杜龍龍

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000）

隨著淺部煤炭資源的開采殆盡，深部煤炭開采成為必然，然而深部高應力條件下的巖巷支護問題一直沒有得到較好的解決[1-2]。許多專家學者開展了相應的研究。金珠鵬[3]采用數(shù)值模擬和力學分析的方法研究了深部采空應力的演化特征，確定了沿空順槽的支護方案，有效減少了巷道變形；楊東啟[4]針對深部破碎圍巖巷道的控制難題，提出了“架棚+錨桿(索)+注漿”協(xié)同支護方案，取得了較好的控制效果；鞏志力[5]測試了深部軟巖巷道的松動圈范圍，并基于數(shù)值模擬確定了最優(yōu)的支護參數(shù)；王炳延[6]等分析了臨礦集團深部巷道的變形原因，提出了高強錨索和注漿加固的支護方案，控制了巷道變形；孫利輝[7]等基于對深部巷道變形特征的分析，提出了連續(xù)雙殼加固的理念，并在陶二煤礦新南總巷中得到了驗證；馬新世[8]針對深部大斷面巷道的變形嚴重問題，提出了滯后注漿和強力錨索的礦壓控制方案，減少了巷道變形。東龐礦11 采區(qū)軌道巷圍巖變形破壞嚴重，返修周期短，為減少維修成本，開展了巖巷支護技術的研究。

1 概況

1.1 地質條件

冀中股份東龐礦核定生產能力360 萬t/a，屬于煤與瓦斯突出礦井，水文地質類型為中等。礦井主采煤層為2 號煤，煤層厚度為2.5～5.5 m，平均厚度4.3 m，傾角3°～6°，平均4.5°，為近水平煤層。

11 采區(qū)軌道大巷沿煤層底板砂巖掘進，埋深為590 m，巷道設計斷面4 600 mm×3 700 mm（寬×高），直墻半圓拱形。

1.2 初始支護

巷道掘進采用的是錨網索支護，錨桿索參數(shù)見表1。支護完成后對巷道進行噴漿封閉，厚度為120 mm。

表1 巷道支護參數(shù)Table 1 Roadway support parameters

2 巷道變形特征及原因分析

2.1 巷道變形特征

11 采區(qū)軌道巷掘進時間較長，現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，圍巖變形具有以下特征。

（1） 變形量大。巷道頂板出現(xiàn)噴層開裂，底臌嚴重。在上覆2 號煤層工作面回采期間，頂板巖層受擠壓出現(xiàn)錯動，最大頂板下沉量達650 mm，兩幫移近量為900 mm。巷道經歷了多次返修。

（2） 支護體損壞嚴重。巷道頂板多處出現(xiàn)噴層開裂，部分金屬網被扯斷，形成網兜。錨桿索的托盤外翻，部分錨桿索支護體出現(xiàn)斷裂，連接錨桿的鋼帶和梯子梁等斷裂，造成支護失效。

2.2 原因分析

（1） 巷道圍巖性質的影響。現(xiàn)場取樣，對巷道砂巖進行力學參數(shù)測定，結果表明，其單軸抗壓強度23.7 MPa，抗拉強度2.54 MPa，圍巖強度低，自穩(wěn)能力和承載能力差，難以保持長時間穩(wěn)定。

（2） 工作面回采的影響。11 采區(qū)軌道巷上方為21111 工作面，在回采期間變形明顯增大。工作面回采結束后，長期受工作面殘余支承壓力的影響，如果支護強度不足，容易出現(xiàn)大變形。

（3） 其他方面的影響。巷道初始支護錨桿索的間距過大，支護密度低，導致巷道支護阻力不足，另巷道掘進時采用的是炮掘施工，對圍巖的擾動較大。整條巷道采用的是同一支護方式，破碎地點缺少有效的加固措施，返修方式不合理，造成巷道反復破壞。

3 鉆孔卸壓支護設計

3.1 卸壓支護機理

煤礦進入深部開采后，煤巖體長期處于高地應力、高地溫、高滲透壓及強時間效應作用下，其組織結構、基本行為特征和工程響應均發(fā)生了根本性變化，巷道掘出后易表現(xiàn)出非線性大變形特征，支護和維護效果差，往往經歷多次修復仍不能滿足礦井安全生產所需的斷面要求，嚴重制約了深部煤炭資源的安全高效開采。與傳統(tǒng)的錨桿索、架棚等支護不同，卸壓支護技術是通過一定的手段和方法，使得卸壓范圍內的巖體發(fā)生破壞并喪失完整性，從而使得巖體的彈性模量減小，強度下降，有效的減小積聚在圍巖表面的能量并釋放巖體碎脹所產生的圍巖變形，改變高地應力存在的條件，使積聚在巷道周邊的高應力向圍巖深部轉移，使巷道周邊巖體的應力狀態(tài)由高地應力狀態(tài)向低地應力狀態(tài)轉變[9-11]。卸壓方式有鉆孔卸壓、開槽卸壓、松動爆破卸壓、開掘卸壓巷道等多種方式，其中鉆孔卸壓的工作量小，工藝簡單，施工速度快，應用廣泛。

在井下掘進巷道后，巷道淺部圍巖在集中應力的作用下形成松動圈，圍巖受到破壞，但具有一定的參與強度。鉆孔卸壓的原理類似。在煤巖體中施工鉆孔后，鉆孔周邊的煤體應力狀態(tài)發(fā)生改變，當應力高于煤體的強度時，在煤巖體周邊形成環(huán)狀破壞，依次形成破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)等。隨著時間的推移，破裂區(qū)范圍逐漸擴大，促使應力集中向鉆孔深部轉移，由此，原巷道周邊的應力降低，同時鉆孔的施工為巷道變形提供了一定的空間，有利于減少變形。鉆孔卸壓的作用機理如圖1 所示。

圖1 鉆孔卸壓原理Fig.1 Principle of drilling pressure relief

3.2 支護設計

基于鉆孔卸壓機理，結合東龐礦11 采區(qū)軌道巷的地質條件，確定采用強力錨桿索+卸壓鉆孔+二次注漿的聯(lián)合控制方案。

3.2.1 錨桿索支護參數(shù)

返修施工中，首先將巷道擴刷至設計斷面，之后及時進行混凝土初噴，防止圍巖風化裂隙發(fā)育，噴層厚度20 mm。

巷道斷面擴刷完成并初次噴漿后，要緊跟返修工作面進行一次讓壓錨網索支護，如圖2 所示。支護方式為錨桿+讓壓管+網+錨索+噴射混凝土。錨桿為高強度左旋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm，間排距800 mm×800 mm，底角錨桿距底板100 mm，并向下傾斜30°，其余錨桿垂直巷道表面打設。錨桿使用150 mm×150 mm×10 mm（長×寬×厚） 的碟形鋼托板，配套使用減磨墊圈。每根錨桿采用1 支K2335 和1 支Z2360 樹脂錨固劑。錨索規(guī)格為φ21 mm×8 300 m，鉆孔深度8 000 mm，每排3 根，間排距1 500 mm×1 600 mm，配300 mm×300 mm×15 mm（長×寬×厚） 的鋼托板。為增強錨索托板的作用效果，托板下放置一節(jié)長300 mm 的14 號槽鋼，槽鋼的凹槽朝外。錨索使用1 支K2335 和2 支Z2360 樹脂錨固劑。金屬網網孔尺寸為100 mm×100 mm，網片長×寬為3 500 mm×1 000 mm，網片搭接100 mm，每隔200 mm聯(lián)網兩道，幫網與頂板網對接聯(lián)網。同一排錨桿使用φ14 mm 的鋼筋梯子梁連接。

圖2 錨桿索支護方案Fig.2 Anchor cable support scheme

在遇頂板破碎或構造段時，應將錨桿間距縮小至700 mm，并在兩排錨索中間增加2 根錨索，形成“五花”布置。在必要時增加棚式支護，保證巷道穩(wěn)定。

3.2.2 卸壓鉆孔及卸壓槽施工

一次讓壓錨網索支護完成后，滯后支護工作面5～10 m 施工大直徑卸壓鉆孔。依據(jù)合理的卸壓鉆孔參數(shù)，結合現(xiàn)場鉆機性能指標，確定卸壓鉆孔的施工位置為巷幫和頂板，卸壓鉆孔直徑115 mm，長度10 m；每排兩幫各布置2 個鉆孔，兩幫鉆孔間距1 000 mm，排距800 mm；頂板布置單排鉆孔，排距1 600 mm，卸壓鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 卸壓鉆孔布置Fig.3 Layout of pressure relief borehole

幫部卸壓鉆孔施工完畢后進行卸壓槽施工，結合設計巷道斷面，軌道的鋪設要給卸壓槽留出施工的空間，施工時采用放松動炮配合人工開挖。

3.2.3 高水材料注漿加固

待巷道卸壓鉆孔基本處于閉合狀態(tài)后，及時對巷道進行二次高強錨注支護。巷道注漿加固前，對圍巖表面噴射一層30 mm 厚混凝土止?jié){層，待巷道表面混凝土噴層完全硬化后，對巷道全斷面進行注漿加固，注漿孔直徑42 mm，頂幫注漿孔深4 m，底板注漿孔深3 m，注漿孔排距1.6 m，即每兩排錨桿施工一個注漿孔，注漿孔施工時遠離卸壓鉆孔位置，布置在鋼筋梯子梁附近。

注漿材料選用高水材料，水灰比1.5∶1，注漿壓力一般不超過2 MPa，圍巖及破碎區(qū)注漿壓力小于1 MPa，注漿管采用鋼管制作，外徑20 mm，內徑15 mm，壁厚2.5 mm，頂幫注漿管長度2 500 mm，底板注漿管長度2 000 mm，注漿管出漿孔直徑6 mm，尾部加工30 mm 長螺紋，用于連接注漿管路。

3.3 應用效果

為驗證支護效果，在返修段巷道設置測點，采用“十字布點法”對巷道表面位移進行觀測。測點間距為30 m，共設置5 個。其中3 號測點位于中間位置，其觀測結果如圖4 所示。

圖4 巷道變形觀測結果Fig.4 Observation results of roadway deformation

觀測結果表明，整修后的巷道初始變形較為劇烈，變形速度快。但由于巷道已經經歷了多次卸壓，劇烈變形持續(xù)時間較短，10 d 左右巷道變形基本達到穩(wěn)定，進行流變狀態(tài)，變形速度變慢。觀測期內的頂板下沉為46 mm，底臌值為24 mm，兩幫移近量為20 mm。

4 結論

（1） 由于巷道圍巖強度低，21111 工作面回采以及錨桿索支護密度低等原因，11 采區(qū)軌道巷出現(xiàn)了變形大、支護體損壞嚴重的現(xiàn)象，經歷了多次返修，維護成本高。

（2） 在巷道煤巖體中施工鉆孔后，在鉆孔周邊依次形成環(huán)狀分區(qū)破壞，隨著破裂區(qū)的增大，集中應力向深部轉移，原巷道位于應力降低區(qū)內，同時，鉆孔可為巷道提供緩沖，減少變形量。

（3） 結合現(xiàn)場實際條件，確定了強力錨桿索+卸壓鉆孔+二次注漿的聯(lián)合控制方案。應用表明，11 采區(qū)軌道大巷劇烈變形時間短，變形值小，巷道穩(wěn)定，可為類似條件下巷道支護提供參考。