護(hù)阻力、用錨桿支護(hù)加固圍巖或是注漿加固的方式本質(zhì)上是在巷道開挖后迅速彌補(bǔ)圍巖三向應(yīng)力狀態(tài)中缺失的一向應(yīng)力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)來保持圍巖的穩(wěn)定。

第三項是充分發(fā)揮圍巖的承載能力，根據(jù)深井巷道的具體情況，可采用全斷面支護(hù)、可縮性支護(hù)、二次支護(hù)等多種支護(hù)方式，來保持巷道長時間的穩(wěn)定狀態(tài)。比如在巷道頂板易產(chǎn)生撓曲變形破壞的狀況下，就可以采用全斷面支護(hù)的形式。

3.2 支護(hù)方案設(shè)計

深井巷道耦合支護(hù)方案需要考慮強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)三方面的設(shè)計優(yōu)化。由于普遍采用錨桿支護(hù)的方式應(yīng)對圍巖變形較為困難。因此，采用錨網(wǎng)索的支護(hù)形式，減少錨桿自身在支護(hù)中的作用效果，增強(qiáng)錨桿群成拱的支護(hù)作用，并通過拱狀索網(wǎng)控制圍巖變形，發(fā)揮錨固范圍內(nèi)的圍巖承載強(qiáng)度。另外，錨網(wǎng)索本身可以防止錨固范圍內(nèi)巖石的變形問題，能夠為巷道表面提供控制作用。

剛度耦合可采用O型棚，特別是在巷道圍巖已經(jīng)出現(xiàn)變形破碎的狀態(tài)時，錨網(wǎng)索的支護(hù)作用只能減緩圍巖變形的速率，不能從根本上控制圍巖變形問題，而且巷道開挖初期處在圍巖劇烈變形階段，很容易發(fā)生較大的變形問題，這將使支護(hù)變得更加困難。因此，在錨網(wǎng)索的基礎(chǔ)上采用O型棚，通過封閉式金屬支架來控制巷道變形問題，O型棚支架結(jié)構(gòu)承載著圍巖單向應(yīng)力，并將此應(yīng)力狀態(tài)反饋給其他二向圍巖，施加的反作用力可以有效控制圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，防止圍巖向巷道內(nèi)變形。

結(jié)構(gòu)耦合可使用噴射混凝土方法，此方法就是將混凝土噴射進(jìn)圍巖裂縫之中，通過混凝土的黏結(jié)力緊密黏合圍巖，不僅能夠避免水理或風(fēng)化作用對圍巖的進(jìn)一步侵蝕，而且混凝土本身具有柔性效果，當(dāng)圍巖受到應(yīng)力作用時，可以幫助圍巖釋放應(yīng)力，防止圍巖應(yīng)力分布過度集中，通過產(chǎn)生較大的支護(hù)反力，使圍巖整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

3.3 承載能力核算

根據(jù)耦合支護(hù)設(shè)計方案的選擇需要依據(jù)支護(hù)與圍巖耦合拱承載能力與錨桿耦合支護(hù)進(jìn)行計算，確定相關(guān)支護(hù)構(gòu)件參數(shù)。支護(hù)參數(shù)和圍巖力學(xué)測試應(yīng)當(dāng)在實驗室計算完畢，其中包括錨桿支護(hù)參數(shù)、錨索支護(hù)參數(shù)、O型棚支護(hù)參數(shù)、金屬網(wǎng)規(guī)格、噴漿強(qiáng)度等。根據(jù)耦合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用原理，多種支護(hù)組合方式的復(fù)合圍巖支護(hù)力學(xué)計算進(jìn)行承載能力核算，最終確定支護(hù)設(shè)計方案中錨桿、錨索、型鋼等構(gòu)件的選用尺寸與強(qiáng)度，計算結(jié)果必須滿足巷道圍巖支護(hù)要求所需的承載能力，才能證明設(shè)計支護(hù)方案的合理性。

3.4 耦合支護(hù)應(yīng)用

首先要做好光面爆破，最大限度地減少對圍巖的破壞，為錨桿支護(hù)提供良好的質(zhì)量基礎(chǔ)，嚴(yán)格按照設(shè)計要求實施爆破，控制好抵抗層。

其次錨桿的選用要合理匹配，以優(yōu)質(zhì)“三徑”為核心，這也是錨桿高質(zhì)量耦合的基礎(chǔ)，在施工錨桿孔時，保證鉆桿與錨桿等長，鉆頭與鉆桿處在同一位置上，避免出現(xiàn)打孔過度、鉆桿刷孔的問題，否則會嚴(yán)重影響支護(hù)質(zhì)量。

再次就是做好耦合支護(hù)施工。根據(jù)巖石力學(xué)理論以及工程實踐經(jīng)驗，巷道形成后，圍巖變形產(chǎn)生的應(yīng)力將會快速釋放，圍巖自身也將形成一定的承載力。在無支護(hù)條件下圍巖變形速率不斷增加，而變形過程中，圍巖結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化，這將加快圍巖變形速率，并降低圍巖自身承載力。在理論上的最佳耦合支護(hù)時間是圍巖變形承載力最大的時候，但在實際施工中很難把握，為了盡可能提高巷道的穩(wěn)定性，也為了使支護(hù)具備最佳的耦合效果，必須找出最佳支護(hù)時間點。如圖1所示，在實際施工過程中很難把握最佳時間點，就提出了最佳時間段，也就是圖中的TS1至TS2時間段，也就相當(dāng)于圍巖變形轉(zhuǎn)化工程力與圍巖自承力能夠達(dá)到最大。

圖1 最佳支護(hù)時段

最后則是確定耦合支護(hù)的關(guān)鍵位置，巖體力學(xué)理論指出圍巖應(yīng)力分布中應(yīng)力最為集中的位置就應(yīng)當(dāng)是支護(hù)的關(guān)鍵位置。在實際工程中一般表現(xiàn)為巷道圍巖受高應(yīng)力剝落腐蝕最為明顯的位置，在此位置安設(shè)錨網(wǎng)索與O型棚支架，可以達(dá)到最好的耦合支護(hù)效果。

4 結(jié)語

在深井煤礦巷道支護(hù)中，由于深井巷道地質(zhì)條件的復(fù)雜原因?qū)е缕胀ㄖёo(hù)方式難以實施。通過分析耦合支護(hù)機(jī)制以及影響圍巖變形破壞的因素，得出耦合支護(hù)技術(shù)在深井煤礦巷道支護(hù)中能夠有效運用，并基于深井煤礦巷道圍巖環(huán)境設(shè)計耦合支護(hù)方案，證明耦合支護(hù)技術(shù)在深井煤礦巷道支護(hù)中有良好的支護(hù)效果。