動壓軟巖巷道圍巖變形特征及綜合治理實踐

廖學東，昝趙瓊

(1. 安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001；2. 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

軟巖巷道支護，歷來是巷道工程的難題，尤其是動壓影響下軟巖巷道穩(wěn)定控制問題，更是煤礦安全生產(chǎn)亟待解決的關(guān)鍵性技術(shù)之一[1-2]。國內(nèi)外很多專家學者對動壓軟巖巷道支護問題進行了大量的研究[3-8]，解決了很多現(xiàn)場實際問題，但是由于煤礦井下地質(zhì)環(huán)境的不同，動壓影響下的軟巖巷道的支護問題也變的更加復雜。因此，對動壓軟巖巷道支護問題需要結(jié)合特定的煤礦井下地質(zhì)環(huán)境進行系統(tǒng)的研究，才能提出合理的支護技術(shù)，從而保證煤礦的安全生產(chǎn)。

本文通過對某礦一采區(qū)軌道上山進行現(xiàn)場勘測，分析了該軟巖巷道在動壓影響下圍巖變形失穩(wěn)機理，提出了合理的支護措施，得到了有效的支護結(jié)果，對該礦的安全生產(chǎn)具有重要的意義，同時給類似條件的軟巖巷道及動壓軟巖巷道支護提供參考和借鑒。

1 試驗巷道概況

某礦一采區(qū)布置三條上山，其中軌道上山、運輸上山、回風上山均為巖石巷道，測試段軌道上山埋深為470～520m，巷道平均傾角為10°，試驗巷道總長約290m。 軌道上山為直墻半圓拱形巖石巷道，斷面規(guī)格：凈寬×凈高=4000mm×3400mm，凈斷面11.75m2，原設計采用“錨噴+錨索”聯(lián)合支護，錨桿規(guī)格為Ф×L=22mm×2400mm，株排距=700mm×1000mm；錨索規(guī)格為Ф×L=18mm×6300mm，每排在中頂及腮頰處布置三根錨索，株距為1.6m，排距為1.4m；內(nèi)鋪設鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)采用橫徑×縱徑=6mm×10mm的橢圓鋼加工而成，網(wǎng)格為100mm×100mm；噴射混凝土強度等級為C20，噴厚為100mm。巷道受工作面采動影響，巷道出現(xiàn)不同程度的破壞，頂部出現(xiàn)剪切破壞，漿皮炸開掉落，部分頂部可見金屬網(wǎng)，一些錨桿和錨索失效，兩幫變形量約300～1000mm，頂板變形量約300mm，底鼓量約1200mm，有些地段已返修2～3次，每次返修后，巷道變形量依然較大，無法滿足使用條件。

1 巷道礦壓顯現(xiàn)特點

根據(jù)該礦對該段巷道長期礦壓和巷道表面位移的監(jiān)測結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

1) 巷道圍巖變形量均較大，變形速度快、延續(xù)時間長，存在流變特性。巷道返修后變形速率為10～50mm/d，變形持續(xù)時間一般在4～5個月，甚至更長；圍巖變形量在300～1400mm，尤其是底鼓變形量較大，一般在400～1200mm。該段巷道表面位移變形曲線如圖1所示。

圖1 巷道變形曲線

2) 巷道支護結(jié)構(gòu)大量破壞，頂部漿皮出現(xiàn)剪切破壞，說明巷道圍巖水平應力較垂直應力要大，部分可見金屬網(wǎng)，錨桿、錨索部分失效，巷道修復后效果仍不佳，不能保持長時間穩(wěn)定。

2 巷道圍巖物理力學性能測試

通過對鉆孔巖樣分析，該段巷道兩幫和頂板主要為泥質(zhì)砂巖，底板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖。對巖樣進行實驗室力學試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 巖石力學參數(shù)

由表1可知，泥質(zhì)砂巖試件的單軸抗壓強度最大為29.32MPa，最小為24.19MPa；泥巖試件的單軸抗壓度最強大為19.73MPa，最小為16.64MPa。根據(jù)我國支護專家對煤礦軟巖的分類[1]，軟巖的單軸飽和抗壓強度≤30MPa。因此，試驗結(jié)果表明該段巷道屬于軟巖巷道，且巷道圍巖強度較低。

3 圍巖松動圈測試

目前，圍巖松動圈測試方法有多種，主要有鉆孔電視法、聲波法、多點位移計量測法、地質(zhì)雷達探測法等[9-10]。

本試驗采用鉆孔電視法，利用YTJ-20型巖層探測記錄儀對該段巷道圍巖松動圈范圍進行測定，測定結(jié)果如圖2所示。

圖2 巷道圍巖松動圈大小(單位：m)

由圖2可知，巷道左幫的松動圈范圍在1.9～2.3m，巷道右?guī)偷乃蓜尤Ψ秶?.6～2.2m，頂板松動圈范圍為2.0～2.2m。根據(jù)巷道支護圍巖松動圈分類[1],巷道圍巖松動圈>1.5m時屬于大松動圈圍巖，因此該試驗巷道屬于大松動圈圍巖。巷道左幫松動圈范圍比右?guī)退蓜尤Ψ秶源?，頂板和拱肩松動圈較大。

4 巷道圍巖失穩(wěn)機理分析

根據(jù)研究分析可知，該段巷道圍巖失穩(wěn)機理如下所示。

1)巷道圍巖主要為泥質(zhì)砂巖、泥巖。由于圍巖強度等力學性能較差，在巷道支護結(jié)構(gòu)選擇不合理的情況下，巷道圍巖巖體較易破碎，且變形具有流變特性，當前的支護形式不能有效控制圍巖的變形，進而導致支護破壞。

2)巷道開掘會導致圍巖應力重新分布，巷道周圍會形成范圍或大或小的松動圈，由于工作面開采的動壓影響，圍巖中出現(xiàn)集中應力，集中應力進一步重新分布，在沒有得到有效治理的情況下，圍巖松動圈的范圍進一步擴大，即巷道圍巖內(nèi)破碎巖體的范圍較原來要大，圍巖出現(xiàn)強度衰減的特性，圍巖的力學的參數(shù)也進一步惡化，且巷道如此反復，最終導致支護體破壞失效，巷道失穩(wěn)。

5 工程實踐

5.1 支護方案設計

通過對巷道圍巖失穩(wěn)機理的分析，針對該段巷道，要增加圍巖強度，提高圍巖的自承載能力，同時改進目前的支護形式，有效的控制巷道圍巖的變形，進而防止巷道失穩(wěn)。因此，采用錨網(wǎng)噴+錨索+底板錨桿+全斷面注漿聯(lián)合支護技術(shù)進行返修。

5.2 支護參數(shù)

全斷面均采用高性能左旋螺紋桿錨桿，幫、頂錨桿規(guī)格為Ф×L=22mm×2400mm，株排距=700mm×700mm；底板錨桿規(guī)格為Ф×L=22mm×2000mm，株排距為1000mm×700mm；錨索規(guī)格為Ф×L=18mm×6300mm，每排在中頂及腮頰處布置三根錨索，株距為1.6m，排距為1.4m；兩幫錨索規(guī)格為Ф×L=18mm×4800mm，排距為1.4m，內(nèi)鋪設鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)采用橫徑×縱徑=6mm×10mm的橢圓鋼加工而成，網(wǎng)格為100mm×100mm；噴射混凝土強度等級為C20，噴厚為100mm 。支護結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 巷道支護結(jié)構(gòu)(單位：mm)

5.3 注漿孔布置參數(shù)

巷道沿軸向采用深、淺孔注漿交錯布置方式加固圍巖，先淺孔注漿，后深孔注漿。

5.3.1 淺孔注漿

巷道幫、頂淺孔注漿孔間距1500mm，底板注漿孔間距為1000mm，幫、頂注漿管采用中空特種鋼制成的注漿錨桿，底板采用普通鋼管，規(guī)格均為Φ25mm×1500mm；巷道底角處采用中空特種鋼制成的注漿錨桿，規(guī)格為Φ25mm×3500mm，巷道水溝側(cè)距底板500mm，另一側(cè)距底板300mm，傾斜向下布置，與水平線的夾角30°。注漿材料類型為單漿液，選用P.O 42.5硅酸鹽水泥。水灰比0.8～1.0，注漿壓力控制在1.0MPa左右。注漿孔布置如圖4所示。

圖4 淺孔注漿孔布置(單位：mm)

5.3.2 深孔注漿

巷道幫、頂深孔注漿孔間距1500mm，底板注漿孔間距為1000mm，幫、頂注漿管采用中空特種鋼制成的注漿錨桿，底板采用普通鋼管，規(guī)格均為Φ25mm×3000mm；巷道底角處采用中空特種鋼制成的注漿錨桿，規(guī)格為Φ25mm×3500mm，巷道水溝側(cè)距底板500mm，另一側(cè)距底板300mm，傾斜向下布置，與水平線的夾角30°。注漿材料類型為單漿液，選用P.O 52.5硅酸鹽水泥。水灰比0.5～0.6，注漿初期壓力控制在3.0MPa左右，待注漿一定時間后，調(diào)整注漿壓力至5MPa，并要求穩(wěn)壓 5MPa 10 min以上。注漿孔布置如圖5所示。深、淺孔排距為2000mm，如圖6所示。

圖5 深孔注漿孔布置(單位：mm)

5.4 巷道支護效果

巷道修復后，設4個表面位移監(jiān)測站，利用徠卡手持激光測距儀對圍巖表面變形進行測量。圖7為2#、3#測站巷道表面位移收斂情況。

圖6 深淺注漿孔相對位置(單位：mm)

圖7 修復后巷道表面位移收斂曲線

監(jiān)測結(jié)果顯示：巷道返修后監(jiān)測期間，圍巖變形速率一般在0～1mm/d，最大約2mm/d，頂板變形量為50～80mm，兩幫變形量為 90mm左右，底鼓量為90～100mm，巷道修復后2個月左右圍巖變形趨于穩(wěn)定，巷道整體穩(wěn)定性增強。

6 結(jié)論

1) 分析可知，軟巖巷道力學性能較差，工作面開采等動壓對其影響，巷道圍巖體極易破碎，形成較大的松動圈；在巷道底板沒有支護的的情況下，底臌變形量遠大于頂板變形量和兩幫變形量。

2) 采用錨網(wǎng)噴+錨索+底板錨桿+全斷面注漿聯(lián)合支護技術(shù)，有效減小巷道松動圈的大小，提高巷道圍巖整體性，改善了巷道圍巖力學性能，為錨桿支護提供了有效的著力基礎，達到巷道圍巖和支護結(jié)構(gòu)協(xié)同承載的目的，有效控制了巷道圍巖變形。

3) 在對動壓軟巖巷道進行支護時，首先應了解巷道圍巖力學性質(zhì)及變形特征，然后合理選擇支護結(jié)構(gòu)，使之與巷道圍巖力學特征相適應。

[1] 薛順勛，聶光國，姜光杰，等. 軟巖巷道支護技術(shù)指南[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2002.

[2] 錢鳴高，石平五. 礦山壓力與巖層控制[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

[3] 何滿潮. 中國煤礦軟巖巷道支護理論與實踐[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1996.

[4] 唐芙蓉，王連國，張華磊，等. 動壓軟巖巷道破壞機理及控制技術(shù)研究[J]. 采礦與安全工程學報，2010，27(4)：538-542.

[5] 李學華，楊宏敏，劉漢喜，等. 動壓軟巖巷道錨注加固機理與應用研究[J]. 采礦與安全工程學報，2006，23(2)：159-163.

[6] 柏建彪，王襄禹，賈明魁，等. 深部軟巖巷道支護原理及應用[J]. 巖土工程學報，2008，30(5)：632-635.

[7] 王其勝，李夕兵，李地元. 深井軟巖巷道圍巖變形特征及及支護參數(shù)的確定[J]. 煤炭學報，2008，33(4)：364-367.

[8] 李大偉，侯朝炯. 低強度軟巖巷道大變形圍巖穩(wěn)定控制試驗研究[J]. 煤炭科學技術(shù)，2006，34(3)：34-39.

[9] 宋宏偉，王闖，賈穎絢，等. 用地質(zhì)雷達測試圍巖松動圈的原理與實踐[J]. 中國礦業(yè)大學學報，2002，31(4)：370-373.

[10] 靖洪文，李元海，梁軍起，等. 鉆孔攝像測試圍巖松動圈的機理與實踐[J]. 中國礦業(yè)大學學報，2009，38(5)：643-649.