破碎圍巖巷道支護(hù)技術(shù)研究及工程應(yīng)用

凌 濤，王衛(wèi)軍，2，彭文慶，2，姚 廣，郭罡業(yè)，王 金

(1.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭411201;2.湖南科技大學(xué)煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201;3.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭411201)

破碎巖層巷道的圍巖控制是煤礦開采過程中的一個(gè)難題，一般的支護(hù)方式難以維持巷道的穩(wěn)定，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究:王衛(wèi)軍［1］等指出在牛馬司水井頭煤礦采用高強(qiáng)度錨桿、強(qiáng)力錨索和注漿加固圍巖的“高阻讓壓、高強(qiáng)度”支護(hù)方案能有效控制高應(yīng)力極軟破碎巖層巷道的穩(wěn)定;李樹清［2］等針對(duì)斜嶺煤礦破碎巷道提出了先淺部、再深部的“多步注漿”施工工藝，取得了良好效果;趙文華［3］針對(duì)松軟破碎的圍巖提出了一種柔?；炷料锏乐ёo(hù)結(jié)構(gòu)，將柔模混凝土碹體與圍巖形成一個(gè)共同體，以柔?；炷另垠w的剛度和強(qiáng)度抑制圍巖進(jìn)一步的變形和破裂;方新秋［4］等提出先用U型鋼可縮性支架進(jìn)行支護(hù)，后用錨注與錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，該二次支護(hù)方法在薛湖煤礦西翼軌道大巷得到應(yīng)用，控制破碎圍巖變形效果明顯;劉泉聲［5］等針對(duì)顧北煤礦軟巖破碎巷道底臌提出采用混凝土反拱地坪+深淺孔注漿+高預(yù)應(yīng)力組合錨索綜合處置技術(shù)。平煤六礦新建斜井將穿越采空區(qū)，該采空區(qū)覆巖均已破壞垮落，且采空區(qū)內(nèi)積水、積氣也給巷道施工帶來安全隱患，掘進(jìn)工作面面臨條件極其復(fù)雜，先掘后支等常規(guī)的掘進(jìn)技術(shù)已經(jīng)不能滿足冒落破碎中掘進(jìn)的安全要求，為解決這一難題，本文以現(xiàn)有研究成果為基礎(chǔ)［6－11］，提出“先臨時(shí)支護(hù)，后永久支護(hù)”的方案，該方案保證了掘進(jìn)工作面的安全，也解決了采空區(qū)內(nèi)圍巖破碎巷道穩(wěn)定性差的難題。

表1數(shù)值計(jì)算參數(shù)Tab.1 Numerical parameters

1 工程概況

平煤六礦新建皮帶明斜井井口位于工業(yè)廣場(chǎng)老斜井北側(cè)，斜長1 575 m，傾角17°47'，預(yù)計(jì)在斜井斜長為1 020 m的位置將直接揭露丁5－6煤層采空區(qū)，丁5－6煤層已經(jīng)于1993～1995年采過，且斜井下方多處煤層已經(jīng)開采，已采煤層上覆圍巖受到采動(dòng)的影響，使得采空區(qū)鄰近巖層裂隙充分發(fā)育，形成的冒落帶范圍較大，因而采空區(qū)附近圍巖破碎且易冒落，增加了斜井巷道支護(hù)的困難。

通過X射線衍射儀對(duì)該礦圍巖礦物成份進(jìn)行分析可知，該礦巖層中含石英7.5%，珍珠石5.2%，高嶺石79.4%，利蛇紋石3.7%，蒙脫石4.5%，其中含高嶺石、蒙脫石等粘土礦物較多，此種圍巖遇水后容易軟化、膨脹，影響斜井巷道穩(wěn)定。

2 “三帶”確定的數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

本次模擬采用FLAC3D進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖和計(jì)算研究的需要，模型的邊界條件為:下邊界的位移為零;左、右、前、后邊界采用水平構(gòu)造應(yīng)力;上邊界為自由邊界。為了提高安全系數(shù)，在本次分析中側(cè)壓系數(shù)定為1。根據(jù)地質(zhì)及相關(guān)資料，圍巖采用摩爾－庫侖(Mohr－Coulomb)屈服準(zhǔn)則。礦體和主要巖層的力學(xué)參數(shù)列于表1所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

由圖1～圖2的計(jì)算結(jié)果可知，丁5－6煤層采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力整體分布較為均勻，采空區(qū)上方有一定程度的應(yīng)力釋放，但釋放范圍不大，這是由于采空區(qū)上方的垮落巖石被壓實(shí)應(yīng)力重新分布而引起的;采空區(qū)中央巖層位移較大，直接影響明斜井開挖巖層的穩(wěn)定，影響的范圍主要位于明斜井斜長為980～1 150 m左右，這段巖層主要集中表現(xiàn)為采空區(qū)引起的冒落帶和裂隙帶。

3 支護(hù)方案的確定

3.1 支護(hù)原理

目前巷道支護(hù)大多在傳統(tǒng)的支護(hù)方式上通過優(yōu)化支護(hù)參數(shù)和加大支護(hù)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定，如錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)、U型鋼支護(hù)、錨注支護(hù)等支護(hù)技術(shù)，主要圍繞提高圍巖強(qiáng)度、合理支護(hù)技術(shù)和減小圍巖應(yīng)力等方面進(jìn)行支護(hù)［12］。不同于一般的巖層巷道，破碎巖層圍巖由于煤層開采導(dǎo)致覆巖破壞嚴(yán)重，形成了較大的破碎區(qū)和塑性區(qū)，加上周圍煤層開采采動(dòng)的影響，巖體強(qiáng)度較低。因此此類巷道的圍巖控制首先要阻止破碎巖體的垮落，其次要提高圍巖自身強(qiáng)度，加強(qiáng)自承能力。

文章在此引入“雙殼支護(hù)”的概念［12－13］，并拓展其內(nèi)涵，本文中“表面承載殼”指具有“高強(qiáng)度、大剛度”的支護(hù)方式形成的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)，“內(nèi)部承載殼”是指注漿體。當(dāng)巷道掘進(jìn)時(shí)，先通過巷道表面承載殼阻止破碎圍巖的垮落，控制塑性區(qū)和破碎區(qū)范圍擴(kuò)大，然后通過注漿對(duì)破碎圍巖進(jìn)行修復(fù)，提高圍巖的殘余強(qiáng)度，形成巷道內(nèi)部承載殼。巷道圍巖表面和內(nèi)部形成兩個(gè)殼體共同形成支護(hù)結(jié)構(gòu)，既能抵御巷道深部的高應(yīng)力作用，又能阻止巷道表面圍巖進(jìn)一步破碎，另外，在兩層殼體之間的柔性層還可以吸收圍巖深部高應(yīng)力對(duì)巷道作用后產(chǎn)生的變形能，起到讓壓的作用，整體上增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)抗變形能力，提高了巷道的穩(wěn)定性。

3.2 支護(hù)效果的數(shù)值模擬

為了保證支護(hù)效果，采用FLAC3D軟件模擬了4種支護(hù)方案的效果，方案一是無支護(hù);方案二是錨桿+錨索支護(hù);方案三是全斷面U型鋼支護(hù);方案四是全斷面U型鋼+混凝土澆筑+壁后注漿支護(hù)。結(jié)果如圖3所示:

從圖3的位移云圖可知，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，巷道各部位變形逐漸變小(如表2)，由于采空區(qū)圍巖較為破碎，無支護(hù)的條件下巷道各部位變形量最大，方案四在方案二和方案三的基礎(chǔ)上進(jìn)行了壁后注漿和混凝土澆筑，巷道穩(wěn)定性明顯改善，這說明方案四有利于巷道的穩(wěn)定，特別是進(jìn)行注漿后，提高了巖體的整體性和承載能力。

表2不同支護(hù)方案巷道變形量Tab.2 Deformation of roadway by different support scheme

3.3 支護(hù)方案及參數(shù)

根據(jù)巷道破壞變形的特點(diǎn)及支護(hù)原理，新建斜井的支護(hù)主要圍繞以下幾點(diǎn)展開:一加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度，阻止破碎區(qū)范圍擴(kuò)大;二修復(fù)圍巖，提高破碎圍巖承載能力;三封閉圍巖，防止圍巖遇水軟化、膨脹。

根據(jù)相似模擬、數(shù)值計(jì)算及理論分析的結(jié)果，確定如下支護(hù)方案:

(1)金屬網(wǎng)。金屬網(wǎng)為Ф6 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，規(guī)格為1 000 mm×800 mm;金屬網(wǎng)接茬處必須有鋼筋梯子梁將其上緊并緊貼巖面，網(wǎng)間搭茬長度不少于100 mm，鋼筋梯子梁由直徑12 mm圓鋼焊制而成。

(2)全斷面U型鋼+底拱連鎖梁。采用帶底拱的U36型鋼支架剛性連接;相鄰底拱之間采用三道長度為1 m的U36型鋼底盤連接，用Φ16 mm×180 mm的螺栓固定在底拱上，用卡纜固定底盤;每架棚子八道拉桿，支架間距為500 mm;全斷面鋪設(shè)直徑為4 mm，規(guī)格為40 mm×40 mm的編制網(wǎng);木背板規(guī)格:850 mm×100 mm×30 mm，間距500 mm。

(3)澆筑混凝土。厚500～671 mm，立模澆筑，混凝土強(qiáng)度C30。

(4)壁后注漿。注漿孔長度為3 m，其中頂拱注漿孔的間排距為2 100 m×2 100 m;幫部注漿孔的間排距為2 100 m×2 100 m，注漿材料采用水泥－水玻璃雙液漿。

4 控制效果及監(jiān)測(cè)分析

為驗(yàn)證支護(hù)方案的合理性和可靠性，項(xiàng)目組成員對(duì)斜井巷道特別是穿越采空區(qū)地段的位移變形情況進(jìn)行了長達(dá)220天的觀測(cè)。

由圖4可知，支護(hù)初期巷道位移變形較大，50天以后變形速率趨于穩(wěn)定，圍巖變形能得到較好地控制，其中頂?shù)装逡平繛?7 mm，兩幫移近量26 mm。結(jié)果表明:本項(xiàng)目組提出的支護(hù)方案在斜井穿越采空區(qū)段圍巖進(jìn)行支護(hù)后，巷道支護(hù)效果較好，其變形量較小，符合生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

1)丁5－6煤層開采后覆巖破壞嚴(yán)重，其保護(hù)煤柱周圍屬于應(yīng)力增高區(qū)，對(duì)于此類巷道圍巖的支護(hù)，應(yīng)盡力維護(hù)圍巖的整體完整性，提高圍巖的自承能力，形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與外部支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠良好的協(xié)調(diào)工作。

2)確定了“金屬網(wǎng)+全斷面U型鋼+底拱連鎖梁+澆筑混凝土+壁后注漿”的高阻剛性支護(hù)方案，很好的解決了采空區(qū)圍巖松散，自承載結(jié)構(gòu)能力差的圍巖控制技術(shù)難題。

3)“先臨時(shí)支護(hù)，后永久支護(hù)”的方式能確保巷道掘進(jìn)過程安全，可供類似掘巷工程借鑒。

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