邢东矿深部巷道围岩支护技术

刘伟锋，庄 昕，黄成麟

（1.运城职业技术学院 科技产业处，山西 运城 044000；2.河南工程学院 理学院，河南 郑州 451191；3.福州理工学院，福建 福州 350506）

随着我国煤矿开采深度逐年增加，大采深巷道受到高应力的作用，表现出巷道围岩的急剧变形，尤其在极为复杂多变的岩体和应力环境下，巷道围岩的稳定性控制将面临更大的挑战[1]。在深部大变形巷道围岩控制方面，众多学者进行了大量研究。孙利辉等[2]研究深部软岩巷道强烈底鼓发生机理及治理方法，并进行相似模拟试验，提出了巷道底板锚索束+底板深浅注浆的治理方案；康红普等[3]以新汶矿区深井巷道为工程背景，基于实测与数值模拟研究，确定新汶华丰矿-1 180 m回风大巷采用全断面高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合支护加固方式。方新秋等[4]采用锚网索喷+锚注联合支护技术，利用新型专利注浆锚杆，对大巷周围2 m范围注浆，能够有效解决深部软岩高应力动压巷道维护的技术难题，控制大巷变形。刘少伟等[5]以锚杆作用机理为依据，分析了滑移区域内微小单元体的受力特征，提出了滑移型底鼓阻滑控制措施。李季等[6]采空区侧向围岩应力场的主应力方向会发生显著变化，导致深部沿空巷道围岩形成非均匀塑性区，同时在主应力集中及支护体延伸性能弱等主要因素的共同影响下，深部沿空巷道出现非均匀大变形。针对邢东矿-980 m大巷围岩变形严重的实际情况，采用现场观测及理论分析等方式，提出合理的支护技术，起到控制围岩变形和防治底鼓的作用。

1 工程概况

邢东矿设计生产能力为0.6 Mt/a，-980 m水平为二水平，其大巷所处位置埋深约为1 000 m，半圆拱形断面，巷道断面尺寸为3.5 m×4.5 m(宽×高)，巷道采用锚喷支护方式，采用φ22 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，间距和排距均为800 mm；采用φ21.8 mm×8 500 mm的钢绞线锚索支护，间排距2 000 mm×800 mm，初喷与复喷的喷厚均为50 mm。-980 m大巷掘进过后，巷道围岩变形问题较为明显，围岩破坏范围大，巷道底鼓现象尤为严重，支护体破坏严重，局部锚杆索及槽钢破断现象严重。

运用钻孔窥视仪结合现场钻孔柱状图对巷道岩层特征及裂隙分布情况进行分析，大巷围岩钻孔观测结果如图1。可知巷道穿过多个地质层位，岩性主要由煤、灰岩、泥岩和粉砂岩构成，以灰岩为主，其内含泥质且丰富海相动物化石，巷道围岩整体松散软弱，一般比较破碎，且存在纵向裂隙，易于受工程扰动。

图1 大巷围岩钻孔观测结果

2 巷道围岩变形观测分析

由于-980 m水平大巷具有埋深大、高应力的赋存条件，在巷道掘进过后约50 m位置开始，每隔30 m布置1个测点，共布置3个测点进行巷道表面收敛观测，并进行分析，为支护形式、支护参数的确定提供依据。表面收敛观测采用十字交叉法。在-980 m大巷位置设置3个观测站，主要观测顶底板和两帮移近量。经过一定周期的观测，得出-980 m巷道变形量，各测站表面位移量统计表见表1。

由表1可知，第1测点两帮移近量达到了119 mm，上高变形量达到144 mm，下高变形量达到155 mm，即顶底变形量达到299 mm。第2测点的两帮移近量达到了149 mm，上高变形量达到148 mm，下高变形量达到266 mm，即顶底变形量达到414 mm。第3测点中可以得两帮移近量达到了139 mm，上高变形量达到142 mm，下高变形量达到150 mm，即顶底变形量达到292 mm。

表1 各测站表面位移量统计表

通过分析矿压显现观测结果可知：顶底板变形量比两帮变形量大，其中底板变形尤为严重，最大达266 mm；-980 m大巷顶底板变形速率比两帮变形速率大，最大达到2.48 mm/d。根据大巷围岩变形量及变形速率可知，巷道整体围岩变形量较大，尤其巷道底鼓现象较为明显，并且巷道围岩较为破碎。

3 巷道围岩变形支护技术

根据矿井实际情况[7-8]，提出环形支架支护对大巷的围岩整体控制，采用封闭U型钢环形支架和底板组合锚索注浆加固复合支护技术，起到整体支护结合局部补强的大巷围岩支护设计[9-10]。

3.1 环形支架承载能力计算

通过对-980 m水平大巷围岩地质及变形分析，可知，巷道围岩变形量均较大，所以提出长环形钢金属支架支护方案，采用36号U型钢环形支架，通过运用力学分析[11]对环形钢可缩性支架的承载能力进行分析，根据巷道使用需要，几何条件为AB段半径 R=3 100 mm，BC段半径R1=1 000 mm，弧AB角度 α1＝β1/2＝37°，弧 BC 角度 α2＝38°，弧 CD 角度 α3=β2/2=15°，均部压力q。支架结构如图2。

由图2，环形支架结构载荷均对称，因此研究AB、BC、CD 3段即可，对称荷载作用下对称截面上不会存在反对称内力，则A、D截面处剪力为0。通过对AB、BC、CD上的均布荷载向水平方向投影，求出A截面轴力NA，通过均布荷载q在弧AB、BC、CD段水平方向上的投影得到轴力NA为：

式中：FAB为AB段荷载水平方向投影；FBC为BC段荷载水平方向投影；FCD为CD段荷载水平方向投影；q为均布荷载。

图2 环形支架载荷计算类型（均布载荷）

为求得A截面弯矩MA，列出AB、BC、CD段上任意一截面处的弯矩方程及内力表达式，AB段弯矩方程为：

式中：MAB为AB段弯矩；MA为A处弯矩；NA为A处轴力。

式中：NA为A处轴力；NB为B处轴力。

式中：QB为B处剪力；R为AB弧半径。

式中：MB为B处弯矩；MA为A处弯矩。

BC段弯矩方程为：

式中：MBC为BC段弯矩；R1为BC弧半径。

C截面内力为：

式中：NC为C处内力；NB为B处内力。

式中：QC为C处剪力。

式中：MC为C处弯矩。

CD段弯矩方程为：

式中：MCD为CD处弯矩；R为CD弧半径。

式中：ND为D处内力。

式中：QD为D处剪力。

式中：MD为D处弯矩。

设在A截面处作用一单位力偶MO=1时，此时各截面处在其作用下的弯矩均相等：

根据莫尔定理，欲使结构稳定，AB、BC、CD段上由于弯矩使A点所产生的转角应为0，从而：

式中：E为弹性模量；I为惯性矩。

将式（2）、式（5）、式（6）、式（9）、式（10）代入式（14），解得：MA=2.74q。将 MA，NA值代入内力表达式中得到B、C、D截面处的内力分别为：NB=2.20q，NC=1.53q，ND=1.77q；QB=0.68q，QC=0.74q，QD=1.13q；MB=2.04q，MC=1.78q，MD=2.34q。其余对称截面处内力均与A、B、C、D截面内力分别对应相同，弯矩绝对值最大在A点，型钢U36的截面参数为：支架长度L=14.28 m，弹性极限 350 MPa，抗弯截面模量 Wx＝137 cm3，屈服极限520 MPa，截面积A=45.7 cm2，取均布载荷集度q＝1 N/m，那么，最大应力为20.431 kPa。

式中：Wx为抗弯截面模量；A为截面积。

载荷集度增大系数∂为17 131：

式中：σx为弹性极限。

由弹性极限计算得到的支架承载能力p：

单一支架时i=1，p=∂Lq，取均布载荷集度q=1 N/m，支架长度L=14.28 m，得p=244.63 kN。

根据理论计算结果得出长环形U型钢可缩性支架承载能力能够达到244.63 kN，具有很强的承载能力，能够有效地控制邢东矿巷道的围岩变形情况。

通过以上分析可知，当巷道围压比较均匀时，选用全封闭U型钢可缩性支架可有效控制围岩变形，但是如果巷道存在局部变形较大就需要在整体采用U型钢可缩性支架的同时将局部区域进行特殊加固。

3.2 底板组合锚索注浆支护设计

通过巷道观测及围岩移近量可知，巷道底鼓问题较为突出，因此需要对底板进行特殊支护处理，提出底板组合锚索注浆支护设计控制巷道底鼓。

锚索规格φ17.8 mm×10 500 mm，间排距为1 000 mm×2 000 mm，每排 3根锚索，两侧锚索外摆 15°，中心锚索垂直底板布置，每排锚索配用1个工字钢梯子梁，底板锚索组合图如图3，三孔托盘规格为200 mm×200 mm×12 mm，采用φ80 mm孔径钻头打孔。

图3 底板锚索组合图

锚索推入孔底，用水泥、水玻璃双液浆封孔，2 d后采用风动注浆泵压力为6 MPa，按设计水泥浆比例进行深孔高压注浆。注浆后安装托盘索具，对锚索20 MPa张拉力张拉，切断多余的钢绞线。

大采深巷道受到高应力的作用[12-13]，表现出巷道围岩的急剧变形，特别容易出现巷道围岩变形，通过采用封闭U型钢环形支架和底板组合锚索注浆加固复合支护技术能够增加支护体的承载能力，尤其加强底板的局部支护强度，从而有效地控制大采深巷道围岩变形和底鼓[14-15]。

巷道由于埋深大，巷道支护变形较为严重，巷道变形明显的因素是埋深应力大，巷道收缩变形较为严重，因此在采用U型钢配合底板组合锚索注浆支护的基础上配合锚喷支护，不断提高和改善围岩自身强度的主动支护理念，达到改善其支护状况，保证安全生产的目的。喷浆采用初喷与复喷相结合的方式，在巷道扩刷完成后先进行初喷，喷层厚度为30 mm，封闭巷道围岩并作为临时支护，初喷后依旧采用φ22 mm×2 400 mm锚杆，间排距均为800 mm，并采用φ21.8 mm×8 500 mm锚索，间排距2 000 mm×800 mm进行围岩支护。在安设好U型钢环形支架和打好锚杆后进行复喷，厚度为60 mm，之后再进行底板组合锚索注浆支护，作为永久支护。

4 支护效果分析

通过在-980 m水平主暗联巷进行现场工业试验，采用全封闭U型钢环形支架配合底板组合锚索注浆联合锚喷加固支护技术。在试验段主暗联巷中间布置1个深基点观测站，顶板深基点变形曲线如图4，图中可以得出巷道围岩发生位移主要集中在0～1 m和2.5～4 m 范围内，到30 d左右顶板变形趋于稳定。同时布置巷道底鼓变形量观测，试验段大巷底板位移观测图如图5，可知，巷道底板位移量在8个月后，共达到260 mm并趋于稳定。

图4 试验段大巷顶板深基点位移图

图5 试验段大巷底板位移观测图

采用了全封闭U型钢环形和底板组合锚索注浆联合锚喷加固复合支护技术，对巷道变形起到很好的控制作用，围岩平均变形速度大大降低。在观测期间巷道底板未发现明显鼓出，此巷道围岩控制技术能够很好控制围岩变形，保证矿井安全生产。

5 结论

1）通过现场实测得知，巷道整体围岩变形量较大，围岩较为破碎，尤其巷道底鼓现象较为明显，理论分析是由于巷道围岩高应力、支护结构不合理等共同导致巷道围岩破坏变形。

2）通过力学计算分析得出环形支架具有较强的承载能力，提出环形支架进行整体支护、底板组合锚索注浆加固支护技术，并结合锚喷支护技术共同形成复合支护技术，能够有效地控制巷道的变形。