王曉輝

(開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司，河北 唐山 063109)

0 引言

隨著礦井開采深度的增大，巷道圍巖的應力逐步加大，頂?shù)装遒x存厚度、瓦斯和水文條件也愈發(fā)復雜，給巷道的安全施工和穩(wěn)定支護帶來極大難度[1-2]。其中，開切眼斷面大，跨度大，設(shè)備安裝運營的低變形要求高，一直是支護研究的重點內(nèi)容。以開灤范各莊煤礦為例，深部區(qū)域受埋深、地質(zhì)構(gòu)造與采掘活動影響，圍巖應力分布、頂?shù)装鍘r性與淺部相比差異明顯，局部構(gòu)造分布也較為密集，導致開切眼支護安全受到極大影響。為滿足設(shè)備安裝中的運輸、通風、行人要求，亟需開展錨網(wǎng)索支護技術(shù)升級優(yōu)化。原有常規(guī)29U支架支護方案實施中，因被動支護的強度低，巷道損壞變形嚴重，切眼套修量大，后續(xù)安裝進度受到極大影響。可見，深井復雜條件下，以大斷面、大跨度為特征的切眼巷道支護是業(yè)內(nèi)研究熱點[3-4]，相關(guān)單位探索了預緊錨索[5-6]、錨網(wǎng)噴、注漿錨桿索、錨噴聯(lián)合U型鋼支架等技術(shù)和聯(lián)合支護方案[7-9]，在局部工程取得了較好的技術(shù)效果。然而，不同的地質(zhì)條件下，頂?shù)装鍖游粯?gòu)成、水化性質(zhì)、巖性強度等差異較大，巷道的變形破壞特征有較大差異[10-12]，支護方法和參數(shù)也不盡相同。因而，針對范各莊工程實際，分析查明巷道的破壞機理，確定支護設(shè)計原則，技術(shù)實踐工程適用的錨網(wǎng)索支護參數(shù)，將為切眼支護技術(shù)提供范例和借鑒。

1 大斷面、大跨度切眼巷道支護機理

1.1 圍巖破壞機理

巷道開挖后圍巖的原巖應力平衡狀態(tài)被破壞，淺表區(qū)由三向應力狀態(tài)調(diào)整為二向或低圍壓三向應力狀態(tài)，其自穩(wěn)能力受到削弱，局部應力集中作用下圍巖破壞，進而導致錨固失穩(wěn)的發(fā)生，巷道安全受到極大威脅。而切眼巷道因跨度大，層狀頂板條件下巖層的復合頂受力大，拉應力高，離層斷裂破壞更為典型。在深井切眼支護工程中，開灤傳統(tǒng)應用29U支架較多，被動支護的抗力僅為0.1～0.2 MPa左右，遠小于巖石力學等效圓孔開挖理論計算的穩(wěn)定支護抗力。因此，深井復雜切眼巷道的破壞機理為大跨度的巷道支護抗力不足，而復合的層狀巖板下位受拉、層間粘結(jié)剪應力低是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的客觀原因。

1.2 支護原則

1.2.1 整體性原則

確保支護構(gòu)件和支護圍巖共同作用，當圍巖應力達到峰值前，支護強度匹配發(fā)揮。煤巖有害失穩(wěn)變形因受到支護作用得到抑制，構(gòu)成圍巖與支護的錨固共同體，使支護和圍巖形成的復合體協(xié)同支護，呈現(xiàn)出較大的抗變形能力。

1.2.2 聯(lián)合支護原則

隨著開采深度的不斷增加，大跨度切眼其圍巖穩(wěn)定性差，跨度大，變形大，礦壓顯現(xiàn)越發(fā)明顯，支護與圍巖相互間的關(guān)系比較復雜，大斷面切眼巷道采用單一支護強度不足，難以有效控制圍巖體變形。因此，采用聯(lián)合支護、多種支護方法地強度耦合與協(xié)同作用。

1.2.3 及時支護原則

巷道開掘后，改變了巷道圍巖的應力狀態(tài)，頂板容易離層失穩(wěn)，頂板中部易出現(xiàn)拉應力區(qū)產(chǎn)生拉伸破壞，同時復雜工程的巷道圍巖不能自穩(wěn)，其變形和位移將會造成幫頂冒落，給施工安全和運營維護帶來威脅。因此，必須對揭露頂幫進行及時支護，控制松散破碎圍巖向深部發(fā)展，從而發(fā)揮初期支護的促穩(wěn)作用，實現(xiàn)錨固體的穩(wěn)定承載。

1.3 支護結(jié)構(gòu)

1.3.1 支護結(jié)構(gòu)

根據(jù)切眼巷道變形與受力分析，參照圍巖控制原理及支護原則，確定采用錨、梁、網(wǎng)、索聯(lián)合支護技術(shù)更為合理。該結(jié)構(gòu)將錨桿和錨索支護力聯(lián)合調(diào)動，以托梁大剛度實現(xiàn)高護表強度的發(fā)揮，利于對層狀大跨度頂板的局部強力補強和層間抗剪力的大幅提升，從而形成由錨桿、錨索嵌入抗剪和增阻的錨固受載結(jié)構(gòu)，限制圍巖松動圈的擴展，以實現(xiàn)巷道穩(wěn)定支護目的。

1.3.2 支護機理

錨桿作用控制錨固區(qū)圍巖離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴容、不連續(xù)變形破壞，初錨力和工作錨固力均使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞，保持錨固區(qū)圍巖完整性，避免圍巖強度降低。在錨固區(qū)產(chǎn)生較大的壓應力區(qū)，形成預應力承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層，改善圍巖部應力分布。錨索將錨桿承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，與錨桿有效壓應力區(qū)連接、重疊，形成更大范圍的骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，利于消除或減小錨桿端部的拉應力區(qū)，調(diào)動錨固體的抗壓強度。因深井開切眼服務(wù)周期短，巷道工程要求盡量實現(xiàn)一次支護有效控制圍巖變形，避免二次套修維護。

2 3221S切眼支護技術(shù)實踐

2.1 煤層頂?shù)装迩闆r

3221S切眼巷道設(shè)計斷面8.3×3.7 m2，切眼上下端頭各10 m范圍，斷面8.8×3.7 m2；切眼機組硐室斷面10.3×3.7 m2。煤層頂?shù)装逯饕煞凵皫r和細砂巖構(gòu)成，見表1，直接頂強度24.12 MPa，煤層強度6.0 MPa，直接底強度11.8 MPa，圍巖穩(wěn)定性分類為Ⅲ類，見表2。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor condition of coal seam

表2 圍巖穩(wěn)定性分類Table 2 Classification of surrounding rock stability

2.2 錨梁網(wǎng)索支護參數(shù)

切眼支護采用高預應力錨桿支護系統(tǒng)，頂板以高強螺紋鋼錨桿、金屬菱形網(wǎng)、U型鋼帶組合支護，間隔2排錨桿進行錨索補強，同時在斷層附近增加頂錨桿與錨索密度。

2.2.1 頂錨桿參數(shù)

通過加大錨桿長度，可使上覆的巖層形成更厚的錨桿加固體，利于提高錨桿的初錨力，增強錨桿的支護效果，增強巷道圍巖的穩(wěn)定性。高強度錨桿，可以承載更多的破碎巖石，抵御更大的水平剪切荷載。按照工程類比，確定頂錨桿采用φ22 mm直徑的HRB500高強錨桿，長度2.4 m，間排距0.8 m×0.8 m，金屬菱形網(wǎng)配合厚度4 mm、寬度140 mm的“U”型鋼帶護頂。

2.2.2 護幫錨桿

巷道的兩幫和頂?shù)装迨且粋€相互聯(lián)系的整體，兩幫的失穩(wěn)無論對頂板還是底板而言都是不利的[13]，為加強控制切眼巷道煤體兩幫的變形，北側(cè)回采幫采用φ20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿，南幫采用φ20 mm×2 000 mm的HRB340等強螺紋鋼錨桿，兩幫錨桿間排距0.8 m×0.8 m。塑編網(wǎng)配合φ10 mm圓鋼加工的“H”型鋼帶護幫，當巷幫松軟、片幫時，通過減小錨桿間排距，鋪雙層網(wǎng)進行加強支護。

2.2.3 錨索參數(shù)

基于現(xiàn)場的實際情況調(diào)研與切眼巷道的實際狀況，巷道錨索選用φ21.6 mm×7 500 mm的高強度、低松弛鋼絞線錨索，配合托梁規(guī)格為長500 mm的25U直鋼，間隔方式采用五花眼布置，錨索間距2.2 m，排距1.2 m。在巷道壓力大、變形較嚴重地段加密錨索間距至1.6 m。

3 巷道支護效果

礦壓監(jiān)測是評價錨桿支護安全保障的重要內(nèi)容，也是錨桿支護效果評定的關(guān)鍵指標。范各莊煤礦切眼巷道礦壓觀測采用頂板離層儀觀測與十字測線位移觀測及錨桿索測力計的監(jiān)測手段，其中十字布線圍巖觀測的間距不大于30 m，頂板離層儀間距為30～50 m，3221S切眼巷道共設(shè)置4個測站，離層儀深部3.5 m和淺部1.5 m的離層顯示最大值為24 mm；平均表面位移兩幫136 mm，頂?shù)?6 mm；錨索測力計的最大讀數(shù)為250 kN，錨桿測力計最大讀數(shù)為98 kN。綜上可見，支架安裝前，切眼斷面維護良好，錨桿和錨索支護力效能發(fā)揮約為50%～80%，通過數(shù)據(jù)可以表明位移和離層控制較之原29U支架支護效果明顯。

4 結(jié)論

(1)深井復雜切眼巷道的破壞機理為大跨度的巷道支護抗力不足，而復合的層狀巖板下位受拉、層間粘結(jié)剪應力低是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的客觀原因。

(2)錨桿索主動支護技術(shù)較之29U支架被動支護，利于補強大跨度層狀頂板和提升層間抗剪，形成由錨桿、錨索嵌入抗剪和增阻錨固結(jié)構(gòu)，是切眼巷道支護方法的首選方法。

(3)采用“錨桿+錨索+鋼帶+托梁”構(gòu)成強力錨桿和錨索支護技術(shù)，較好地解決了范各莊煤礦深井切眼巷道的變形失穩(wěn)技術(shù)難題，實現(xiàn)了錨固體效能的高效發(fā)揮并留有儲備，確保了巷道的運營安全，為相似工程條件提供了范例。