深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)研究及應(yīng)用

李曉海

大同市焦煤礦有限責任公司 山西 大同 037000

焦煤礦軟巖回采巷道大變形問題，一直困擾著礦井健康發(fā)展。劈裂灌漿技術(shù)很好的解決了已經(jīng)出現(xiàn)大變形或臨界變形巷道的加固問題，巷道變形得到了有效控制。但是，對于巷道開挖后出現(xiàn)的大變形，一直沒有較好的解決方法。為解決軟巖巷道開挖后的大變形問題，焦煤礦在8505運順進行極軟巖大變形控制技術(shù)的研究與試驗，采用柔性錨桿+恒阻錨索+馬蹄棚的聯(lián)合支護技術(shù)控制、延緩圍巖大變形[1]。

1 礦井地質(zhì)條件

大同焦煤礦位于山西懷仁市何家堡鄉(xiāng)石井村，井田面積4.339km2，設(shè)計生產(chǎn)能力150萬噸/年，8505工作面主采5#煤，工作面設(shè)計可采長度1254m，面長336m，設(shè)計可采儲量 361.4萬t，傾斜長壁綜放開采。回順長1310m，運順長1364m。支護試驗段位于8505 運順490～590m。依據(jù)三維地震資料及生產(chǎn)實見，該區(qū)域范圍內(nèi)，運順掘進至 563m 進入DF5斷層上盤，DF5斷層產(chǎn)狀：258°∠55～65°H=1.7m。該斷層下盤伴有煤層變薄缺失帶。受斷層、煤層變薄缺失帶地質(zhì)構(gòu)造影響，施工中給頂板維護帶來一定困難。斷層及煤層變薄缺失帶在試驗段內(nèi)影響范圍27m。試驗段煤層傾角3°，進入DF5斷層上盤后增大至5～8°。煤層總體賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)變化不大。

2 大變形問題分析

軟巖回采巷道掘進期間的大變形主要與圍巖巖性有關(guān)。焦煤礦回采巷道圍巖屬于強膨脹性、節(jié)理化復(fù)合型軟巖。巷道圍巖中含有大量黏土性礦物，其中：煤樣的黏土性礦物含量 39.3%，煤層中的泥巖夾石黏土性礦物含量 40.9%，油頁巖中黏土性礦物含量39.5%。黏土性礦物自身強度低，具有強膨脹、顯著流變的特性。巷道開挖后，現(xiàn)有支護中的錨桿、錨索預(yù)緊力低，不能維持圍巖徑向應(yīng)力平衡，圍巖中黏土性礦物產(chǎn)生顯著的碎脹、流變，像擠牙膏一樣連綿不斷的作用在圓棚或拱棚上。而圓棚、拱棚為剛性被動支護，其強度不足以抵抗圍巖的強流變、碎脹，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致巷道變形破壞。

3 支護設(shè)計

3.1 現(xiàn)有支護

焦煤礦回采巷道現(xiàn)有支護形式為：Φ22mm×2400mm 螺紋鋼錨桿 +Φ28.6mm×5300mm鋼絞線錨索 + 護頂鋼筋網(wǎng) + 幫部菱形網(wǎng) +36U 型鋼圓棚 +木板 + 噴漿。

經(jīng)實測，現(xiàn)有支護形式中，Φ22mm 螺紋鋼錨桿的擰緊扭矩不大于 400N·m （約為預(yù)緊力4.66t），Φ28.6m 鋼絞線錨索的預(yù)緊力 17.5t。過低的預(yù)緊力不足以抵抗軟巖的強膨脹、顯著流變的特性。以8505運順為例，滯后掘進工作面 40m處，圍巖即出現(xiàn)大變形，棚梁被壓彎、錨索隨頂板下沉、木板壓斷，支護體變形失效嚴重。

3.2 試驗段支護設(shè)計

3.2.1 巷道斷面形狀

試驗段設(shè)計巷道斷面為馬蹄形，主要目的是為以后試驗 110 工法做準備?，F(xiàn)有支護采用圓形巷道，由于圓形斷面在采用 110 工法時，切頂?shù)那锌p位置不容易確定，且液壓支架后方留巷段的擋矸裝置難以安裝，無法充分發(fā)揮擋矸作用。因此，將巷道斷面設(shè)計為直墻半圓拱形，以解決上述問題。為了防止底臌，在底部安裝了底梁，形成馬蹄形巷道斷面。

3.2.2 支護形式

結(jié)合現(xiàn)有支護特點，試驗段設(shè)計支護形式為：柔性錨桿+恒阻錨索+護頂鋼筋網(wǎng)+幫部菱形網(wǎng)+馬蹄棚+木板+外噴混凝土+鎖腿錨桿的聯(lián)合支護?，F(xiàn)有支護與試驗段新支護設(shè)計主要區(qū)別為：圓棚改變?yōu)轳R蹄棚，螺紋鋼錨桿改變?yōu)槿嵝藻^桿，普通錨索改變?yōu)楹阕桢^索；其他基本與現(xiàn)有支護形式相同。具體支護材料及參數(shù)設(shè)計如下：

（1）恒阻錨索：由恒阻器、Φ21.8mm×7300mm鋼絞線、托盤和鎖具組成。NPR35-300-0.5 型恒阻器長 450mm，直徑 79mm，最大允許恒阻位移350mm。恒阻錨索設(shè)計預(yù)緊力 30t，恒阻力35t，設(shè)計錨固力 42t。設(shè)計恒阻錨索間、排距為 1600×1600mm，每排布置 3 根。每孔使用 1支 CKb/Z23120 型樹脂錨固劑錨固。錨索孔徑為Φ28mm，深 7000mm。恒阻器孔徑為 Φ95mm，深 500mm，錨索外露長度 300mm。托盤規(guī)格300×300×20mm，孔徑 100mm。

支護原理：恒阻器內(nèi)設(shè)有恒阻體，當圍巖壓力超過恒阻力 35t，恒阻器與恒阻體之間產(chǎn)生滑動摩擦，即恒阻位移。對于軟巖巷道，高預(yù)緊力能夠及時補償三向應(yīng)力平衡，控制幫頂下沉；恒阻變形功能能夠吸收圍巖變形能，從而起到控制、延緩幫頂圍巖變形的效果。

恒阻錨索施工工序：打錨索孔→擴恒阻器安裝孔→裝錨固劑、鋼絞線→充分攪拌錨固劑錨固錨索→等待 10min→安裝錨索托盤→安裝恒阻器→安裝鎖具→張拉施加預(yù)緊力（30t）。

柔性錨桿：由恒阻器、Φ15.2mm×2400mm 鋼絞線、托盤和螺母組成。MSGHS-260/15(RX)-2.4型恒阻器長 415mm，直徑 37mm，最大允許變形量300mm。柔性錨桿設(shè)計預(yù)緊力 12t，恒阻力 15t，設(shè)計錨固力 18t。柔性錨桿間、排距為 800×800mm，每排布置 12 根。每孔使用 2 支 CKb2370 型樹脂錨固劑錨固。桿體孔徑為 26mm，深 2300mm。恒阻器孔徑為45mm，深 450mm，柔性錨桿外露長度為 30～70mm。柔性錨桿支護原理與恒阻錨索基本同，可簡單理解為縮小版的恒阻錨索。

施工工序：打錨桿眼→擴恒阻器安裝孔→安裝柔性錨桿 （包括錨固劑、桿體、恒阻器、托盤、螺母）→使用錨桿鉆機充分攪拌錨固劑錨固→風動扳手擰緊螺母→等待 10min后→張拉施加預(yù)緊力。

4 效果分析

4.1 效果分析

2021年10月30日試驗段開始施工，至11月26日結(jié)束，共計施工100m，架設(shè)馬蹄棚125架，柔性錨桿29根，恒阻錨索304根。據(jù)現(xiàn)場觀測，試驗段起始位置，現(xiàn)有支護巷道圍巖下沉、煤體臌出，頂板圍巖最大下沉量達到0.6m；而試驗段巷道恒阻錨索對幫頂?shù)目刂菩Ч黠@，圍巖未見明顯下沉、臌出，頂板圍巖最大下沉量 0.11m，對比現(xiàn)有支護下沉量減少 82%。試驗段結(jié)束位置，現(xiàn)有支護左上幫受煤層變薄缺失帶影響，滯后掘進工作面 30m 處，圍巖臌出、木板壓折、棚梁變形嚴重；而試驗段內(nèi)巷道，雖然受煤層變薄缺失帶及DF5斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響，但馬蹄棚未見明顯變形，尤其是左上幫的恒阻錨索對無煤帶油頁巖的碎脹、流變性控制效果明顯。

4.2 觀測對比

試驗段一共設(shè)置了10個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面間距為20m，每個觀測站布置有錨索測力計，用于監(jiān)測恒阻錨索受力情況。其中1#～5#斷面位于試驗段內(nèi)，6#～10#斷面在試驗段后方。監(jiān)測區(qū)域共 180m。

普通錨索初始受力11.6t，滯后掘進面17m 增加到40t，增幅 245%。恒阻錨索初始受力32.1t，滯后掘進面 17m 增加到 33.5t，增幅4.4%。同樣的滯后距離，二者比較，恒阻錨索受力增幅遠遠小于普通錨索。說明恒阻錨索高預(yù)緊力應(yīng)力補償作用，提高了初次支護強度，能夠及時有效控制圍巖壓力增加。

恒阻錨索在滯后掘進面 40m、受力達到 34.7t時，受力值出現(xiàn)拐點，此時恒阻體在恒阻器內(nèi)出現(xiàn)相對滑移，正在吸收圍巖變形的能量。隨著能量的吸收釋放，圍巖變形、碎脹能力逐漸減小，恒阻錨索受力值開始降低，恒阻體停止相對位移，圍巖變形量得到有效控制。而普通錨索在滯后掘進面 40m 時受力高達 45.3t，且受力值繼續(xù)上升，圍巖變形能一直在增加，圍巖變形量未得到到有效控制。在滯后掘進面 100m 時，試驗段巷道頂板最大下沉量110mm，而現(xiàn)有支護巷道頂板最大下沉量 600mm，試驗段巷道對比現(xiàn)有支護巷道頂板下沉量減少82%。

5 經(jīng)濟效益分析

試驗段施工自2021年10月30日至年11月26日結(jié)束，共計27天。試驗段支護對比現(xiàn)有支護形式，每米巷道增加材料成本：13662元-11865元=1797元。該工作面運順44～185m，巷道現(xiàn)有支護變形嚴重，已不能滿足正常運輸及生產(chǎn)要求，被迫翻修。而試驗段支護完好、未見明顯變形。二者對比，節(jié)省翻修材料成本（11057-1797）×141=116.5萬元（巷道翻修成本11057元/m）。

6 結(jié)束語

焦煤礦8505運順“軟巖巷道大變形控制技術(shù)”試驗，經(jīng)現(xiàn)場實踐，試驗段恒阻錨索支護效果明顯，實現(xiàn)了軟巖巷道開挖后大變形問題的有效控制。對比現(xiàn)有普通錨索支護，恒阻錨索預(yù)緊力提高 43%、最大受力下降 27%，頂板下沉量減少 82%。試驗段馬蹄棚未見明顯變形，而現(xiàn)有支護的圓棚被壓彎變形。恒阻錨索的高預(yù)緊力和恒阻變形功能起到了很好的支護效果，能夠及時補償應(yīng)力、吸收圍巖變形能，減小圍巖變形量；對比普通錨索具有明顯的材料及結(jié)構(gòu)力學(xué)優(yōu)勢。但是，在試驗段施工中也暴露出柔性錨桿施工工序復(fù)雜、施工時間長、預(yù)緊力合格率低等問題，被迫將柔性錨桿改回螺紋鋼錨桿。試驗巷道由于缺少對幫部圍巖的高預(yù)緊力控制，巷幫收斂量大于頂板下沉量。