霄云煤礦深部軟巖大巷支護技術研究

陳璋林 宋慶爽 王傳晨

（濟寧礦業(yè)集團有限公司霄云煤礦，山東 濟寧 272213）

1 概況

霄云煤礦西翼軌道下山聯(lián)絡巷用于滿足三采區(qū)通風、運輸和行人的需求。巷道設計標高-787.5～-788.9 m，地面標高為+37～+37.7 m，總長度為410.8 m（平距）。巷道斷面為直墻半圓拱形，荒寬5300 mm，荒高4450 mm，墻高為1800 mm，拱高為2650 mm，噴層厚度150 mm。巷道圍巖主要為細砂巖、粉砂巖，局部夾雜有泥巖和砂質(zhì)泥巖。西翼軌道下山聯(lián)絡巷原支護方案如圖1。

圖1 西翼軌道下山聯(lián)絡巷原支護方案（mm）

巷道采用錨網(wǎng)索梁+噴漿支護，全斷面支護16根規(guī)格為Ф20 mm×2400 mm 高強預應力錨桿，使用200 mm×200 mm×10 mm 鐵托盤，間排距為800 mm×1000 mm；錨桿外露長度為10～50 mm，每棵錨桿均使用2 支MSK2550 樹脂錨固劑藥卷，錨桿扭矩設計值為300 N·m，設計預緊力不小于100 kN。沿巷道掘進方向在巷道中心線及兩側各偏2000 mm 施工錨索，按照“一二一”邁步式布置，即沿掘進方向每排均為3 棵錨索，錨索施工在兩排錨桿中間。巷道進行噴漿支護，噴射混凝土強度為C20，噴體厚度為150 mm。

當圍巖為粉砂巖和泥巖時，巷道變形量較大，所采取初始支護方案不足以維持巷道穩(wěn)定。

2 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)工程地質(zhì)條件，以粉砂巖圍巖條件下巷道穩(wěn)定性為例，應用FLAC3D對巷道圍巖的穩(wěn)定性進行分析。建立數(shù)值模型的幾何尺寸為40 m×40 m×40 m，包含網(wǎng)格數(shù)目為47 萬。巖石力學參數(shù)參考《霄云煤礦巖石力學試驗研究》，具體參數(shù)見表1。

表1 煤巖力學參數(shù)

西翼軌道下山聯(lián)絡巷埋深為830 m，對應埋深應力載荷約為20.75 MPa。根據(jù)霄云煤礦地應力測試結果，最大水平應力大于垂直應力，為垂直應力的1.48～1.64 倍。此處側壓系數(shù)取最大值，對應水平應力為34.0 MPa。

2.1 巷道圍巖應力分布特征

1）圍巖應力。巷道開掘后圍巖最大主應力分布特征如圖2。圍巖的最大主應力峰值為70.06 MPa，應力集中區(qū)主要分布于拱頂和底角。兩底角應力集中區(qū)影響范圍較大，在巷道底板具有貫通趨勢，說明圍巖受水平應力作用較大，容易導致巷道發(fā)生底鼓。最大主應力分布狀態(tài)與巷道拱頂開裂、網(wǎng)兜和底鼓趨勢具有一致性，解釋了西翼軌道下山聯(lián)絡巷的力源特征。

圖2 巷道圍巖垂直應力

2）圍巖塑性區(qū)。巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖3。巷道幫部屈服形式主要為拉伸型，屈服范圍約0.5 m；巷道頂?shù)装逯饕l(fā)生剪切屈服，拱頂屈服范圍為1.0 m，底板屈服范圍為1.7 m。

圖3 巷道圍巖塑性區(qū)

上述分析結果表明，圍巖最大主應力近水平方向，應力集中區(qū)從拱頂、底角和底板表面向上下內(nèi)部圍巖延伸。由于圍巖應力以水平應力為主，塑性區(qū)主要發(fā)生在拱頂和底板，造成拱頂擠壓開裂和底鼓破壞。

2.2 巷道圍巖控制重點

軟巖巷道圍巖強度低，結構松散，極易破碎，巷道圍巖的自穩(wěn)定性差，巷道開挖后圍巖變形量大、變形持續(xù)時間長，巷道變形破壞嚴重，不利于施工安全與圍巖控制。所述巷道巖性主要為細砂巖、粉砂巖，局部夾雜泥巖和砂質(zhì)泥巖，采用原有的支護方式難以維護軟巖巷道圍巖的穩(wěn)定性，提高圍巖自身承載能力以及穩(wěn)定性是控制此類巷道變形的關鍵所在。

根據(jù)前期巷道圍巖應力分布特征分析，巷道底角和幫部圍巖位于垂直應力集中區(qū)，拱頂和底板圍巖位于垂直應力卸壓區(qū)，巷道幫部圍巖位于水平應力卸壓區(qū)，拱頂和底板圍巖位于水平應力集中區(qū)，巷道出現(xiàn)較明顯的底鼓趨勢。巷道圍巖控制的關鍵部位為拱頂和底板，可在原支護設計的基礎上進行優(yōu)化設計。

3 巷道圍巖支護方案優(yōu)化研究

3.1 錨網(wǎng)索梁加強支護設計

根據(jù)巷道圍巖的應力和變形特征，得出巷道圍巖兩幫拱基線處的變形較大，巷道底角應力集中程度較高。在前述分析的基礎上，考慮支護成本和施工效率，針對巷道圍巖巖性提出對應的優(yōu)化支護方案和參數(shù)[1-6]。

應力集中區(qū)主要表現(xiàn)出從底角向底板延伸的趨勢。巷道拱頂和底板圍巖發(fā)生剪切屈服，幫部圍巖發(fā)生拉伸屈服。在原支護方案的基礎上增加幫部和底角錨索，以減小水平應力對底板的擠壓和剪切作用。新增錨索長度為4500 mm，幫部錨索位于拱基線位置兩根錨桿中間，鉆孔垂直于巷道表面；底角錨索鉆孔位于底角兩根錨桿之間，下扎10°～30°。新增錨索與原錨索設計相結合，形成五花布置如圖4、圖5。

圖4 巷道支護斷面（mm）

圖5 拱頂及兩幫幫部支護展開（mm）

1）錨桿：選用Φ22 mm×2400 mm 的預應力高強度錨桿支護，間排距800 mm×1000 mm。

2）錨桿托盤：200 mm×200 mm×10 mm鐵托盤。

3）鋼帶：建議采用T 形鋼帶，鋼材Q235，尺寸140 mm×10 mm。

4）錨索：拱頂選用Φ21.8 mm×6500 mm 左旋預應力鋼絞線，間排距1600 mm×2000 mm，配合14#槽鋼錨索梁支護，“3-4-3”布置，錨索與錨桿插空布置。幫部和底角選用Φ21.8 mm×4500 mm左旋預應力鋼絞線，間排距750 mm×2000 mm，配合錨索梁。

5）錨索托盤：為長方形鋼板，規(guī)格為長×寬×厚=200 mm×95 mm×20 mm。

6）錨索梁：采用14#槽鋼加工制作，長度為3000 mm，分別距兩端500 mm 預留一矩形孔，預留孔規(guī)格為長×寬=100 mm×30 mm。

7）錨固劑：每根錨桿用2 支MSK2350 樹脂錨固劑固定，每根錨索用3 支MSK2550 樹脂錨固劑固定。

8）網(wǎng)片：采用2000 mm×1200 mm 的金屬方格網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。采用14#鐵絲搭接。

3.2 施工措施

3.2.1 高強錨桿施工工藝

1）安全檢查，進行臨時支護：初噴、鋪設錨網(wǎng)、升起前探梁。

2）錨桿鉆孔：采用MQT-130/2.75 型風動錨桿機配B19 中空六棱鋼釬、Φ27 mm 金剛石復合鉆頭打眼，按間排距定出錨桿眼位，首孔眼位應選擇巷中位置，其余向兩邊進行施工，確保錨桿外露10～50 mm，孔深2300 mm。

3）安注樹脂錨固劑：通過錨桿孔將2 支MSK2350 樹脂錨固劑裝入錨桿孔，用錨桿慢慢將樹脂錨固劑推入孔底。

4）攪拌樹脂錨固劑：用攪拌頭將鉆機與錨桿螺母連接起來，然后升起錨桿鉆機，當鉆機升到錨桿盤接觸頂板巖面時，停止升錨桿鉆機，攪拌15～30 s 后停機。

5）緊固錨桿：錨固劑凝固60 s 后再次啟動錨桿機使用錨桿注頭將錨桿緊固，錨桿盤緊貼巖面，最后用扭矩扳手或風動扳手擰緊螺母至錨盤緊貼巷道壁面，使錨桿扭矩不小于250 N·m。

3.2.2 錨索施工工藝

1）施工錨索孔：采用Φ27 mm 金剛石復合鉆頭打眼，根據(jù)巷道斷面支護設計位置定出錨索孔位，拱頂錨索孔深總長6500 mm，幫部4500 mm。

2）樹脂錨固劑：通過網(wǎng)孔將3 根MSK2550 錨固劑裝入錨索孔，用鋼絞線慢慢將樹脂錨固劑推入孔底。

3）將錨索穿至錨索孔內(nèi)，按上錨索盤及鎖具。

4）攪拌樹脂錨固劑：用攪拌頭將鉆機與錨索連接起來，然后升起錨桿鉆機，當鉆機升到錨索盤接觸頂板巖面時停止，攪拌20～30 s 后停機。

5）緊固錨索：15 min 后，用MQ22-400/40 礦用錨索漲拉機具漲緊錨索，預緊力不低于200 kN。

3.3 應用效果

西翼軌道下山聯(lián)絡巷采取支護優(yōu)化設計施工后，采用十字布點法進行巷道位移監(jiān)測，結果如圖6。巷道頂?shù)装宸€(wěn)定時間約為20 d，拱頂變形量為28 mm，底板為41 mm。兩幫變形持續(xù)時間為30～55 d，最大位移值為43 mm。監(jiān)測結果表明圍巖變形得到有效控制，巷道支護優(yōu)化設計可靠。

圖6 巷道位移監(jiān)測結果

4 結論

針對霄云煤礦深部大斷面軟巖巷道的圍巖穩(wěn)定性控制難題，以西翼軌道下山聯(lián)絡巷為例，在巷道原有支護方式基礎上，根據(jù)圍巖垂直應力、水平應力、最大主應力分布特征進行支護方案優(yōu)化，提出了對應的支護參數(shù)和施工方案，對其他類似工程可在實地考察論證的基礎上適當借鑒。