錨噴支護(hù)在破碎巖巷的使用

梁文江

摘 ?要：文章以曲斗煤礦二號井上姚采區(qū)+395運輸大巷為例，揭示了其變形破壞機(jī)理，提出破碎巖巷二次錨噴支護(hù)技術(shù)，工程實踐表明該支護(hù)方式能夠抑制圍巖大變形，取得了良好支護(hù)效果。

關(guān)鍵詞：破碎巖巷;破壞機(jī)理;二次錨噴;應(yīng)力均勻化

中圖分類號：TD353.5 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）36-0034-01

隨著煤炭開采強(qiáng)度的不斷增加，巷道掘進(jìn)與維護(hù)工程量日益增多。尤其當(dāng)巷道所處圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜時，巷道掘進(jìn)后圍巖多處于松散破碎狀態(tài);高圍壓狀態(tài)下圍巖積聚了大量變形能，使得巷道圍巖表現(xiàn)出初期變形速率快、整體收斂、四周來壓以及強(qiáng)烈變形等特點，破碎圍巖巷道支護(hù)已成為深部煤炭開采亟待解決問題。

1 ?工程概況

曲斗煤礦二號井上姚采區(qū)+395運輸大巷的地層為侏羅系上統(tǒng)長林組（J3c）巖性復(fù)雜，從沉積巖—火山碎屑巖—熔巖都有。它們有沉積砂礫巖，細(xì)—中—粗粒砂巖、粉砂巖、凝灰質(zhì)礫巖、火山角礫巖、凝灰質(zhì)頁巖、凝灰?guī)r、流紋巖等。巖石質(zhì)量劣，巖石完整性差。巖層頂板發(fā)育，水平層理，伴生褶皺及分支斷裂發(fā)育，將其劃分為“三層結(jié)構(gòu)型”，其主體構(gòu)造為一復(fù)雜的復(fù)式向斜、在剖面上主要發(fā)育了三條緩斷裂，均呈“舟狀”（厚度> ?300 m。呈斷層接觸。巖石質(zhì)量劣，巖石完整性差，巷道原支護(hù)為一次錨網(wǎng)噴支護(hù)成巷方式，圍巖變形收斂情況十分嚴(yán)重，影響礦井正常的生產(chǎn)開采活動。

2 ?巷道變形破壞機(jī)理

對該巷道地質(zhì)情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，巷道變形破壞因素是多方面的，各因素所引起的影響程度各不相同。綜合分析可知，巷道變形破壞因素主要為以下幾個方面。

2.1 ?地應(yīng)力大

對巷道圍巖進(jìn)行應(yīng)力測試得出，巷道圍巖所處地質(zhì)條件較為復(fù)雜，斷層、動壓等影響使得圍巖所受地應(yīng)力極大，圍巖碎漲蠕變情況較為嚴(yán)重。

2.2 ?圍巖性質(zhì)

該運輸大巷巷道所處圍巖性質(zhì)主要為粉砂巖，并且圍巖中含有遇水膨脹的高嶺石與伊利石，圍巖整體較為破碎，屬于Ⅳ～Ⅴ類圍巖。巷道圍巖存在嚴(yán)重的開石蝕變和風(fēng)化現(xiàn)象，局部地段圍巖在高地應(yīng)力作用下具有明顯的工程軟巖特性。隨著巷道服務(wù)年限的增長，圍巖碎裂現(xiàn)象日益嚴(yán)重，圍巖中積聚了巨大碎漲變形能，增加了巷道支護(hù)的難度。

并且，由于碎漲變形能在圍巖中的不均衡分布，其施加在支護(hù)結(jié)構(gòu)的力亦不均勻，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)局部受力過大而出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。

2.3 ?巷道掘進(jìn)

該巷道掘進(jìn)方式為爆破，爆破會加速圍巖破碎松動，使得淺部圍巖松散破碎程度加劇。

2.4 ?原支護(hù)方案不合理

該巷道原有支護(hù)方式為一次錨網(wǎng)噴支護(hù)成巷方式，巷道支護(hù)初期就表現(xiàn)出明顯的破壞變形，表現(xiàn)為部分錨桿斷裂、頂部掉渣剝落，后期甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的巷道變形現(xiàn)象。分析其原因主要有兩個方面：其一，巷道支護(hù)阻力不夠，高地應(yīng)力作用下錨網(wǎng)噴支護(hù)阻力不能夠承載外部巨大的彈性能;其二，支護(hù)方案不合理，由于巷道圍巖較為松散，錨桿支護(hù)在其中并不能發(fā)揮良好的控制效果。

3 ?破碎巖巷圍巖穩(wěn)定性控制

分析巷道變形破壞特征及機(jī)理可知，傳統(tǒng)的單一支護(hù)方式很難達(dá)到破碎圍巖穩(wěn)定性控制的目的。同時，由于巷道圍巖中積聚了大量的碎漲變形能，一味增加支護(hù)剛度不符合深部圍巖控制原則。結(jié)合相關(guān)工程施工技術(shù)與圍巖控制理論，設(shè)計對軌道大巷采用二次錨噴支護(hù)方式。

3.1 ?二次錨噴支護(hù)機(jī)理

深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵在于充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，將支護(hù)體與圍巖視為統(tǒng)一的支護(hù)結(jié)構(gòu)。相較于支護(hù)強(qiáng)度較大的U型棚支護(hù)而言，一次錨噴支護(hù)具有一定的主動性與支護(hù)柔性，能夠釋放部分圍巖變形能，支護(hù)效果要更好。但兩種支護(hù)方式都存在柔性差、可縮性小的問題，支護(hù)以抗壓方式為主，難以調(diào)動圍巖自承載能力，在深部破碎巖巷支護(hù)中差強(qiáng)人意。因此，深部破碎巖巷支護(hù)體亦需要兼顧“主動與被動”、“讓壓與抗壓”，二次錨噴支護(hù)就是基于此提出的支護(hù)方式。

二次錨噴支護(hù)機(jī)理為：①初次錨噴施以一定強(qiáng)度支護(hù)結(jié)構(gòu)，允許圍巖在不影響巷道安全使用的前提下釋放部分膨脹變形能，轉(zhuǎn)移應(yīng)力峰值至深部圍巖，降低作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的載荷大小。②二次錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要大于第一次錨噴，選用高強(qiáng)度的錨桿或者錨索作為支護(hù)材料，支護(hù)體需具備較大的預(yù)緊力與延伸量;二次錨噴的作用在于強(qiáng)化初次錨噴支護(hù)體結(jié)構(gòu)，改善深部破碎圍巖受力狀態(tài)，抑制塑性區(qū)與松動區(qū)圍巖的擴(kuò)展，補(bǔ)強(qiáng)兩幫、底角等支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)，提升支護(hù)體整體承載能力，其支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過二次錨噴結(jié)構(gòu)的動態(tài)耦合支護(hù)，改善支護(hù)圈內(nèi)所有錨桿受力載荷，使得圍巖應(yīng)力場更加均勻，協(xié)調(diào)發(fā)揮圍巖與支護(hù)體共同承載能力，維持二者強(qiáng)度、變形、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 ?支護(hù)參數(shù)

新支護(hù)方案施工工藝為：擴(kuò)修至設(shè)計斷面→初噴混凝土→錨網(wǎng)一次支護(hù)→復(fù)噴混凝土→二次錨桿（錨索）支護(hù)。支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計如下：①巖石巷道掘出后，首先噴射30 mm混凝土將圍巖表面封閉，并安裝初次錨桿，間排距控制在1 000 mm×1 000 mm，五花布置。②二次噴射混凝土，混凝土厚度控制在80 mm，混凝土噴層的骨料選用煤矸石陶粒。二次錨桿選用強(qiáng)螺紋鋼錨桿，尺寸Φ20×2 200 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm;二次支護(hù)錨桿穿插布置在一次錨桿布置間隔之中，錨桿端部錨桿將鋪設(shè)網(wǎng)壓住，并用鐵絲捆綁加以固定，上覆30 mm左右噴漿防銹。二次錨噴總支護(hù)厚度約在150 mm，與初次錨噴支護(hù)時間間隔視圍巖變形速度確定，一般在30 d左右，具體可根據(jù)圍巖變形情況進(jìn)行調(diào)整。如巖巷松動圈范圍較大，或者遇到特殊地質(zhì)巖層，可將二次錨噴支護(hù)改為注漿、掛網(wǎng)或錨索加固，亦可將幾種加固方式進(jìn)行有效疊加。如圖1所示。

4 ?工程支護(hù)效果

為了解新支護(hù)方案支護(hù)效果，在采用新支護(hù)方案后對西翼軌道大巷圍巖表面收斂位移情況進(jìn)行觀測，為期90 d。觀測期間巷道累計變形量，如圖2所示。

分析運輸大巷圍巖變形收斂曲線可知，巷道頂?shù)装迮c兩幫變形均較小，頂?shù)装逡平?5～60 mm， 兩幫變形量20～25 mm，巷道圍巖變形均在安全允許范圍內(nèi)。而由圍巖變形曲線波動情況得到，圍巖變形經(jīng)歷了三個階段，即急速增長、緩慢增長和趨于穩(wěn)定。急速增長階段（2～20 d），此階段的圍巖變形量占到了整個圍巖變形量的多大部分，約為70%，而且第一次錨網(wǎng)噴初期能夠阻止圍巖過度變形。緩慢增長階段（20～60 d），這一階段的兩幫和頂?shù)装遄冃瘟繛? mm和12 mm，表明：隨著圍巖變形，二次錨噴支護(hù)阻力逐漸增加，提高了支護(hù)體的承載能力;變形穩(wěn)定階段的圍巖變形速率及變形量均非常小，逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圍巖整個變形周期較長（90 d），巷道圍巖表現(xiàn)出較強(qiáng)的流變特性。

5 ? 結(jié) ?語

①運輸大巷圍巖變形機(jī)理為：松散圍巖巷道在高地應(yīng)力作用下產(chǎn)生圍巖變形，受環(huán)境水、圍巖特性的影響加劇了圍巖變形速率，進(jìn)而導(dǎo)致原支護(hù)失效。②二次錨噴支護(hù)的關(guān)鍵在于：初次錨噴封閉圍巖，提供一定的支護(hù)強(qiáng)度，允許圍巖有一定程度的變形;二次錨噴在第一次錨噴基礎(chǔ)上提高支護(hù)強(qiáng)度與范圍，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)，均勻化錨桿受力情況，實現(xiàn)支護(hù)體與圍巖強(qiáng)度、剛度與變形的動態(tài)耦合。③運輸大巷采用二次錨噴支護(hù)后，巷道圍巖變形得到有效控制（頂?shù)滓平?5～60 mm，兩幫收斂在20～25 mm），支護(hù)體受力情況良好，巷道未出現(xiàn)明顯圍巖變形及底鼓現(xiàn)象。工程實踐證明，相較于一次錨噴支護(hù)而言，二次錨噴支護(hù)在破碎巖巷圍巖穩(wěn)定性控制性能更好，具有較大的推廣應(yīng)用價值。

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