高應(yīng)力軟巖巷道變形與破壞機(jī)制及返修控制技術(shù)

余偉健,王衛(wèi)軍,黃文忠,吳 海

(1.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;2.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院,湖南湘潭 411201;3.豐城曲江煤炭開發(fā)有限責(zé)任公司,江西豐城 331136)

YU Wei-jian1,2,WANG Wei-jun1,2,HUANG Wen-zhong3,WU Hai1,2

(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines,Hunan University of Science and Technolgy,Xiangtan 411201,China; 2.School of Energy and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;3.Qujiang Coal Developing Co.,Ltd., Fengcheng 331136,China)

高應(yīng)力軟巖巷道變形與破壞機(jī)制及返修控制技術(shù)

余偉健1,2,王衛(wèi)軍1,2,黃文忠3,吳 海1,2

(1.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;2.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院,湖南湘潭 411201;3.豐城曲江煤炭開發(fā)有限責(zé)任公司,江西豐城 331136)

針對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道的大量變形與破壞問(wèn)題,以江西曲江煤礦－850 m水平運(yùn)輸大巷為例,研究了變形機(jī)理和返修控制技術(shù)。首先,對(duì)該大巷的變形及破壞情況選取7個(gè)具有代表性的地段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)變形與破壞形式主要包括兩幫內(nèi)擠、側(cè)墻張裂、U型鋼棚架彎曲或折斷、底板鼓起和頂板垮落等;進(jìn)行了X衍射實(shí)驗(yàn)和圍巖內(nèi)部變形結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)窺視,表明該巷道圍巖含泥質(zhì)礦物較多,松動(dòng)圈較大(4 m左右)。然后,采用巴頓分類Q值、地質(zhì)力學(xué)RMR值和松動(dòng)圈估計(jì)值等將－850 m水平運(yùn)輸大巷的各調(diào)查段巷道穩(wěn)定性歸為Ⅴ,Ⅳ和Ⅲ類,相應(yīng)地將這3類巷道稱為垮冒巷道、特殊巷道和標(biāo)準(zhǔn)巷道,并給出了初步支護(hù)方案。最后,借助于工程類比、圍巖分類、截面面積校核和提出的錨固段長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)公式等方法得到了返修巷道錨索(錨桿)的長(zhǎng)度、間排距、強(qiáng)度、直徑和錨固段長(zhǎng)度等主要參數(shù)。由此,－850 m水平運(yùn)輸大巷試驗(yàn)段巷道選取了“錨桿、金屬網(wǎng)、噴漿、錨索、注漿和底板錨索”的綜合支護(hù)方式。應(yīng)用表明:經(jīng)過(guò)147 d,巷道兩幫收斂量最大值僅為66 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾祪H為119 mm,監(jiān)測(cè)后期的收斂速率均小于1 mm/d,處于穩(wěn)定狀態(tài)。

高應(yīng)力;軟巖巷道;變形機(jī)理;返修;支護(hù)設(shè)計(jì)

高應(yīng)力軟巖巷道的大變形機(jī)理及控制是目前各煤礦進(jìn)入深部開采所面臨的不可避免也是非常重要的科學(xué)問(wèn)題之一,因此,國(guó)內(nèi)外許多工程技術(shù)人員和專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究,取得了較多成果,例如:在支護(hù)設(shè)計(jì)上提出了非線性及耦合設(shè)計(jì)和分步聯(lián)合支護(hù)[1－4];在控制技術(shù)上提出了預(yù)留剛隙柔層支護(hù),注錨加固和錨噴注支護(hù),拱形疊加底拱全封閉工字鋼支架,高強(qiáng)度耦合支護(hù)技術(shù)和剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)加固技術(shù)[5－9];在理論上提出了主動(dòng)有控卸壓控制原理和深部軟弱圍巖疊加拱承載體強(qiáng)度理論等[10－11]。但從許多礦區(qū)深部巷道(特別是服務(wù)年限較長(zhǎng)的主運(yùn)輸巷道或硐室)的使用情況來(lái)看,仍有大量巷道工程需要進(jìn)行返修,維護(hù)費(fèi)用成倍增大,而且極大地影響了礦井的正常生產(chǎn)。

江西曲江煤礦－850 m水平運(yùn)輸大巷是典型的深部高應(yīng)力巷道[12],圍巖變形大,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),整條巷道進(jìn)行了多次返修工作,但仍不能從根本上解決問(wèn)題,阻礙了深部水平煤層的大力開發(fā),這對(duì)于本來(lái)就缺乏煤炭資源的江西是非常不利的?？v觀國(guó)內(nèi)外,目前關(guān)于返修巷道的控制,大多以“錨桿+錨索”聯(lián)合支護(hù)為主,采用注漿(錨注)、U型鋼支架、鋼梁桁架等進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)[13－18]。這些技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了較好的效果,為煤炭科技進(jìn)步、提高生產(chǎn)率和改善施工環(huán)境發(fā)揮了重要作用。但隨著開采深度的繼續(xù)加大,這些技術(shù)如何組合、參數(shù)如何優(yōu)化及施工如何實(shí)施是關(guān)系到支護(hù)效果的關(guān)鍵。

因此,本文主要針對(duì)高應(yīng)力軟巖大變形巷道,以曲江煤礦為例,研究其變形機(jī)理,并提出返修支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程及技術(shù)。

1 巷道工程概況及變形情況

1.1 巷道工程

曲江煤礦－850 m水平運(yùn)輸大巷埋深886 m,巷道圍巖的巖性為泥巖或粉砂質(zhì),呈灰黑色、薄～中厚層狀,并間夾著薄層狀泥巖及細(xì)砂巖條帶,含少量菱鐵礦結(jié)核。該地層產(chǎn)植物根莖化石,節(jié)理發(fā)育,鈣泥質(zhì)膠結(jié),硬度中等偏低。具體柱狀圖如圖1所示,－850 m水平運(yùn)輸大巷布置在第3層巖層當(dāng)中。對(duì)工程影響較大的有DF4,DF5,DF9和BF1等正斷層,落差為0～50 m。

圖1 曲江煤礦－850 m水平巖體柱狀圖Fig.1 Rock mass histogram of－850 m level in Qujiang Coal Mine

－850 m水平運(yùn)輸大巷為半圓拱形,凈寬×凈高= 4.4 m×3.5 m。主要支護(hù)形式及參數(shù)如下:－850 m運(yùn)輸大巷采用錨、梁、網(wǎng)、索、噴組合支護(hù),支護(hù)材料為等強(qiáng)度螺紋鋼?20 mm×2 000 mm的錨桿,鐵絲網(wǎng),梯子梁,錨桿間排距為700 mm×700 mm;每根采用2卷樹脂錨固劑錨固,錨固劑型號(hào)K2335,網(wǎng)為8號(hào)鐵絲機(jī)編菱形網(wǎng),網(wǎng)的規(guī)格(長(zhǎng)×寬)為3.6 m×1.9 m,網(wǎng)間搭接100 mm以上,并用14號(hào)鐵絲每隔20 mm綁扎;梯子梁?10 mm×80 mm;噴漿所用水泥為425號(hào)普通硅酸鹽水泥,厚度為100 mm。

1.2 巷道變形及破壞情況

為－850 m水平運(yùn)輸大巷的延伸段掘進(jìn)與返修的加固提供依據(jù),對(duì)該巷道變形與破壞情況進(jìn)行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)圍巖的主要變形與破壞有如下幾種形式:

(1)由于水平側(cè)壓力大,引起兩幫內(nèi)擠嚴(yán)重,導(dǎo)致側(cè)墻張裂嚴(yán)重。當(dāng)兩側(cè)墻間的收斂值超過(guò)50 mm后,側(cè)墻向內(nèi)鼓進(jìn),出現(xiàn)縱向張裂。同時(shí),當(dāng)拱頂擠碎或剪斷、內(nèi)擠張裂的同時(shí),支護(hù)拱頂向上變成尖桃形或在拱心部位剪碎。如果兩幫變形大,會(huì)最終導(dǎo)致片幫嚴(yán)重,噴層與圍巖之間形成空腔,鋼筋網(wǎng)強(qiáng)烈扭曲、噴錨掛網(wǎng)扭曲或被拉斷,噴層破碎成許多小塊,圍巖被擠出而外露,如圖2所示。

圖2 兩幫變形實(shí)物Fig.2 Deformation situation of sides

(2)巷道頂部的變形破壞。處于高應(yīng)力作用下,當(dāng)巷道頂部因上覆巖層壓力大而發(fā)生較大下沉,可使錨桿、混凝土噴層、混凝土襯砌甚至可縮性鋼棚架部分或完全失效而破壞;另外,由于在水平擠壓力的作用下,拱頂向上產(chǎn)生較大位移,同樣使巷道支護(hù)因不適應(yīng)這種大位移而發(fā)生破壞。而且由于兩幫移近量較大導(dǎo)致的拱頂尖桃形破壞明顯。具體變形實(shí)物如圖3所示。

(3)底臌引起的底板和底角破壞。在強(qiáng)大的壓力作用下,在未封底或設(shè)置仰拱的圍巖產(chǎn)生較大的底臌變形,巷道的底臌量大于500 mm,甚至達(dá)1 000 mm,導(dǎo)致巷道兩側(cè)不平嚴(yán)重者使混凝土底板發(fā)生強(qiáng)烈破壞,表現(xiàn)為混凝土底板從中部或兩端被掀起。而在封底或設(shè)置仰拱時(shí),在高應(yīng)力作用下,表現(xiàn)為巷道底角移近量大,全斷面拱架底部鼓起而變形、彎曲破壞。具體如圖4所示。

(4)巖體碎脹變形嚴(yán)重,導(dǎo)致部分巷道拱頂及兩幫圍巖松散,常發(fā)生垮冒、垮落和較大范圍的片幫。在高應(yīng)力和時(shí)間雙重因素的影響下,所產(chǎn)生的碎脹壓力不斷向支護(hù)結(jié)構(gòu)體施加荷載,最終導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生大變形;同時(shí),隨著時(shí)間的增長(zhǎng),圍巖擴(kuò)容的范圍也在不斷擴(kuò)大,當(dāng)達(dá)到某一值后,支護(hù)結(jié)構(gòu)再也承受不了這種壓力而產(chǎn)生破壞,導(dǎo)致松動(dòng)巖體產(chǎn)生大面積片幫、垮落,甚至垮冒等現(xiàn)象。如圖5所示。

圖3 頂板變形實(shí)物Fig.3 Deformation situation of roof

圖4 底板變形實(shí)物Fig.4 Deformation situation of floor

1.3 圍巖特性及內(nèi)部變形特征

通過(guò)X射線衍射儀對(duì)圍巖礦物成分進(jìn)行了分析,結(jié)果見表1?？芍?該巷道圍巖含高嶺石和云母等黏土礦物較多,遇水后極易軟化、泥化,嚴(yán)重影響巷道的穩(wěn)定,強(qiáng)度較低。

在－850 m水平運(yùn)輸大巷進(jìn)行了窺視孔的試驗(yàn),結(jié)果表明在兩幫孔口到孔內(nèi)70～90 cm的巖體完整,在70～150 cm的范圍內(nèi)極為破碎,在100～310 cm內(nèi)較為破碎,在300～410 cm范圍內(nèi)有裂隙產(chǎn)生, 410 cm后巖體整體性較好,這說(shuō)明松動(dòng)圈在4 m左右。結(jié)果如圖6所示。

圖5 拱頂發(fā)生垮冒Fig.5 Collapsing of vault

表1 曲江煤礦-850 m水平運(yùn)輸大巷圍巖礦物成分Table1 Mineral composition of-850 m level rock mass %

圖6 曲江煤礦－850 m水平運(yùn)輸大巷圍巖窺視結(jié)果Fig.6 Results of internal failure detection test

2 圍巖變形機(jī)理及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 巷道失穩(wěn)原因及機(jī)理分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,造成－850 m水平運(yùn)輸大巷變形和破壞程度嚴(yán)重的主要原因?yàn)橐韵?個(gè)方面:

(1)工程地質(zhì)條件差,圍巖極不穩(wěn)固。該巷道巖體不僅節(jié)理裂隙發(fā)育,而且蝕變強(qiáng)烈,裂隙內(nèi)充填含有膨脹礦物的黏土,表現(xiàn)為巖體遇水膨脹,巖體整體強(qiáng)度低,在應(yīng)力作用下,表現(xiàn)出顯著的碎脹蠕變特性。

(2)埋藏深度大,巷道圍巖所受壓力大。－850 m水平運(yùn)輸大巷埋深約為886 m,垂直地應(yīng)力超過(guò)22 MPa。這表明巷道處于高應(yīng)力環(huán)境中。調(diào)查發(fā)現(xiàn),巷道許多地段的拱頂在水平應(yīng)力作用下,形成明顯的2條剪切破碎帶;而且許多地段在開挖支護(hù)不到2個(gè)星期,收斂變形達(dá)500mm,底臌最大達(dá)1 000 mm,U型鋼拱架嚴(yán)重變形或折斷,錨桿墊板受拉后,脫離錨桿的現(xiàn)象隨處可見,這是巷道變形地壓大,圍巖碎脹蠕變特性顯著的重要顯現(xiàn)。

(3)設(shè)計(jì)支護(hù)形式不能適應(yīng)圍巖變形要求。－850 m水平運(yùn)輸大巷設(shè)計(jì)不僅沿用傳統(tǒng)的支護(hù)形式、斷面形狀,而且支護(hù)參數(shù)均非常單一,限于噴錨網(wǎng)索和U型鋼支護(hù),這顯然不能適應(yīng)深部巷道地壓與圍巖變形特性。

(4)無(wú)變形監(jiān)測(cè)及信息反饋,缺乏對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)的合理評(píng)價(jià)與施工過(guò)程的調(diào)整。對(duì)于處于高應(yīng)力環(huán)境中－850 m水平運(yùn)輸大巷工程,基本上沒(méi)有在施工中采取變形監(jiān)測(cè),更沒(méi)有對(duì)圍巖穩(wěn)定狀況進(jìn)行及時(shí)反饋,因此,支護(hù)參數(shù)和二次支護(hù)時(shí)間得不到合理的調(diào)整和確定。

(5)施工管理不嚴(yán),施工質(zhì)量難以保證。施工所雇勞務(wù)隊(duì)技術(shù)力量薄弱,質(zhì)量意識(shí)不強(qiáng),對(duì)施工用料質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán),施工過(guò)程控制不夠,以致于出現(xiàn)噴層厚度不夠、不均,光爆效果不好,超寬超挖現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生;另外,由于鏟運(yùn)設(shè)備影響,運(yùn)料出毛不及時(shí),不能及時(shí)進(jìn)行二次支護(hù)。

因此,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和觀測(cè),曲江煤礦－850 m水平運(yùn)輸大巷雖然采用“螺紋樹脂錨桿+噴混凝土”的支護(hù)技術(shù),甚至是U型鋼拱支架,但圍巖變形仍然很大。

2.2 巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

－850 m水平運(yùn)輸大巷圍巖的巖性為泥巖或粉砂質(zhì),巖體破碎,并受到DF4和DF5等多條斷層的影響,為了對(duì)該巷道進(jìn)行返修支護(hù)技術(shù)提供依據(jù),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)窺視和調(diào)查等分析結(jié)果,將所調(diào)查的地段圍巖進(jìn)行了工程地質(zhì)評(píng)價(jià),得到穩(wěn)定性的初步評(píng)價(jià),具體見表2。

表2 曲江煤礦-850 m水平運(yùn)輸大巷圍巖穩(wěn)定性初步評(píng)價(jià)Table 2 Surrounding rock stability preliminary evaluation of-850 m main haulage way

3 高應(yīng)力軟巖大變形巷道返修技術(shù)

3.1 高應(yīng)力軟巖大變形返修巷道分類

返修巷道的支護(hù)設(shè)計(jì),支護(hù)參數(shù)與施工工藝與新掘巷道有所不同,要考慮返修巷道的特點(diǎn),采取相應(yīng)的對(duì)策,具體見表3。在此,主要說(shuō)明如下3點(diǎn):

(1)長(zhǎng)錨索支護(hù)參數(shù)不能再采用新掘巷道圍巖分類,確定巷道支護(hù)參數(shù)。由于返修巷道存在上述的原因,所以對(duì)返修地段的支護(hù)設(shè)計(jì),應(yīng)根據(jù)圍巖的松動(dòng)范圍來(lái)確定錨索的長(zhǎng)度。

表3 返修巷道類別及支護(hù)建議Table 3 Stability category and supporting projects of rework roadway

(2)應(yīng)采用預(yù)緊力錨桿和錨索,減小圍巖的松動(dòng)變形。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生充分變形或過(guò)量變形的圍巖,預(yù)緊力顯然是重要的。新掘巷道雖然在有些情況下也需施加預(yù)緊力,因?yàn)橐紤]到應(yīng)允許新掘巷道一定的變形釋放地壓。但是,由于返修巷道已經(jīng)不能再允許變形,所以無(wú)預(yù)應(yīng)力錨桿的加固效果必然較差。

(3)采取壁后注漿,提高已破碎圍巖的自身承載能力。因此,根據(jù)巷道圍巖工程地質(zhì)條件與破壞情況,返修巷道按其穩(wěn)定性與支護(hù)強(qiáng)度可歸類為3種類型的巷道:

①垮冒巷道(Ⅴ類)。由于地質(zhì)條件較差,加之施工不合理,導(dǎo)致圍巖過(guò)量變形已發(fā)生垮冒,返修時(shí)應(yīng)專門處理。

②特殊巷道(Ⅳ類)。該地段巷道雖然還沒(méi)有發(fā)生垮冒,但是,如果返修擴(kuò)幫擾動(dòng),處理不及時(shí),極大可能導(dǎo)致巷道垮冒。因此,在返修時(shí)應(yīng)特別加以注意,必要時(shí)要采取一些特殊措施,以防發(fā)生垮冒。

③標(biāo)準(zhǔn)巷道(Ⅲ類)。除了上述2種情況之外的都屬于標(biāo)準(zhǔn)巷道。該地段的巷道雖然存在時(shí)間較長(zhǎng),圍巖也產(chǎn)生有害的松動(dòng)變形,但圍巖工程地質(zhì)條件相對(duì)較好。因此,圍巖相對(duì)較為穩(wěn)定。

3.2 返修巷道支護(hù)設(shè)計(jì)基本方案

根據(jù)對(duì)返修巷道的地質(zhì)條件分析、地壓顯現(xiàn)特征調(diào)查以及巷道破壞形態(tài)的研究,并借鑒巷道支護(hù)設(shè)計(jì)研究成果與工程經(jīng)驗(yàn),同時(shí)考慮到施工工藝簡(jiǎn)單易行,便于管理,返修巷道采取“預(yù)應(yīng)力錨索+錨噴網(wǎng)+注漿”。該支護(hù)方案由以下幾個(gè)部分組成:

(1)高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索。高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索是此次變形巷道返修的核心。長(zhǎng)錨索是考慮到－850 m水平運(yùn)輸大巷的地壓大、巖性差,圍巖的松動(dòng)圈和塑性圈較大,僅靠2.0 m的短錨桿支護(hù)難以控制圍巖變形,常出現(xiàn)“圍巖走、錨桿也走”的情況。因此,必須采用長(zhǎng)錨索,將已經(jīng)松動(dòng)的圍巖懸吊在深部較穩(wěn)定的圍巖上;同時(shí),施加高強(qiáng)度預(yù)緊力,從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性。錨索的強(qiáng)度由原來(lái)的?15.24錨索更換成?17.8錨索。

(2)高預(yù)緊力錨桿與錨噴網(wǎng)。提高錨桿的強(qiáng)度和預(yù)緊力,達(dá)到高預(yù)緊力錨桿與錨噴網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)。其目的在于在松動(dòng)的圍巖巷壁形成一剛?cè)峒嬗械臍んw,將松動(dòng)巖體懸吊在深部較穩(wěn)固的圍巖上。

(3)底板連體錨索。在某些地段巷道,當(dāng)幫壁和頂板得到加固后,底板就成了巷道結(jié)構(gòu)的薄弱部位。為了控制底臌,建議采用底板連體錨索支護(hù)技術(shù),即底板錨索采用高強(qiáng)度鋼帶連接起來(lái),形成一個(gè)整體。

(4)壁后注漿。由于返修巷道圍巖嚴(yán)重碎裂,松動(dòng)范圍大,巖石塊體之間縫隙大,摩擦與鑲嵌作用及抗拉、抗剪強(qiáng)度已基本喪失。因此,可采用圍巖注漿使裂隙得到充填膠結(jié),使松動(dòng)圈轉(zhuǎn)變?yōu)閹r石承載圈,加強(qiáng)支護(hù)與圍巖的相互作用。

3.3 兩類返修巷道支護(hù)特殊處理

(1)垮冒巷道(Ⅴ類)的預(yù)處理。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生部分垮冒的巷道(即穩(wěn)定性類別為Ⅴ),應(yīng)首先采用U型鋼或整澆混凝土支護(hù)修復(fù)成型后,再進(jìn)行壁后注漿充填,最后采用長(zhǎng)錨索或錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

(2)特殊巷道(Ⅳ類)。由于特殊巷道潛在著垮冒的可能,因此,在特殊巷道擴(kuò)幫剝皮返修時(shí),除了應(yīng)引起足夠重視外,還要采取一些必要的預(yù)防措施,如預(yù)先可架設(shè)U型鋼支架。

4 錨固參數(shù)的工程類比與理論校核

4.1 返修巷道錨索與錨桿參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)

錨索和錨桿的設(shè)計(jì)涉及選擇如下參數(shù):長(zhǎng)度、間排距、強(qiáng)度、直徑及預(yù)緊力。

(1)長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度L。返修巷道的長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度參考松動(dòng)范圍確定。表3給出了返修巷道圍巖松動(dòng)圈范圍的估計(jì)值。

(2)長(zhǎng)錨索間排距r×l。借助于國(guó)內(nèi)外支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則來(lái)確定錨桿(索)間排距。國(guó)內(nèi)眾多的工程經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,確定錨桿參數(shù)時(shí)可按錨桿長(zhǎng)度與間距之比為1.5～2.0選取。施工中常采用的間距是0.6～1.5 m。錨桿的排距一般與間距相同,有時(shí)也可稍大于間距。

基于上述經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則,并考慮到實(shí)際巷道的情況,確定了返修巷道和新掘巷道的錨索和錨桿的支護(hù)參數(shù)(表4)。

4.2 錨桿截面面積計(jì)算與理論校核

錨桿和錨索預(yù)應(yīng)力筋的截面面積選取為

式中,A為錨索或錨桿預(yù)應(yīng)力筋的截面面積,mm;K為錨索或錨桿安全系數(shù),取1.5;Nt為錨索或錨桿設(shè)計(jì)荷載,N;η為錨具效率系數(shù),一類錨具0.95,二類錨具0.90;fptk為預(yù)應(yīng)力鋼材的強(qiáng)度,MPa。

根據(jù)式(1)和表4中的錨固張力設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力,可以計(jì)算不同類型的巷道錨桿(索)的直徑(表5)。

表4 不同類別的巷道及支護(hù)參數(shù)Table 4 Supporting parameters of-850 m main haulage way

表5 錨索和錨桿的預(yù)應(yīng)力與直徑的關(guān)系Table 5 Relationship between pre-stress and diameter of anchor and bolt

4.3 錨索與錨桿錨固段長(zhǎng)度的確定

錨固段是錨索錨固于巖體內(nèi)借以提供預(yù)應(yīng)力的部分,其長(zhǎng)度可按式(2),(3)計(jì)算,選其中最大值。

其中,La為按錨固劑與預(yù)應(yīng)力筋黏結(jié)力計(jì)算的錨固段長(zhǎng)度,mm;K取1.5;n為預(yù)應(yīng)力筋根數(shù);d為預(yù)應(yīng)力筋直徑,mm;τa為錨固劑與預(yù)應(yīng)力筋間的黏結(jié)強(qiáng)度,MPa;Lb為按錨固劑與鉆孔巖壁黏結(jié)力計(jì)算的錨固段長(zhǎng)度,mm;D為錨索鉆孔直徑,mm;τb為錨固劑與鉆孔巖壁之間的黏結(jié)強(qiáng)度,MPa。根據(jù)公式可計(jì)算出錨索與錨桿的錨固長(zhǎng)度,見表6。

表6 錨索與錨桿的錨固長(zhǎng)度計(jì)算Table 6 Anchorage length of anchor and bolt

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果分析

5.1 支護(hù)方案

針對(duì)－850 m水平運(yùn)輸大巷圍巖變形特點(diǎn),選擇了該大巷東向延伸段進(jìn)行了工業(yè)型試驗(yàn)。根據(jù)表2中進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)得到,該段巖體屬于Ⅳ類級(jí)別。選用了“錨桿、金屬網(wǎng)、噴漿、錨索、注漿和底板錨索”綜合支護(hù)方式。根據(jù)錨固參數(shù)工程類比與理論校核原理,可得到如下的主要支護(hù)方案及參數(shù):

(1)錨桿支護(hù)參數(shù)。錨桿選用?22 mm,L= 2 500 mm旋無(wú)縱筋普通螺紋鋼錨桿。每根錨桿使用3卷K2350樹脂錨固劑,錨桿間排距為800 mm× 800 mm,如圖7(a)所示。

(2)錨索支護(hù)。錨索為?17.8 mm的鋼絞線,錨索長(zhǎng)度L=7.3 m,如圖7(a)所示,間距為1 600 mm,排距1 600 mm。錨固長(zhǎng)度為2 000 mm。每根錨索使用4卷K2350樹脂錨固劑。

(3)噴錨網(wǎng)參數(shù)。鋼筋網(wǎng)采用雙層預(yù)制焊結(jié)片網(wǎng),但網(wǎng)筋的鋪設(shè)分次進(jìn)行,一次是與錨桿配合使用,形成第1次錨噴網(wǎng)支護(hù),一次與長(zhǎng)錨索和?12 mm的鋼筋梯子梁配合,形成永久支護(hù)層。金屬網(wǎng)為?6 mm,網(wǎng)格100 mm×100 mm,規(guī)格為1 000 mm× 800 mm。噴射混凝土的厚度為100～120 mm。

(4)底板連體錨索支護(hù)。對(duì)于穩(wěn)定性等級(jí)為Ⅳ類的底臌嚴(yán)重巷道,底板還需用底板連體錨索。底板錨索仍為?17.8 mm,錨索長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為4.3 m,間距為2 400 mm,排距2 400 mm。每?jī)筛^索采用高強(qiáng)度鋼帶連接起來(lái)。具體如7(a)所示。

(5)壁后注漿方案。注漿范圍以幫壁為主,本次注漿采用3.5 m注漿孔,頂拱和兩幫的間排距均為2 000 m×1 500 m。注漿布置如圖7(b)所示。

5.2 數(shù)值模擬計(jì)算

原支護(hù)方案和修復(fù)支護(hù)方案的計(jì)算結(jié)果分別列于圖8和9。進(jìn)行原支護(hù)后,巷道兩幫最大移近量為642.14 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?56.12 mm,其中底臌為524.58 mm。經(jīng)“錨桿、金屬網(wǎng)、噴漿、錨索、注漿和底板錨索”支護(hù)后,巷道兩幫最大移近量為203.27 mm,頂?shù)装逡平繛?35.09 mm,底臌量?jī)H為148.39 mm。

圖7 試驗(yàn)段巷道支護(hù)與加固方案Fig.7 Supporting and reinforcement scheme of the test roadway

圖8 原方案的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Fig.8 Numerical calculation results of original supporting

5.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及支護(hù)效果

圖9 修復(fù)方案的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Fig.9 Numerical calculation results of reworking supporting

采用十字交叉法對(duì)該段巷道的變形量進(jìn)行觀測(cè),共布置了10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),這里列出了其中1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可得到監(jiān)測(cè)時(shí)期之內(nèi)的巷道收斂曲線,如圖10所示?？芍?jīng)過(guò)173 d的監(jiān)測(cè),1號(hào)測(cè)點(diǎn)兩幫收斂量為69 mm,頂?shù)装逡平肯鄬?duì)較大,其值為122 mm;2號(hào)點(diǎn)兩幫相對(duì)收斂量為52 mm,頂?shù)装逑鄬?duì)移近量為111 mm。其變形值都在可控制范圍之內(nèi),到監(jiān)測(cè)的后期各變形都趨于穩(wěn)定,收斂速率均小于1 mm/d。因此,通過(guò)“高應(yīng)力預(yù)應(yīng)力錨索+注漿加固”二次支護(hù)能較好地控制巷道的大變形。

圖10 試驗(yàn)段巷道圍巖監(jiān)測(cè)曲線Fig.10 Monitoring curves of test roadway surrounding rock

6 結(jié) 論

(1)曲江煤礦－850 m水平運(yùn)輸大巷屬于典型的深部高應(yīng)力軟巖巷道,由于工程地質(zhì)條件差,使原有巷道支護(hù)不能適應(yīng)圍巖大變形的要求而產(chǎn)生大量破壞。

(2)可將曲江煤礦－850 m水平運(yùn)輸大巷穩(wěn)定性的類別歸為Ⅴ,Ⅳ和Ⅲ類,表現(xiàn)為散體地壓、變形～散體地壓和變形地壓。

(3)高應(yīng)力返修巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)原則應(yīng)體現(xiàn)在以長(zhǎng)錨索為主要支護(hù)型式的復(fù)合支護(hù),適當(dāng)提高巷道的支護(hù)強(qiáng)度,強(qiáng)調(diào)在底臌嚴(yán)重地段增加底板連體錨索;加強(qiáng)兩次支護(hù)的聯(lián)系,提高巷道一次支護(hù)強(qiáng)度和錨噴網(wǎng)支護(hù)的整體強(qiáng)度;采用壁后注漿強(qiáng)化圍巖的整體性強(qiáng)度。

(4)返修巷道錨索與錨桿參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)應(yīng)借助于工程類比和圍巖分類的方法,可得到錨索(錨桿)的長(zhǎng)度、間距、強(qiáng)度和直徑等主要參數(shù)。

(5)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,“錨桿、金屬網(wǎng)、噴漿、錨索、注漿和底板錨索”修復(fù)方案能較好的抑制巷道變形,特別是采用底板連體錨索和注漿技術(shù)可較好地控制底板及兩幫受高應(yīng)力擠壓引起的大變形。

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Deformation mechanism and rework control technology of high stress and soft rock roadway

Aiming at many problems about deformation and failure of high stress and soft rock roadway,the－850 m main haulage way of Qujiang Mine was taken as an example to study the deformation mechanism and rework control technology.Firstly,deformation and failure situations of seven typical sections in the roadway were surveyed,it is found that main deformation and failure forms include two sides’extrusion,side wall tensional fracture,U section steel distortion,floor heave and roof caving.Results of X diffraction experiment and internal failure detection test show that surrounding rock contains many argillaceous mineral and formed larger loose circles(about 4 m).And then,Barton Classification Q value,Geological Mechanics RMR value and Loose Circle value were used to classify stability of all surveyed roadway sections including V,IV and III class.These three class roadway classified accordingly into collapsedroadway,special roadway and standard roadway,and put forward respectively preliminary supporting projects.Lastly, engineering analogy,rock classification,section area checking and anchorage length calculation were adapted to analyze anchor or cable length of rework roadway,row&line space,strength,diameter and anchorage length.Therefore, the comprehensive support method with“bolt+metal net+gunite covering+anchor+grouting+floor anchor”was selected to rework－850 m main haulage way.The application shows that sides convergences of roadway no more than 66 mm after 147 days,roof and floor convergences less than 119 mm and late convergence rates less than 1 mm/d.

high stress;soft rock roadway;deformation mechanism;rework;support design

TD325

A

0253－9993(2014)04－0614－10

YU Wei-jian1,2,WANG Wei-jun1,2,HUANG Wen-zhong3,WU Hai1,2

(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines,Hunan University of Science and Technolgy,Xiangtan 411201,China; 2.School of Energy and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;3.Qujiang Coal Developing Co.,Ltd., Fengcheng 331136,China)

余偉健,王衛(wèi)軍,黃文忠,等.高應(yīng)力軟巖巷道變形與破壞機(jī)制及返修控制技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(4):614－623.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0410

Yu Weijian,Wang Weijun,Huang Wenzhong,et al.Deformation mechanism and rework control technology of high stress and soft rock roadway[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):614－623.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0410

2013－04－02 責(zé)任編輯:王婉潔

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51104063,51374105);湖南省教育廳資助項(xiàng)目(12cy013)

余偉健(1978—),男,江西都昌人,副教授。E－mail:ywjlah@163.com