基于O型拱聯(lián)合支護的軟巖巷道圍巖控制技術(shù)研究

林天舒劉紹興王茂源楊 雷楊 薇雷尹嘉

（1.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北省廊坊市，065000；3.汾西礦業(yè)集團新峪煤業(yè)有限責任公司，山西省介休市，032000；4.河北建筑工程學院，河北省張家口市，075000）

基于O型拱聯(lián)合支護的軟巖巷道圍巖控制技術(shù)研究

林天舒1劉紹興2王茂源1楊 雷3楊 薇4雷尹嘉1

（1.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北省廊坊市，065000；3.汾西礦業(yè)集團新峪煤業(yè)有限責任公司，山西省介休市，032000；4.河北建筑工程學院，河北省張家口市，075000）

基于理論與工程實際分析了正令煤礦軟巖巷道圍巖破壞關(guān)鍵影響因素，提出了以中央變電所為工程實例的錨網(wǎng)索噴+O型拱聯(lián)合支護優(yōu)化方案。采用FLAC3D技術(shù)對原支護方案和優(yōu)化方案進行了對比分析，數(shù)值模擬表明了新方案具有合理性和可行性，且能有效控制復雜軟巖巷道，實現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定。

軟巖巷道 O型拱 聯(lián)合支護 數(shù)值模擬

正令煤礦隸屬于山西汾西礦業(yè)集團，位于孝義市西南直距15 km處柱濮鎮(zhèn)上令狐村。井田面積5.8435 km2，地質(zhì)儲量為8372萬t，設計生產(chǎn)規(guī)模為0.9 Mt/a，服務年限24.3 a。該礦井為資源整合礦井，井田內(nèi)含煤地層為太原組和山西組，共含1～11層煤，其中，2#煤層為穩(wěn)定全區(qū)可采煤層，厚度1.10～2.22 m，平均1.48 m。中央變電所布置在2#煤層中，埋深為650 m，頂、底板均為砂質(zhì)泥巖，夾有少量粉砂巖，普氏系數(shù)3～6，節(jié)理、層理較為發(fā)育，易風化，圍巖比較破碎，巖性較軟，膠結(jié)性較差。巷道斷面為直墻半圓拱形狀，巷道凈寬4.6 m，凈高4.1 m。根據(jù)檢測記錄，該巷道變形量很大，兩幫收縮量350～410 mm，頂板下沉量140 mm，底鼓量850 mm，巷道的變形已經(jīng)嚴重地影響了安全生產(chǎn)，分析原因認為巷道支護不合理，因此，迫切需要進行新的支護方案設計。

1　巷道破壞影響因素分析

（1）正令煤礦中央變電所圍巖屬于高應力、膨脹性、節(jié)理性軟巖，由于這種巖性變形破壞機理極其復雜，又缺乏特殊的處理措施，且關(guān)鍵部位支護強度不足，導致了該巷道變形最大。原有的巷道支護底板加固僅使用底角錨桿，約束措施也不夠。

（2）由于正令煤礦是資源整合礦井，原有的巷道施工質(zhì)量差，巷道頂板離層、噴層脫皮、底臌等現(xiàn)象普遍，返修率高導致巷道損壞嚴重，因軟巖巷道圍巖在一定范圍內(nèi)缺乏穩(wěn)定的支持結(jié)構(gòu)負荷外部壓力，即便是多次返修也不足以使圍巖結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定狀態(tài)，可修復性越來越差。

2　控制對策

基于巷道圍巖變形破壞機制分析，應加強對關(guān)鍵部位的支護且降低巷道返修率，根據(jù)工程類比及現(xiàn)場施工經(jīng)驗和支護理論，提出錨網(wǎng)索噴+O型拱聯(lián)合支護進行中央變電所圍巖穩(wěn)定性控制。O型拱即為在圓形斷面巷道上架設U型鋼可縮性支架，U型鋼可縮性鋼架具有較高的支護阻力，抑制了軟弱巖體的碎脹變形，其良好的可縮性又避免了支架內(nèi)應力急劇升高和支架破壞。圓形巷道圍巖沿周邊方向的壓縮而形成承載殼，由于圓形巷道支護阻力分布均衡，使得承載殼保持穩(wěn)定，且隨著時間的增長，承載殼內(nèi)的巖體不斷壓密，承載殼不斷擴大，圍巖的承載能力越來越高，致使巷道變形速度很快下降，巷道趨于穩(wěn)定。

3　數(shù)值計算模型

以中央變電所為對象進行數(shù)值模擬計算，模型尺寸分別為50 m×10 m×38 m（長×寬×高），模型巷道圍巖從上到下依次為K8中砂巖、細砂巖、砂質(zhì)泥巖、2#煤層、砂質(zhì)泥巖、砂巖、砂泥互巖。為消除邊界效應，模型兩側(cè)限制水平方向移動，模型底邊限制水平方向和垂直方向移動，模型上表面為應力邊界，通過彈性求解法模擬初始地應力場，垂直應力約為15.9 MPa，水平應力約為7.95 MPa。本次數(shù)值分析將巖體看作是均質(zhì)和各向同性介質(zhì)，采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構(gòu)關(guān)系，物理力學參數(shù)如表1所示。

表1　巷道圍巖物理力學參數(shù)

4　模擬方案及圍巖應力分析

4.1模擬方案

中央變電所原支護方案為直墻半圓拱斷面，錨索+錨桿+噴漿支護。錨桿規(guī)格?20 mm×2400 mm，錨索規(guī)格?17.8 mm×6000 mm，錨桿間排距800 mm×800 mm，錨索間排距1600 mm× 2400 mm，錨桿、錨索呈放射狀布置于巷道頂板，底板處布置上傾角為38°的底角錨桿，錨索設置在頂板兩肩角處，模擬中使用錨索（cable）單元模擬錨桿、錨索。

擬采用的O型支護方案巷道為圓形斷面，直徑5600 mm，采用錨索+錨桿+噴漿支護，并架設由36#U型鋼制作的O型拱。錨桿、錨索規(guī)格及間排距同原支護，巷道表面進行厚度為100 mm的噴漿處理，模擬中使用襯砌（liner）單元模擬其效果。O型拱間距800 mm，使用殼（shell）單元模擬其效果。

4.2巷道圍巖塑性區(qū)分析

巷道開挖后圍巖的塑性區(qū)分布可以較好地表征巷道支護效果的好壞。數(shù)值模擬結(jié)果表明在原支護方案下，巷道圍巖的頂?shù)装搴蛢蓭统霈F(xiàn)了較大范圍的拉伸塑性區(qū)，其中頂板圍巖塑性區(qū)厚度達1.4 m左右，底板圍巖塑性區(qū)厚度達2.8 m左右，巷道兩幫圍巖塑性區(qū)厚度更高達十幾米。而使用O型拱聯(lián)合支護后，巷道圍巖的塑性區(qū)明顯減小，其中頂板圍巖塑性區(qū)厚度約為0.64 m，底板圍巖塑性區(qū)厚度約為0.47 m，巷道兩幫圍巖塑性區(qū)厚度為5.15 m左右。

4.3巷道圍巖應力分析

對于原支護方案，其在巷道兩幫圍巖深部區(qū)域形成應力集中區(qū)，巷道圍巖最大主應力極值區(qū)位于巷道左幫，應力極值為23.7 MPa，應力集中系數(shù)為1.48。巷道表面圍巖呈現(xiàn)拉應力狀態(tài)，底板與兩幫尤為嚴重。對于O型拱聯(lián)合支護方案，其在巷道兩幫圍巖深部區(qū)域形成應力集中區(qū)，巷道圍巖最大主應力極值區(qū)位于巷道左幫，應力極值為20.2 MPa，應力集中系數(shù)為1.26。在O型拱聯(lián)合支護下巷道圍巖拉應力很小，與原支護方案相比，O型拱聯(lián)合支護方案下的巷道圍巖的應力狀態(tài)得到了改善。

4.4巷道圍巖變形分析

對于原支護方案，巷道圍巖的變形較為嚴重。巷道頂板最大位移量為163 mm，底板最大位移量為139 mm，左右?guī)偷淖畲笪灰屏糠謩e為259 mm和251 mm。巷道圍巖的最大位移發(fā)生在右?guī)团c頂板交界處，變形量達到了278 mm。在采用O型支護后，巷道圍巖的變形量大為減小，巷道頂板最大位移量為32 mm，底板最大位移量為20 mm，左右?guī)偷淖畲笪灰屏慷紴?8 mm。巷道圍巖的最大位移同樣發(fā)生在右?guī)团c頂板交界處，變形量為32 mm。可見相比于直墻半圓拱支護，O型支護有效的控制了巷道圍巖的變形。

5　O型拱聯(lián)合支護方案的確定

根據(jù)實際情況最終確定應用于中央變電所的支護方案如圖1所示。

圖1　O型拱聯(lián)合支護巷道斷面示意圖

（1）O型拱采用36#U型鋼制作，每架由6節(jié)組成，其中底梁長度為4475 mm，其余5節(jié)梁長均為2950 mm。每節(jié)之間搭接長度500 mm，每個搭接處設4道卡纜，每節(jié)設1道拉桿。

（2）將巷道下方已破壞的原支護挑落、擴幫，然后掛網(wǎng)、打錨桿、錨索，接著拉底打底錨桿。采用?20 mm×2400 mm螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm；采用?17.8 mm×6000mm鋼絞線錨索，錨索間排距為1600 mm×2400 mm，打好錨桿、錨索后及時噴漿并養(yǎng)護。混凝土噴射厚度150 mm、強度為C20。

（3）巷道下部支護完成后，搭設工作臺以便完成對上部的支護，工作臺的底托架采用直徑20 mm的圓木搭設，距巷道底部2070 mm，圓木上鋪設厚度不小于50 mm的木板，木板采用8#鐵線十字交叉綁扎牢固。

（4）工作臺搭設完成后，重復下部支護流程完成對工作臺上方巷道頂幫的支護。

（5）噴漿養(yǎng)護完成后，即可架設O型拱。根據(jù)巷道實際情況，O型拱架設間距確定800 mm，施工時先下底梁，再安裝拉桿，使腰梁與底梁合嚴，使用卡子鎖緊棚梁；然后使頂梁與腰梁合嚴，使用卡子鎖緊頂梁與腰梁，上好拉桿后進行調(diào)棚，調(diào)棚完畢后將棚梁的所有拉桿螺母緊固。兩層鋼筋網(wǎng)錯格搭接在O型拱上，再用棚板、道木打井字垛配合楔子使O型拱固定于頂板、兩幫上，所有工序完成后進行噴漿作業(yè)，混凝土噴射厚度100 mm、強度為C20。

（6）O型拱架設完成后，對下部進行充填，并對地面進行平整、硬化處理。

6　巷道變形監(jiān)測

為了驗證O型拱聯(lián)合支護方案的支護效果，對中央變電所的變形量進行了現(xiàn)場觀測。監(jiān)測巷道長度90 m，每隔30 m布置一個測點，共布置3個測點。對巷道進行了為期3個月的變形觀測，觀測結(jié)果如圖2所示。

巷道采用O型拱聯(lián)合支護后，巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟吭谇?5 d有輕微變化，15～55 d變形量持續(xù)增大，55 d后基本趨于穩(wěn)定。該支護方案下巷道兩幫與頂?shù)装遄冃瘟康淖畲笾捣謩e僅為71 mm和60 mm。這充分說明O型支護對控制軟巖巷道的變形有良好的效果，提出的O型拱聯(lián)合支護方案具有一定的可行性。

圖2　巷道頂幫移近量

7　結(jié)論

（1）通過對正令煤礦軟巖巷道破壞機理的分析，針對承受較大壓力的軟巖巷道，提出了錨網(wǎng)索噴與O型拱聯(lián)合的支護體系。

（2）運用FLAC3D進行數(shù)值模擬計算，從應力、應變和塑性區(qū)角度對兩種支護方案進行對比分析表明，O型拱聯(lián)合支護方案下巷道變形變小，支護效果改善明顯。

（3）進行了工業(yè)性試驗，并對試驗巷道進行了現(xiàn)場觀測，結(jié)果表明，巷道變形得到了有效控制，為類似工程提供了一個可靠的借鑒。

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（責任編輯 張毅玲）

Research on surrounding rock control technology of soft rock roadway based on combined support with O-type arch

Lin Tianshu1，Liu Shaoxing2，Wang Maoyuan1，Yang Lei3，Yang Wei4，Lei Yinjia1
（1.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang，Hebei 065000，China；3.Xinyu Coal Industry Co.，Ltd.，F(xiàn)enxi Mining Group，Jiexiu，Shanxi 032000，China；4.Hebei University of Architecture，Zhangjiakou，Hebei 075000，China）

The key influence factors of surrounding rock failure in soft rock roadway were analyzed based on the theories and engineering practice in Zhengling Coal Mine，and taking the central substation as engineering project，the combined supporting optimization scheme was put forward，which including bolt wire cable and shotcrete.Using FLAC3D，the former supporting scheme and the optimization scheme was analyzed contrastively，the numerical simulation results showed that the new scheme was rational and feasible，could control the complex soft rock roadway effectively and keep the stability of surrounding rock.

soft rock roadway，O-type arch，combined support，numerical simulation

TD 353

A

林天舒（1992-），男，安徽馬鞍山人，中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院碩士研究生。主要從事巷道支護和巖土工程數(shù)值模擬方面的研究。