王其洲 謝文兵，2 祖夢(mèng)柯

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221000；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221000；3.河南省許昌新龍礦業(yè)有限責(zé)任公司，河南省禹州市，461670）

高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制技術(shù)研究

王其洲1謝文兵1，2祖夢(mèng)柯3

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221000；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221000；3.河南省許昌新龍礦業(yè)有限責(zé)任公司，河南省禹州市，461670）

以鄭州礦區(qū)某礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，針對(duì)該礦的高應(yīng)力軟巖巷道變形破壞特征進(jìn)行分析，總結(jié)了該類巷道變形破壞原因，提出了高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該項(xiàng)技術(shù)能夠有效控制高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形。

高應(yīng)力 軟巖巷道 巷道支護(hù) U型鋼 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

煤礦開采深度逐漸增加，地下井巷工程將位于更高地應(yīng)力環(huán)境之中，尤其構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)，巷道在原巖應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和人為擾動(dòng)的共同影響下，巷道變形破壞嚴(yán)重。為了控制巷道圍巖的強(qiáng)烈變形，現(xiàn)階段大部分礦井主要使用U型鋼棚支護(hù)、U型鋼＋注漿、U型鋼棚＋錨桿支護(hù)等聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，但無法有效地控制此類巷道圍巖變形。

1 巷道概況

1.1 地質(zhì)概況

某礦－15東翼帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷服務(wù)年限較長，巷道地面標(biāo)高＋245.5～＋247.5m。老頂巖性主要是中細(xì)粒砂巖，直接頂是砂質(zhì)泥巖，直接底為泥巖及砂質(zhì)泥巖，老底以L7－8灰?guī)r為主，煤層傾角大約20°。掘進(jìn)過程中揭露的地質(zhì)構(gòu)造為單斜構(gòu)造，巷道穿過的3條斷層落差均在10m以上，并且巷道上部殘存著3＃煤層的煤柱形成的固定支承壓力對(duì)巷道的圍巖穩(wěn)定性影響較大。

1.2 巷道破壞原因

1.2.1 巷道變形破壞特征

運(yùn)輸大巷采用直墻半圓拱斷面，巷道凈寬為4200mm，凈高3200mm，采用U29型鋼棚支護(hù)，棚距為800mm，菱形鐵絲網(wǎng)配合椽子護(hù)幫頂，每棚椽子30根，在巷道頂部和兩幫還設(shè)有拉桿，柱窩深度100mm。但運(yùn)輸大巷掘出后不久就嚴(yán)重變形，3個(gè)月后不得不進(jìn)行擴(kuò)修，巷道變形破壞特征如下：

（1）頂板下沉量大。剛擴(kuò)修過的巷道，U型鋼支架拱部已經(jīng)出現(xiàn)部分壓平現(xiàn)象。

（2）頂梁向下滑移使下部卡纜拉斷。頂梁與柱體接觸處下部叉開推動(dòng)下部卡纜向上滑移，上部卡纜與中部卡纜滑移到一起。

（3）肩窩出現(xiàn)不對(duì)稱變形。部分支架左幫肩窩壓平，右?guī)图绺C處出現(xiàn)U型鋼壓彎內(nèi)凸的現(xiàn)象。

（4）巷道兩幫都強(qiáng)烈內(nèi)移，內(nèi)移量達(dá)到500 mm以上。

（5）巷道強(qiáng)烈底臌，部分區(qū)域底臌量達(dá)到300mm。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，現(xiàn)有U型鋼支架難以控制巷道圍巖強(qiáng)烈變形，為此礦方投入大量人力、物力多次進(jìn)行修復(fù)，每次修復(fù)后不久巷道又強(qiáng)烈變形，難以保證巷道的使用斷面要求，甚至出現(xiàn)了前修后壞的情況，嚴(yán)重影響礦井的正常安全生產(chǎn)。

1.2.2 巷道變形破壞原因分析

（1）巷道圍巖巖性較差。運(yùn)輸大巷圍巖以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，不僅巖塊強(qiáng)度較低，而且?guī)r體結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，巖體整體強(qiáng)度較低，同時(shí)還受斷層構(gòu)造影響，斷層破碎帶附近巷道圍巖更加破碎，原有節(jié)理、裂隙擴(kuò)展，新的節(jié)理、裂隙產(chǎn)生，巷道圍巖整體強(qiáng)度進(jìn)一步降低。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，巷道圍巖的穩(wěn)定性差，巷道圍巖應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于圍巖體自身的強(qiáng)度。

大巷中段上部存在3＃煤層的斷層保護(hù)煤柱造成巷道上方應(yīng)力集中。該煤柱距離大巷不足10m，在其形成的集中應(yīng)力的作用下，巷道圍巖強(qiáng)烈變形，一般的支護(hù)難以控制巷道圍巖的強(qiáng)烈變形。在高構(gòu)造應(yīng)力和固定支承壓力共同作用下，巷道淺部破碎巖體極易產(chǎn)生強(qiáng)烈剪脹變形。巷道掘出后，巷道圍巖產(chǎn)生強(qiáng)烈流變，整體變形嚴(yán)重，單純U型鋼支架或錨網(wǎng)索支護(hù)難以控制巷道圍巖的強(qiáng)烈變形。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。現(xiàn)有的直墻半圓拱形巷道U型鋼支架抗側(cè)壓能力較差，理論分析結(jié)果表明，頂部拱結(jié)構(gòu)的承載能力遠(yuǎn)高于幫部的梁結(jié)構(gòu)，而且頂部拱結(jié)構(gòu)的承載能力受兩幫梁結(jié)構(gòu)的制約，一旦兩幫梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，頂部拱結(jié)構(gòu)的承載能力隨之急劇降低。以U29型鋼支架為例說明被動(dòng)支護(hù)的實(shí)際承載分布，大量工程實(shí)踐表明，受巷道掘進(jìn)爆破質(zhì)量影響，支架與圍巖相互作用關(guān)系較差，支架實(shí)際承載分布不均勻，支架實(shí)際承載能力僅為理論承載能力的1／3～1／5。

（3）支護(hù)圍巖相互作用關(guān)系差。U型鋼支架與圍巖作用關(guān)系差，使得支架大多局部承載，很容易產(chǎn)生扭曲和滑移，支架容易出現(xiàn)“尖頂”型破壞和支架肩窩處出現(xiàn)“平頂”型破壞。

（4）無控底措施。由于未采取控底措施，巷道底板往往成為巷道變形和破壞的突破口。反復(fù)臥底使得巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

2 巷道支護(hù)技術(shù)方案

2.1 支護(hù)技術(shù)核心

理論分析可知，不同結(jié)構(gòu)補(bǔ)償形式下U29型鋼支架彎矩分布狀況如圖1所示。

圖1 不同支護(hù)組合U型鋼支架實(shí)際承載分布圖

由圖1可知，采取U型鋼支架＋注漿等措施控制幫腳的內(nèi)移，提高幫部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠有效改善支護(hù)圍巖相互作用關(guān)系，實(shí)現(xiàn)支架均勻承載，減小支架截面最大彎矩，防止出現(xiàn)局部失穩(wěn)造成的整體失穩(wěn)破壞，從而提高巷道支護(hù)承載結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

針對(duì)運(yùn)輸大巷受斷層構(gòu)造影響，圍巖極為松散破碎的特點(diǎn)，考慮到該大巷受上覆保護(hù)煤柱集中應(yīng)力影響，采用U29型鋼支架作為基本支護(hù)，采用壁后注漿改善圍巖狀態(tài)和支護(hù)圍巖相互作用關(guān)系，并根據(jù)巷道圍巖變形特征和U型鋼支架的整體穩(wěn)定性，采用小孔徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索再合理實(shí)施結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，提高U型鋼支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其承載能力，并采取措施控制底臌，從而有效控制此類巷道圍巖的強(qiáng)烈變形。

2.2 支護(hù)技術(shù)方案

（1）巷道頂板及幫部支護(hù)方案。根據(jù)運(yùn)輸大巷的使用斷面要求，設(shè)計(jì)的U29型鋼支架見圖2，U型鋼支架的棚距500mm，支架拱部與直腿搭接距離500mm，棚腳埋深200mm，同時(shí)棚腿外扎角5°。搭接處采用3副雙槽夾板卡纜來固定，即：一副上限位、一副下限位和一副普通雙槽夾板卡纜，同時(shí)中間普通雙槽夾板卡纜位于搭接處中部偏下的位置。

由圖2可知，U29型鋼支架作為巷道的基本支護(hù)，可防止巷道頂板冒落和兩幫強(qiáng)烈內(nèi)移，U型鋼支架架好后，首先沿U型鋼棚外側(cè)（即槽口側(cè)）均勻鋪滿一圈菱形金屬網(wǎng)背板，金屬網(wǎng)掛好后用椽子腰幫接頂，使支架與圍巖緊密接觸。

由前面分析可知，巷道頂板拱結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)于幫部梁結(jié)構(gòu)，因此采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)幫部實(shí)施結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，見圖3，錨索型號(hào)?18.9mm×5000 mm，材質(zhì)為1860鋼絞線，每根錨索采用4支K2350樹脂錨固劑，錨具采用鎖芯為兩半的鎖具。錨索托梁材質(zhì)為12＃工字鋼梁，采用兩錨索帶一梁、一梁壓三棚的補(bǔ)償方式，具體布置參數(shù)見圖4。同時(shí)采用注漿加固技術(shù)提高巖體的自身強(qiáng)度，注漿孔深度為1200mm，間排距為1200mm×1500mm，漿液采用水泥漿，水灰比為0.6∶1～0.7∶1。

（2）巷道底板支護(hù)方案。采用金屬網(wǎng)＋鋼筋梯子梁＋錨桿＋錨索聯(lián)合支護(hù)控制巷道底臌，見圖5。首先將底板下落到要求的標(biāo)高，采用高強(qiáng)度鋼筋網(wǎng)護(hù)表，鋼筋網(wǎng)表面鋪設(shè)鋼筋梯子梁，鋼筋梯子梁排距1000mm，鋼筋梯子梁的長度4200mm，錨桿采用?22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每個(gè)錨桿采用2支K2350樹脂藥卷，錨桿托盤采用120mm×120mm×10mm鼓形托盤；錨索使用?18.9mm×5000mm的1860鋼絞線，每根錨索采用4支K2350樹脂藥卷，錨索托盤采用400 mm×180mm 18＃槽鋼，槽鋼梁軸向與鋼筋梯子梁軸向平行布置。

3 試驗(yàn)效果

該巷道加固過后，課題組對(duì)東翼運(yùn)輸大巷的巷道圍巖變形量進(jìn)行長期跟蹤觀測(cè)，經(jīng)過近180d的觀測(cè)，兩幫相對(duì)移近量為53mm，兩幫內(nèi)移速度0.3mm／d，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量在30mm左右，頂?shù)装逡平俣?.17mm／d，巷道的表面位移量在60d左右圍巖變形基本趨于穩(wěn)定。采用新型支護(hù)技術(shù)后，圍巖總體變形量較小，巷道圍巖變形得到有效控制，保證巷道斷面滿足使用要求。

4 結(jié)論

針對(duì)鄭州礦區(qū)某礦的地質(zhì)條件和巷道變形破壞特征，深入研究分析了高應(yīng)力軟巖巷道破壞原因，研究提出U型鋼支架＋錨索＋壁后注漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）U型鋼支架本身具有高承載能力和適應(yīng)大變形的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)高應(yīng)力軟巖巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)和變形特點(diǎn)。

（2）小孔徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索有效改善支架實(shí)際承載分布，提高支護(hù)體兩幫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載能力，發(fā)揮支護(hù)體整體承載能力。

（3）采用壁后注漿明顯改善了巷道圍巖狀態(tài)，增強(qiáng)軟巖巷道圍巖本身強(qiáng)度，改善支護(hù)—圍巖相互作用關(guān)系。

[1] 陸士良，姜耀東.巷道底臌的機(jī)理和防治[J].中國煤炭，1995（8）

[2] 劉高，聶德新，韓文峰.高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000（6）

[3] 荊升國.高應(yīng)力破碎軟巖巷道棚－索協(xié)同支護(hù)圍巖控制機(jī)理研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2009

Study on surrounding rock control technology of high stress and soft rock roadway

Wang Qizhou1，Xie Wenbing1，2，Zu Mengke3

（1.School of Mine，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Xinlong Mining Limited Liability Company of Henan Xuchang，Yuzhou，Henan 461670，China）

The paper is based on the geological condition of the coal mine in Zhengzhou mining area.The basic deformation and failure characteristic of high stress and soft rock roadway is discussed and analyzed.Meanwhile the paper summarizes the reason of deformation and failure characteristic on roadway by theoretical analysis.Then the paper proffers the surrounding rock control technology of high stress and soft rock roadway.After the field experiment，the result proves that the technology can effectively control the surrounding rock deformation of high stress and soft rock roadway.

high stress，soft rock roadway，shaft and drift supporting，U steel，structure stability

TD353

A

王其洲（1986－），男，山東青州人，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)為中國礦業(yè)大學(xué)在讀研究生，主要研究方向?yàn)橄锏乐ёo(hù)。

（責(zé)任編輯 張毅玲）