李如波，涂興子，翟新獻，李明遠，肖同強，黃廣帥

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.淮北市平遠軟巖支護工程技術有限公司，安徽 淮北 235000)

隨著煤炭資源的長期高強度開采，平頂山礦區(qū)多數(shù)礦井進入了深部開采。深井采準巷道通常位于煤層底板，圍巖巖性較差，受采動影響后，圍巖變形量大、支護困難，影響到煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-6]，其中受采動影響的采區(qū)軌道下山巷道，受兩側工作面的多次采動影響后巷道變形極其嚴重，在數(shù)十年的服務年限內，巷道長期處于“翻修—失修—再翻修—再失修”的惡性循環(huán)狀態(tài)，采用常規(guī)的聯(lián)合支護技術需要經(jīng)過多次翻修，巷道仍難以滿足正常使用要求[7-12]。平頂山天安煤業(yè)有限公司五礦(簡稱平煤五礦)己三下延采區(qū)軌道下山，巷道采用“錨桿(索)+U型鋼拱形支架”聯(lián)合支護翻修后，仍然出現(xiàn)較大變形，嚴重影響到煤礦的安全生產(chǎn)。為此，本文針對平煤五礦己三下延軌道下山進行采區(qū)巷道鋼絲繩網(wǎng)錨注支護技術研究。

1 工程概況

平煤五礦位于河南省平頂山礦區(qū)西部，為平頂山礦區(qū)的主干礦井之一。經(jīng)過技術改造后，2012年礦井核定生產(chǎn)能力200萬t/a。目前生產(chǎn)水平為第二水平，生產(chǎn)采區(qū)為己三采區(qū)和己三下延采區(qū)，主要開采已15、已16-17煤層，開采深度為700～1000m。

平煤五礦己三下延采區(qū)為雙翼采區(qū)，布置四條采區(qū)下山即軌道下山、運輸下山、東翼回風下山、西翼回風下山，四條下山周圍布置有暗斜井和進風行人巷，采區(qū)巷道布置如圖1所示。運輸下山、東翼回風下山、西翼回風下山均為煤層巷道；軌道下山為底板巖石斜巷，距己15煤層底板19.3～28.8m；巷道傾角12°，圍巖為泥巖和泥質灰?guī)r；巷道埋深968.2～838.8m，屬于深井軟巖巷道。

圖1 己三下延采區(qū)巷道布置平面圖

己三下延采區(qū)軌道下山上段采用錨桿(索)支護或U型鋼可縮性拱形支架支護，當采區(qū)兩側已15、已16-17煤層工作面開采后，軌道下山將出現(xiàn)劇烈變形。經(jīng)過翻修以后，巷道仍然出現(xiàn)持續(xù)流變，每1～2a翻修一次，巷道維修工程量大，維修費用高。

2 軌道下山巷道變形破壞機理

2.1 圍巖變形破壞現(xiàn)狀

隨著礦井開采強度的增加，礦井開采深度和巷道斷面越來越大，深部采準巷道的支護問題越來越嚴重。平煤五礦己三下延采區(qū)軌道下山全長1200m，巷道斷面為直墻半圓拱，原支護形式為錨(索)網(wǎng)噴支護。巷道掘出1～2a，軌道下山出現(xiàn)頂板下沉、片幫、噴層開裂、金屬網(wǎng)撕裂、錨桿失錨等嚴重變形破壞。軌道上山上部470m巷道，采用“36U拱形支架+噴射混凝土聯(lián)合支護”翻修后，局部地段仍底鼓，巷道失修嚴重。軌道上山中部有130m巷道，采用“36U拱形支架+噴射混凝土+錨注支護”翻修后，兩幫變形不明顯，有底鼓現(xiàn)象。軌道上山下部600m巷道，采用“36U拱形支架+噴射混凝土+錨注支護”翻修后，巷道兩幫和頂?shù)装遄冃稳匀粐乐?，局部出現(xiàn)尖頂、底鼓現(xiàn)象。由上述分析可以看出，翻修后軌道下山仍出現(xiàn)全斷面持續(xù)變形、圍巖破碎區(qū)持續(xù)擴大的現(xiàn)象，圍巖松散破碎，圍巖承載能力較低，因此采用目前的支護形式需要對軌道下山進行二次或者多次翻修，顯著增加了翻修巷道圍巖控制難度。

2.2 圍巖變形破壞原因分析

巷道圍巖穩(wěn)定性主要取決于圍巖應力、圍巖性質，以及支護方式和支護參數(shù)。

2.2.1 圍巖應力情況分析

平煤五礦位于平頂山礦區(qū)西部，西部井田最大水平主應力與垂直應力的比值即側壓系數(shù)為 0.60～0.92，地應力以垂直應力為主，屬于自重應力場類型。統(tǒng)計結果表明，井田地應力中垂直應力與埋深之間滿足下列關系[1-4]：

σV=0.0179H+5.5351

(1)

式中，σV為測點垂直應力，MPa；H為測點埋深，m。

隨著埋深的增加，地應力升高，井田地應力中垂直應力和水平應力逐漸增大。軌道下山巷道埋深839～968m，平均903.5m，因此地應力中垂直應力達到21.7MPa，屬于深井巷道。

2.2.2 圍巖巖性及采動影響情況分析

軌道下山位于己組煤層底板泥巖或碳質泥巖巖層中。圍巖碎裂后成為散體，強度較低，屬于深井軟巖巷道。此外軌道下山受兩側工作面的采動應力的影響以及巷道群掘進擾動應力的影響：軌道下山位于采區(qū)中部，巷道兩側的準備巷道較為密集，巷道兩側共布置5條巷道，即西側布置有西翼回風下山和膠帶暗斜井；東側布置有運輸下山、東翼回風下山、進風行人巷，相鄰巷道間距為20～40m。除受到周圍平行巷道的影響外，軌道下山還受到采區(qū)車場等交錯巷道的影響，所以在一定程度上，密集巷道開挖將引起軌道下山巷道圍巖應力升高。

己三下延采區(qū)為雙翼下山采區(qū)，采區(qū)劃分為6個區(qū)段，區(qū)段內布置走向長壁采煤工作面，煤層間實行下行開采。軌道下山位于采區(qū)中部、已16-17煤層底板巖層中。軌道下山距西翼工作面終采線120～150m，距東翼工作面停采線200～300m。目前，位于軌道下山兩側的已組煤層采煤工作面已經(jīng)全部回采結束。軌道下山處于兩側采空的固定煤柱支承壓力長期作用下，巷道圍巖呈現(xiàn)出明顯的流變特性。

2.2.3 支護方式和支護參數(shù)

軌道下山原支護采用錨網(wǎng)噴支護，在高地應力和多次采動應力作用下，圍巖出現(xiàn)了嚴重的變形，說明錨網(wǎng)噴支護方式和支護參數(shù)難以滿足巷道圍巖穩(wěn)定要求。

當出現(xiàn)較大變形后，軌道下山采用了“36U拱形可縮性支架+噴射混凝土”聯(lián)合支護進行翻修，局部地段增加了錨注支護。但是，金屬支架屬于被動支護，不能及時控制圍巖變形，出現(xiàn)局部集中載荷，導致支架承載能力嚴重下降，致使圍巖變形得不到有效控制，惡化了圍巖條件，以致出現(xiàn)“翻修—失修—再翻修—再失修”的惡性循環(huán)。而軌道下山局部采用錨注支護的地段，由于注漿加固后圍巖強度得到較大提高，圍巖承載能力提高，圍巖控制效果得到相應改善，所以巷道翻修時間延長。但由于軌道下山底板未進行支護或加固，錨注支護參數(shù)和支護結構不合理，因此局部地段巷道仍出現(xiàn)尖頂、兩幫內移和底鼓等現(xiàn)象。

綜上所述，圍巖應力高、巖性差且受采動影響，以及錨注支護方式及支護參數(shù)不合理，致使軌道下山圍巖出現(xiàn)嚴重變形破壞。

3 軌道下山圍巖穩(wěn)定控制原則

在采動影響下，平煤五礦采區(qū)軌道下山巷道圍巖變形破壞特征為：①經(jīng)歷掘巷和翻修兩次大的變形后，巷道頂板、兩幫及底板出現(xiàn)了全斷面嚴重變形破壞；②翻修后，巷道圍巖處于峰后破壞區(qū)，圍巖比較破碎，其承載能力大幅度下降，在高應力作用下，巷道圍巖破碎區(qū)仍持續(xù)擴大；③ 當巷道圍巖出現(xiàn)較大變形后，混凝土噴層出現(xiàn)大面積開裂，甚至出現(xiàn)脫落、片幫，錨網(wǎng)噴支護逐漸失效，圍巖穩(wěn)定性降低等現(xiàn)象。

3.1 深部巷道錨網(wǎng)注聯(lián)合支護存在的主要問題

1)普通噴射混凝土存在允許變形量小、抗拉強度較低的缺陷，屬于脆性材料。當允許變形量超過50～100mm，混凝土噴層出現(xiàn)裂縫、破碎、松動和脫落等變形破壞現(xiàn)象，噴射混凝土支護失效。當噴層開裂松散以后極易引起混凝土噴層內部金屬網(wǎng)或鋼筋網(wǎng)腐蝕和混凝土劣化，這是造成錨網(wǎng)注支護失效破壞的主要原因。因此現(xiàn)有噴射混凝土支護已經(jīng)難以適應深部軟巖巷道大變形和長期流變的地質條件。

2)現(xiàn)有錨網(wǎng)支護的金屬網(wǎng)(鋼筋網(wǎng))難以與巷道圍巖密貼，且金屬網(wǎng)網(wǎng)孔偏小，混凝土噴層與巷道圍巖不密實甚至離層，深部軟巖錨網(wǎng)支護性能降低。受金屬網(wǎng)阻擋作用，將圍巖面的凹陷區(qū)域阻擋。當噴射壓力或噴射距離較遠時，噴射混凝土可能堆積在金屬網(wǎng)的外面，在金屬網(wǎng)的內面形成空洞或松散區(qū)。

3)現(xiàn)有的圍巖注漿錨桿一般由普通鍍鋅無縫鋼管加工而成，注漿錨桿沒有預緊力和錨固力，僅僅對圍巖起到注漿加固的作用，起不到錨桿錨固的性能。

3.2 軌道下山圍巖穩(wěn)定控制原則

針對軌道下山巷道變形破壞特征和目前深部巷道聯(lián)合支護中存在的問題，提出了軌道下山圍巖穩(wěn)定控制原則。

1)全斷面支護原則。由于軌道下山出現(xiàn)了頂板、兩幫以及底板的全斷面破壞，僅對頂板和兩幫進行支護，頂板和兩幫的壓力則向底板轉移和釋放，將造成底板破壞。而底板的破壞則會減弱頂板和兩幫的著力基礎，最終引起頂板和兩幫的變形，形成“底板破壞→兩幫破壞→頂板破壞”的圍巖破壞順序。

2)強化圍巖自身承載能力原則。翻修巷道圍巖破碎深度大，承載能力顯著下降，采用U型鋼可縮性金屬支架進行支護，難以利用圍巖自身的承載能力，且金屬支架屬于被動支護，其承載能力有限，加劇了圍巖和支護結構的破壞。通過錨桿支護或注漿加固改善圍巖性質，提高圍巖強度，才能避免在高應力作用下圍巖破碎區(qū)和塑性區(qū)的進一步擴大。

3)柔性噴層支護原則。目前錨網(wǎng)噴支護的金屬網(wǎng)混凝土噴層的柔性較小，當圍巖發(fā)生較大變形時，混凝土噴層易發(fā)生開裂破壞，噴層的支護作用逐漸減弱。通過在混凝土噴射前鋪設鋼絲繩網(wǎng)，特別是通過分層鋪設鋼絲繩網(wǎng)時，能夠有效地提高混凝土噴層的柔性和抗拉強度，提高噴層的密閉和整體支護作用，有效地防止混凝土噴層開裂和脫落。

4 鋼絲繩網(wǎng)錨注支護工業(yè)性試驗

依據(jù)軌道下山圍巖穩(wěn)定控制原則，2011年12月在軌道下山下段進行鋼絲繩網(wǎng)錨注支護工業(yè)性試驗。試驗地段長度200m。試驗地段西翼己17-23220工作面、東翼己17-23190和己17-23210工作面尚未開采。

4.1 巷道翻修施工

基于目前深部巷道錨網(wǎng)注聯(lián)合支護中存在的主要問題，軌道下山采用下列施工法進行翻修：

1)采用光面爆破法甚至風鎬施工成巷，減少對圍巖的擾動，圍巖暴露以后及時進行初次噴射混凝土。

2)巷道圍巖初噴以后，在圍巖懸掛鋼絲繩網(wǎng)，利用金屬錨桿進行固定，之后噴射混凝土；重復掛網(wǎng)噴射混凝土。最終在巷道圍巖形成一定厚度的鋼絲繩網(wǎng)混凝土噴層。選用的金屬錨桿為高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格直徑Φ22mm×2400mm，間排距700mm×700mm。鋼絲繩網(wǎng)為新近報廢的礦用鋼絲繩經(jīng)過無油化處理加工處理，由主副繩編制而成的經(jīng)緯網(wǎng)。將礦用鋼絲繩制作成徑向和環(huán)向單股或雙股的細鋼絲繩，其中細鋼絲繩軸向長度不得小于10m，環(huán)向長度必須橫貫巷道底板除外的整個斷面周長。徑向和環(huán)向細鋼絲繩分為主繩和副繩，主繩為雙股，副繩為單股，單股繩直徑Φ4～10mm。利用錨桿將主繩固定到圍巖表面。巷道圍巖混凝土噴層由各分層細鋼絲繩和分層噴層組成，噴層斷面結構如圖2所示。其中第一、二、三次噴層厚度分別為80mm、60mm、60mm，噴層總厚度200mm。

1—第一層噴射混凝土；1A—第一層錨桿；1B—第一層鋼絲繩；2—第二層噴射混凝土；2A—第二層錨桿；2B—第二層鋼絲繩；3—第三層噴射混凝土；3A—第三層錨桿；3B—第三層鋼絲繩主繩；3C—第三層鋼絲繩副繩；4—第四層噴射混凝土圖2 柔性混凝土噴層結構剖面圖

3)施工巷道底板卸壓槽，改善巷道圍巖應力狀態(tài)，在巷道圍巖中原生裂隙擴張并出現(xiàn)新的次生裂隙，有利于巷道后期圍巖注漿。利用風鎬在巷道底板兩腳開挖卸壓槽。卸壓槽形狀為矩形，深度1.5～2.0mm，寬度800mm。卸壓槽以巷道兩幫邊界線為卸壓槽中心對稱線。卸壓時間在10～15d。卸壓以后利用噴射混凝土將底板卸壓槽重新充填充實。

4)巷道底板卸壓以后，利用自閉式注漿錨桿對圍巖(含底板)進行分次注漿加固，提高注漿效果。首先打淺部注漿孔，安裝注漿錨桿，進行淺部圍巖注漿；淺部圍巖注漿結束以后，打深部注漿孔，安裝注漿錨桿，進行深部圍巖注漿。巷道錨網(wǎng)噴支護以后，滯后對圍巖進行第一次淺孔注漿。淺部注漿錨桿直徑Φ22mm×1800mm，間排距1500mm×1500mm；待注漿液凝固以后，對圍巖進行第二次深孔注漿。深孔注漿錨桿直徑Φ22mm×2200mm，間排距1500mm×1500mm，注漿孔深2500～3500mm，其中超出注漿錨桿以里的部分為裸孔。注漿錨桿與圍巖表面垂直。底角注漿錨桿下扎角度30°～45°。噴射混凝土采用525#普通硅酸鹽水泥，水∶水泥∶沙重量比為1∶2∶2。全斷面注漿錨桿布置如圖3所示。自閉式注漿錨桿結構如圖4所示。該錨桿采用壁厚4mm，6″無縫鋼管制作而成。注漿錨桿直徑Ф22mm。在錨尾螺紋800mm以內的桿體上，按間排距150mm×150mm順序在鋼管上鉆出直徑Φ6mm注漿小孔。注漿材料采用525#普通硅酸鹽水泥漿液。根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗，第一次注漿壓力控制在2.0～ 2.5 MPa，其中底腳注漿錨桿的注漿壓力高于頂板和兩幫圍巖的注漿壓力，一般控制在3.0～ 3.5 MPa。第二次注漿壓力高于第一次注漿壓力，注漿最終壓力穩(wěn)定在3.5MPa。

圖3 軌道下山注漿錨桿(索)布置斷面(mm)

圖4 注漿錨桿結構示意圖

4.2 圍巖控制效果

2011年12月平煤五礦己三下延采區(qū)軌道下山采用鋼絲繩網(wǎng)錨注支護翻修施工以后，軌道下山經(jīng)歷了西翼己17-23220工作面和東翼己17-23190和己17-23210工作面兩側采動影響，當兩側工作面停采以后，軌道下山仍處于較穩(wěn)定變形狀態(tài)。

根據(jù)平煤五礦支護實踐，采用“U型鋼拱形支架+噴射混凝土支護+錨桿(索)”支護等聯(lián)合支護翻修軌道下山巷道后，平均每年需要翻修一次。而采用鋼絲繩網(wǎng)錨注支護翻修試驗段巷道，直到2017年5月巷道才處于失修狀態(tài)，延長了巷道支護時間。采用該支護技術翻修前后巷道支護狀況效果如圖5所示。

圖5 翻修前后軌道下山支護狀況

由此可見，采用鋼絲繩網(wǎng)錨注支護巷道施工技術，明顯減少了巷道翻修次數(shù)，節(jié)約了大量的巷道維修費用，該支護試驗取得了顯著技術經(jīng)濟效益。

5 結 論

1)平煤五礦軌道下山巷道圍巖變形破壞主要原因為圍巖應力高、巖性差且采動影響，以及錨注支護方式及參數(shù)不合理。巷道出現(xiàn)頂板、兩幫及底板全斷面嚴重變形破壞，混凝土噴層出現(xiàn)大面積開裂，出現(xiàn)片幫、錨桿失錨現(xiàn)象，極大的影響了圍巖穩(wěn)定性。

2)針對軌道下山巷道變形破壞特征和深部采區(qū)巷道聯(lián)合支護中存在的問題，提出了全斷面支護、強化圍巖自身承載能力、柔性噴層支護原則，確定了鋼絲繩網(wǎng)、混凝土噴層結構、注漿錨桿和注漿參數(shù)等鋼絲繩網(wǎng)錨注支護有關技術參數(shù)。

3)鋼絲繩錨注支護在軌道下山翻修中進行了工業(yè)性試驗，翻修后軌道下山經(jīng)歷了兩側工作面采動影響后，能夠滿足生產(chǎn)安全需要，現(xiàn)場試驗取得了成功。