軟巖巷道沿空留巷巷道圍巖控制支護(hù)技術(shù)

張國(guó)輝等

摘要：為了研究沿空留巷巷道圍巖的穩(wěn)定性及其控制技術(shù)，基于該類圍巖的變形特點(diǎn)，分析了高應(yīng)力采場(chǎng)巷道穩(wěn)定的影響因素及破壞機(jī)理，提出了一種以預(yù)應(yīng)力錨索為核心的綜合錨固控制技術(shù)；最后，介紹了該綜合控制技術(shù)在實(shí)施過程中應(yīng)注意的幾個(gè)關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：軟巖巷道 沿空留巷 巷道圍巖 預(yù)應(yīng)力錨索 綜合

控制技術(shù)

沿空留巷技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無煤柱護(hù)巷，取消區(qū)段煤柱的應(yīng)力集中現(xiàn)象，是提升煤炭回采率降低巷道掘進(jìn)率重要手段。目前，趙坡煤礦所開采的14層煤在123采區(qū)，為降低生產(chǎn)成本，采用沿空留巷技術(shù)。在施工過程中，按照巷道變形的破壞機(jī)理，進(jìn)而在一定程度上提出：沿空留巷高應(yīng)力采場(chǎng)巷道以預(yù)應(yīng)力錨索為核心的綜合控制技術(shù)。

1 影響沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的因素

通常情況下，影響沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的因素主要包括：地質(zhì)條件、賦存環(huán)境、工程因素三個(gè)方面的原因。

①地質(zhì)條件。通常情況下，礦巖體性質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、產(chǎn)狀等共同構(gòu)成相應(yīng)的礦山地質(zhì)條件。對(duì)于地質(zhì)條件來說，主要是礦體在成礦過程中，或者在成礦后，經(jīng)過一系列的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)進(jìn)而形成的產(chǎn)物。

②賦存環(huán)境。通常情況下，應(yīng)力環(huán)境、地下水環(huán)境和溫度環(huán)境等在一定程度上共同構(gòu)成巷道工程的賦存環(huán)境。對(duì)于賦存環(huán)境來說，通常情況下需要綜合考慮應(yīng)力環(huán)境。與其他隧道和水電等地下工程相比，巷道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)有著本質(zhì)的不同，主要表現(xiàn)在：一方面受原巖應(yīng)力的影響和制約，另一方面受采場(chǎng)應(yīng)力環(huán)境的影響。

③工程因素。巷道斷面形狀、跨度，巷道形式、巷道開挖方式以及巷道的支護(hù)強(qiáng)度等，在一定程度上共同構(gòu)成影響巷道工程穩(wěn)定性構(gòu)成的因素。

2 沿空留巷巷道圍巖的破壞機(jī)理分析

巷道進(jìn)行開挖后，圍巖原有的平衡力狀態(tài)在一定程度上會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，重新分布應(yīng)力狀態(tài)，破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)等的狀態(tài)出現(xiàn)在巷道周邊圍巖中。破碎區(qū)的圍巖產(chǎn)生碎脹變形，巷道開挖空間在一定程度上為圍巖變形能量釋放進(jìn)一步提供了補(bǔ)償空間，使得應(yīng)力進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到深部，進(jìn)而在一定程度上重新構(gòu)建新的平衡狀態(tài)。對(duì)于巷道圍巖來說，其特點(diǎn)是屬于高應(yīng)力軟巖，巷道掘進(jìn)過程中，出現(xiàn)圍巖應(yīng)力的集中，并且圍巖塑性區(qū)、發(fā)展區(qū)比較快，在一定程度上容易導(dǎo)致圍巖發(fā)生變形；巷道掘進(jìn)后進(jìn)入穩(wěn)定期，圍巖在一定程度上依然具有較大的持續(xù)變形，巷道兩幫變形較大，底鼓影響了巷道的整體的穩(wěn)定性能。

3 沿空留巷巷道圍巖的控制支護(hù)原則

3.1 沿空留巷綜合控制技術(shù)的指導(dǎo)思想

3.1.1 通過科學(xué)的措施，對(duì)變形進(jìn)行適當(dāng)?shù)尼尫牛M(jìn)而在一定程度上達(dá)到釋放地壓的目的，主要有4點(diǎn)：

先讓后抗、先柔后剛、二次支護(hù)、控制底鼓。實(shí)踐證明，其準(zhǔn)則通常情況下主要表現(xiàn)為：邊抗邊讓，預(yù)留斷面，二次支護(hù)，固結(jié)圍巖，以及通過加固幫角的方式對(duì)底鼓進(jìn)行控制。

3.1.2 對(duì)巷道圍巖的有害變形進(jìn)行控制

釋放變形，并且在一定程度上同時(shí)進(jìn)行讓壓，在讓壓的過程中，關(guān)鍵是要掌握讓壓的程度。對(duì)于圍巖來說，其讓壓的過程是圍巖降低自身強(qiáng)度的過程，當(dāng)圍巖變形到一定程度后，在一定程度上促使圍巖由彈性體介質(zhì)變?yōu)樗缮⒔橘|(zhì)，進(jìn)而在一定程度上喪失了自穩(wěn)能力，進(jìn)一步造成跨冒。

3.1.3 及時(shí)封底

通常情況下，變形地壓都作用在巷道的各個(gè)部分上，因此，需要對(duì)兩幫和頂板進(jìn)行相應(yīng)的加固處理，并且底板部位是應(yīng)力釋放的薄弱部位。為了對(duì)底板圍巖變形程度進(jìn)行限制，需要進(jìn)行及時(shí)的封底，進(jìn)而在一定程度上形成一個(gè)完整的整體結(jié)構(gòu)，高應(yīng)力軟巖巷道的底鼓的力學(xué)原理通常情況下揭示底鼓，并且由兩幫下沉造成，在底腳圍巖的破壞和水平應(yīng)力的作用下，通常會(huì)造成底鼓，采用傾斜錨桿加固巷道地角，用高速凝材料加固。

3.2 沿空留巷巷道圍巖最大允許位移量的確定

通過有效變形監(jiān)測(cè)，進(jìn)而在一定程度上調(diào)整沿空留巷巷道圍巖的最大允許位移量，同時(shí)選擇最佳的支護(hù)時(shí)機(jī)。圖1和圖2分別表示工程圍巖的時(shí)間-圍巖位移曲線（t-u）和時(shí)間-位移速率曲線（t-v）。

如圖1a所示：獲得相應(yīng)的支護(hù)效果后，隨著時(shí)間的推移，圍巖變形在一定程度上呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，但是超過允許的范圍，在這種情況下增加就會(huì)停止，也就是說某一設(shè)計(jì)位移值是該類工程的圍巖位移收斂點(diǎn)。然而，如圖2所示，在采動(dòng)的影響和制約下，采場(chǎng)巷道圍巖發(fā)生變形，進(jìn)而在一定程度上隨著時(shí)間的增加，其位移和位移速率會(huì)逐漸增加，受采動(dòng)程度的影響和制約，曲線時(shí)而平緩，時(shí)而陡峻。在采場(chǎng)采動(dòng)影響的范圍內(nèi)，圍巖的變形在一定程度上隨著時(shí)間的增加而增加；如圖2b所示，與之對(duì)應(yīng)的圍巖位移速率與永久地下工程之間存在差異。通過上述分析，確定巷道最大允許位移[u]所考慮的因素主要包括：

①巷道允許使用空間。通常情況下，對(duì)于某些軟弱圍巖，以及小斷面巷道等，由于收縮內(nèi)擠，進(jìn)而在一定程度導(dǎo)航導(dǎo)致斷面急劇減小，甚至出現(xiàn)擠死的現(xiàn)象。因此，圍巖變形過大進(jìn)而在一定程度上導(dǎo)致斷面減小，使得使用空間在一定程度上難以滿足人車的通行，以及通風(fēng)等要求，進(jìn)而使得巷道進(jìn)一步失去使用功能。根據(jù)14層煤以往沿空留巷經(jīng)驗(yàn)和頂?shù)装鍘r性分析：[u]=2600-2000=600mm。

②巷道發(fā)生跨冒的臨界位移。對(duì)于“T”、“十”型等巷道來說，由于受力條件不好，在一定程度上受不良爆破影響的巷道，隨變形的發(fā)展圍巖的自穩(wěn)急劇降低，甚至未達(dá)到最大允許位移值的情況下，就發(fā)生相應(yīng)的跨冒。

4 沿空留巷巷道綜合控制技術(shù)的實(shí)施

4.1 進(jìn)行合理的初次支護(hù)

通常情況下，進(jìn)行初次支護(hù)，其目的主要表現(xiàn)在：

①對(duì)裸露圍巖進(jìn)行及時(shí)的封閉，避免出現(xiàn)風(fēng)化或蝕變。

②及時(shí)提供一定的支護(hù)力，進(jìn)一步提高圍巖的自承能力。

③在相適應(yīng)的應(yīng)力條件下，使圍巖進(jìn)行適當(dāng)?shù)刈冃吾尫藕妥寜?。endprint

設(shè)計(jì)初期支護(hù)時(shí)，對(duì)于其強(qiáng)度需要考慮的因素主要包括：

①支護(hù)結(jié)構(gòu)的柔性。對(duì)于支護(hù)的柔性來說，在一定程度上為了起到讓壓的作用，在支護(hù)過程中，確保強(qiáng)度的合理性，避免強(qiáng)度過大，進(jìn)而一定程度上導(dǎo)致柔度不足，受變形地壓的影響，變形破壞就會(huì)發(fā)生。

②初期支護(hù)需要考慮施工工藝。在巷道掘進(jìn)后，需要及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)。

4.2 提高初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度

對(duì)于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載能力來說，通常情況下，一方面與錨桿長(zhǎng)度和間排距有關(guān)，另一方面支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，也就是錨桿與噴網(wǎng)形成的殼體結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。

對(duì)于硐壁的錨桿來說，全長(zhǎng)錨桿剪切應(yīng)力最大的部位主要集中在端部，由于爆破和松動(dòng)變形的影響，硐壁圍巖強(qiáng)度最低，因此，對(duì)于錨桿的剪切摩擦阻力來說，首先硐壁失效，然后向內(nèi)部逐漸發(fā)展，并且在一定程度上以此為“突破點(diǎn)”，甚至整根錨桿將會(huì)失去錨固作用。

4.3 綜合控制技術(shù)的預(yù)應(yīng)力錨索二次支護(hù)

錨索與錨桿相比有著自身的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為：錨固深度大、錨固力大，并且可以施加較大的預(yù)緊力等，通常情況下，是加固困難巷道工程支護(hù)的重要舉措。通過這種錨索，將下部不穩(wěn)定巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層中。對(duì)于錨索來說，其作用主要表現(xiàn)為：將通過錨桿支護(hù)形成的承載層連接與圍巖的關(guān)鍵承載，進(jìn)而在一定程度上阻止因次生承載層失穩(wěn)，造成的頂板落，通常情況下，通過柔性鋼絞線對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行處理。

5 結(jié)語

實(shí)踐證明，以預(yù)應(yīng)力錨索和與之相配套的地壓控制措施，在一定程度上能夠與高應(yīng)力巷道圍巖變形相適應(yīng)，通過合理的讓壓，同時(shí)對(duì)巷道圍巖的有害變形進(jìn)行相應(yīng)的控制，并且及時(shí)進(jìn)行封底等，并且在一定程度上按照巷道允許的位移、使用時(shí)間，以及不同圍巖等原則，進(jìn)而在一定程度上設(shè)計(jì)支護(hù)。

應(yīng)用證明，在控制高應(yīng)力巷道圍巖的變形方面，為探索深部礦山圍巖的控制技術(shù)提供一條思路。

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作者簡(jiǎn)介：

張國(guó)輝（1978-），男，山東棗莊人，助理工程師，從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。endprint