基于錨索注漿技術(shù)的深部高地應(yīng)力巷道支護(hù)實(shí)踐

馬俊杰

（汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300）

0 引言

當(dāng)前，我國井工煤礦開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，深部采掘工作不同程度的面臨高地應(yīng)力環(huán)境下的圍巖控制難題，需要向采掘空間周邊的圍巖施加更高的外部支護(hù)力，而且支護(hù)方案的設(shè)計(jì)應(yīng)更契合具體圍巖條件，增大支護(hù)強(qiáng)度、提高支護(hù)成本，可能達(dá)不到理想效果。面臨深部高地應(yīng)力巷道支護(hù)難題，我國煤礦科學(xué)工作者進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐，提出了許多卓有成效的支護(hù)理論和技術(shù)，積累了豐富的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，指出了深井巷道支護(hù)應(yīng)允許合理范圍內(nèi)的圍巖變形，即讓壓支護(hù)；提出了外部支護(hù)應(yīng)著眼于形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與圍巖成為一體，共同承載深部圍巖傳遞的載荷；提出了重視對(duì)圍巖進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)，同時(shí)更加重視圍巖內(nèi)部注漿支護(hù)，提高圍巖強(qiáng)度及承載性能[1-5]?；谶@些研究成果，近年來在深部巷道支護(hù)實(shí)踐中，錨索注漿技術(shù)的應(yīng)用逐漸增多，對(duì)高地應(yīng)力條件下的巷道支護(hù)有極強(qiáng)的適用性，針對(duì)某煤業(yè)公司深井巷道的圍巖支護(hù)難題展開研究，應(yīng)用組合錨索注漿技術(shù)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，并展開支護(hù)實(shí)踐及效果分析。

1 工程概況

某煤業(yè)公司的采掘接續(xù)工作已延深至-950 m 水平，即礦井的第三水平，目前需要掘進(jìn)該水平的回風(fēng)大巷，巷道設(shè)計(jì)全長1 600 m，巷道斷面設(shè)計(jì)為直墻半圓拱式，設(shè)計(jì)掘進(jìn)寬度為5 300 mm、掘進(jìn)高度為4 300 mm?；仫L(fēng)大巷為全巖掘進(jìn)，巷道頂板距離上部6 號(hào)煤層20～40 m，整個(gè)巷道將持續(xù)向破泥巖、砂巖等掘進(jìn)，巷道頂板為中、細(xì)粒砂巖，巷道底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖及泥質(zhì)砂巖等巖性，巖性及產(chǎn)狀如表1 所示。由于回風(fēng)大巷埋深較大，深井地應(yīng)力特征較為明顯，礦井對(duì)地應(yīng)力開展過實(shí)測研究，測量數(shù)據(jù)顯示，回風(fēng)大巷掘進(jìn)區(qū)域垂直應(yīng)力數(shù)值介于10.3～17.5 MPa，最大水平應(yīng)力數(shù)值介于11.5～16.4 MPa，呈現(xiàn)出垂直應(yīng)力高于水平應(yīng)力的特點(diǎn)，說明巷道掘進(jìn)時(shí)的地應(yīng)力還是以垂直應(yīng)力為主，是典型的深井高地應(yīng)力的表現(xiàn)特征。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

2 圍巖變形破壞特征及支護(hù)難點(diǎn)分析

1）高地應(yīng)力特征明顯。根據(jù)礦井地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，回風(fēng)大巷掘進(jìn)區(qū)域垂直應(yīng)力數(shù)值介于10.3～17.5 MPa，最大水平應(yīng)力數(shù)值介于11.5～16.4 MPa，呈現(xiàn)出垂直應(yīng)力高于水平應(yīng)力的特點(diǎn)，是典型的深井高地應(yīng)力的表現(xiàn)特征。同時(shí)，本水平軌道大巷、聯(lián)絡(luò)石門等巷道掘進(jìn)過程中，肉眼可見到較為強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)。

2）巷道圍巖初始變形迅速、累積量大。由于地應(yīng)力大，當(dāng)巷道掘進(jìn)后，地應(yīng)力迅速釋放，造成巷道圍巖的初始變形快速積累，一旦支護(hù)不及時(shí)，就可能造成頂板漏冒事故；或者圍巖變形過大，損毀原有支護(hù)，需要進(jìn)行巷道修復(fù)及重復(fù)支護(hù)。

3）深部圍巖蠕變、不易形成承載結(jié)構(gòu)。巷道掘進(jìn)破壞原巖平衡狀態(tài)，淺部圍巖迅速向掘進(jìn)空間位移，深部圍巖持續(xù)蠕變，造成較大的圍巖變形，同時(shí)，圍巖的持續(xù)蠕變?cè)斐芍ёo(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的整體性差，不易形成承載結(jié)構(gòu)，全依靠外部支護(hù)作用明顯不足，造成支護(hù)強(qiáng)度和剛度不足的假象。

4）不適用常規(guī)支護(hù)手段。巷斷面較大，增大巷道寬度后，頂板巖層的拉破壞更為明顯，破壞后巖層下沉，進(jìn)而離層，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，頂板下沉，底板鼓起，兩幫鼓出，局部斷面收縮嚴(yán)重，傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)方式效果不佳。應(yīng)選擇更合理有效的支護(hù)方式，使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖協(xié)同作用，共同承載，使支護(hù)作用更加合理有效。

3 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

該工程條件下的巷道支護(hù)，應(yīng)突出“讓壓”理念、“加固”理念及“協(xié)同”理念。“讓壓”理念是指允許一定程度的變形，這類變形是外部支護(hù)難以控制的，應(yīng)在這類變形釋放后施以正規(guī)支護(hù)，方能減輕支護(hù)的難度；“加固”理念是指重視注漿加固作用，提高掘進(jìn)擾動(dòng)后圍巖的完整性，增強(qiáng)其承載能力；“協(xié)同”理念是指不應(yīng)將外部支護(hù)視為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，而應(yīng)讓外部支護(hù)與圍巖結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，共同承載，減輕支護(hù)壓力和難度[6-8]?；诖?，設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案具體為：常規(guī)錨網(wǎng)噴+注漿錨索聯(lián)合支護(hù)方式，即先進(jìn)行錨網(wǎng)噴常規(guī)支護(hù)，再實(shí)施組合錨索及注漿支護(hù)。

3.2 具體支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1）常規(guī)錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)。如圖1 所示，沿巷道周邊均勻施打錨桿，間距700 mm、排距700 mm，每排19根，使用Φ22 mm×3 000 mm 高強(qiáng)螺紋鋼錨桿；普通錨索間距1 400 mm、排距1 400 mm，每排9 根，使用Φ21.6 mm×8 000 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索；金屬網(wǎng)為孔徑80 mm×80 mm 的鋼筋網(wǎng)，鋼筋規(guī)格為Φ6 mm，連網(wǎng)搭接長度為100 mm，雙股14 號(hào)鐵絲連網(wǎng)；噴射混凝土厚度為150 mm，使用C20 級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥、沙子、石子的體積比為1∶2∶2，噴射時(shí)需要添加約3%的速凝劑。

圖1 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2）組合錨索參數(shù)及注漿支護(hù)參數(shù)。組合錨索由單體鋼絞線錨索組成，每組3 根，每根規(guī)格均為Φ21.6 mm×16 000 mm，成排布置，每排布置4 組，間距2 400 mm、排距2 800 mm。每組3 根錨索中間需要打孔并安裝Φ20 mm 注漿管及Φ8 mm 排氣管，深部注漿孔深4 000 mm，淺部注漿孔深2 200 mm，每組錨索需要同時(shí)布置一個(gè)深部注漿孔及一個(gè)淺部注漿孔，深孔注漿壓力為2.5～3.5 MPa，淺孔注漿壓力為1.5～2.0 MPa。注漿使用標(biāo)號(hào)42.5 硅酸鹽水泥調(diào)制的水泥漿液。

3.3 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

-950 m 水平回風(fēng)大巷在掘進(jìn)期間采用了上述常規(guī)錨網(wǎng)噴+注漿錨索聯(lián)合支護(hù)方案，由于巷道圍巖整體強(qiáng)度和完整性較好，掘進(jìn)后在臨時(shí)支護(hù)保護(hù)下，遵循“讓壓”理念，有序?qū)嵤┝顺Ｒ?guī)錨網(wǎng)支護(hù)，并延緩實(shí)施了噴漿支護(hù)，在初始變形基本穩(wěn)定后，實(shí)施了組合錨索及注漿支護(hù)，成功進(jìn)行了巷道掘進(jìn)及支護(hù)實(shí)踐。經(jīng)過巷道支護(hù)后的礦壓觀測，以其中5 個(gè)測點(diǎn)的平均值為例，掘進(jìn)后圍巖破碎有一個(gè)變形迅速發(fā)展期，之后實(shí)施噴漿支護(hù)及組合錨索注漿支護(hù)，變形迅速得到控制，最終頂板下沉量累積變形達(dá)到62 mm，而臨近軌道大巷使用普通支護(hù)時(shí)的頂板下沉量接近120 mm，對(duì)比情況如圖2 所示；同樣，使用組合注漿錨索支護(hù)下底鼓變形量累積值為190 mm，普通支護(hù)底鼓累積值為508 mm，對(duì)比情況如圖3 所示；使用組合注漿錨索支護(hù)下兩幫移近量累積值為100 mm，普通支護(hù)兩幫移近量累積值為301 mm，對(duì)比情況如圖4 所示。礦壓觀測結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的支護(hù)方案較好的適應(yīng)了巷道條件，能夠保障巷道圍巖穩(wěn)定及安全生產(chǎn)。

圖2 頂板下沉量變化曲線

圖3 底鼓變形量變化曲線

圖4 兩幫移近量變化曲線

4 結(jié)論

1）對(duì)深部回風(fēng)大巷掘進(jìn)期間面臨的圍巖變形破壞特征及支護(hù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，回風(fēng)大巷掘進(jìn)區(qū)域垂直應(yīng)力數(shù)值介于10.3～17.5 MPa，最大水平應(yīng)力數(shù)值介于11.5～16.4 MPa，呈現(xiàn)出垂直應(yīng)力高于水平應(yīng)力的特點(diǎn)，是典型的深井高地應(yīng)力特征。

2）提出了該工程條件下巷道支護(hù)應(yīng)突出“讓壓”理念、“加固”理念及“協(xié)同”理念，并針對(duì)性地設(shè)計(jì)了常規(guī)錨網(wǎng)噴+注漿錨索聯(lián)合支護(hù)方案，即先進(jìn)行錨網(wǎng)噴常規(guī)支護(hù)，再實(shí)施組合錨索及注漿支護(hù)。

3）采用設(shè)計(jì)的聯(lián)合支護(hù)方案進(jìn)行工程實(shí)踐，巷道整體圍巖變形控制較好，相比臨近采用普通支護(hù)方式的軌道大巷，以其中5 個(gè)測點(diǎn)的平均值為例，頂板下沉量控制在62 mm，改善率為48.3%；底鼓量控制在190 mm，改善率為62.6%；兩幫移近量控制在100 mm，改善率為66.8%。整個(gè)生產(chǎn)過程中未發(fā)生惡性冒頂片幫事故，安全生產(chǎn)得到保障。