復(fù)雜條件下孤島周圍巷道支護技術(shù)研究

孟益平， 祝金龍， 郭家標(biāo)

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009；2.淮北礦業(yè)股份有限公司 臨渙煤礦，安徽 淮北235135）

0 引 言

巷道作為一種地下運輸通道，其穩(wěn)定性關(guān)系到工程生產(chǎn)的安全。地下資源開采中，因為巷道支護力度不夠或支護不及時導(dǎo)致的巷道坍塌，危害生產(chǎn)安全的事故屢見不鮮。隨著巷道支護技術(shù)的發(fā)展，淺部和結(jié)構(gòu)簡單的巷道支護安全性能越來越高，然而由于淺部資源的逐漸減小，巷道開挖深度化，地質(zhì)條件復(fù)雜化是必然趨勢。由于實際工程的原因，巷道常常需要集中分布，在這些地段巖體整體結(jié)構(gòu)常常比較復(fù)雜，由于如高地應(yīng)力、弱巖性等深部復(fù)雜條件的影響，支護時需要考慮的因素眾多，支護難度很大。如何對這些結(jié)構(gòu)和地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的地下巷道結(jié)構(gòu)進行合理支護，減小大變形事故的發(fā)生是現(xiàn)行深部巷道工程面臨的一個問題。本文以孤島（如圖1）這種特殊地段為例，分析其變形規(guī)律及支護對策。

地下孤島是指三條及三條以上巷道交叉圍成的獨立的巖柱結(jié)構(gòu)。孤島作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特殊地段，其支護難度很大。孤島巖柱易壓潰破碎，周圍有多個易變形的交叉點，周圍巷道相對于普通巷道更易變形，這些都給孤島的支護帶來了極大地難題，特別是在孤島地段有采動影響時，變形更加嚴(yán)重。由于孤島結(jié)構(gòu)特殊，各部位變形相互影響，有必要將孤島作為一個整體來進行研究。

目前，國內(nèi)外很少有關(guān)于孤島地段整體上的支護技術(shù)的研究，但隨著錨網(wǎng)索與注漿加固等聯(lián)合支護方式的研究逐漸深入和深部支護技術(shù)的不斷發(fā)展［1－4］，巷道支護加固技術(shù)有了較大的進步。對于交叉點大斷面巷道而言，多種技術(shù)聯(lián)合支護方法不斷完善［5－12］；對于復(fù)雜應(yīng)力條件下的巷道而言，平面錨索桁架和雙控錨索技術(shù)開始應(yīng)用于巷道支護工程中，且圍巖控制效果良好［13－15］。由于孤島結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部位變形相互影響，當(dāng)周圍有采動作用時，交叉點需要更加強有力地支護措施，且孤島其他部位也需要實施加固，這樣才能有效地提高整個孤島結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本文通過研究孤島的破壞機理，結(jié)合數(shù)值分析和工程應(yīng)用，提出孤島的支護方法。

1 孤島的數(shù)值模擬

孤島是由多條巷道及中間巖柱組成，由于孤島結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，無法利用對稱性簡化模型，因此建立孤島整體結(jié)構(gòu)進行計算分析。根據(jù)圣維南原理，巷道只對周邊巖石產(chǎn)生影響，遠處巖石的應(yīng)力場不會影響巷道的變形。研究表明，巷道截面尺寸兩倍以內(nèi)的范圍是巷道變形影響集中區(qū)域。運用ANSYS有限元軟件先建立長×寬×高為52×31×29m的模型作為周圍巖體，在利用布爾運算建立三條直墻半圓拱形巷道和中間巖體模型。普通斷面巷道半圓拱部分半徑為2m，直墻柱部分高為1.5m，交叉點漸變巷道的最大斷面半圓拱部分半徑為5m，直墻柱部分高為1.5m。孤島模型及網(wǎng)格劃分圖如圖2和圖3所示。

設(shè)定孤島模型上邊界地應(yīng)力大小為10MPa，并施加重力荷載。模型周圍為水平鏈桿，底部固定。模型的材料常數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 物理參數(shù)

支護材料中，錨桿為直徑20mm的高強樹脂螺紋鋼錨桿，長度為2m，間排距為0.7m×0.7m；錨索直徑為17.8mm的鋼鉸線，長度為5m，間距為1.4m，預(yù)應(yīng)力為100KN，排距為1.2m；錨索梁采用11號礦用工字鋼；U型棚為36U型鋼，排距為0.5m。

經(jīng)過計算，無支護情況下孤島整體和巷道位移矢量和變化如圖4和圖5，豎向應(yīng)力變化如圖6。

孤島中存在“T”形、“十”字形和“Y”形交叉點。由變形云圖可以看出，巷道交叉點的變形遠大于普通巷道的變形，“Y”形交叉點變形最大，約比普通巷道變形大30%。

從豎直應(yīng)力變化云圖上可以發(fā)現(xiàn)，中間巖柱的豎向應(yīng)力較大，約為同一水平面上一般巖體應(yīng)力的2倍。

比較變形云圖中的普通斷面巷道變形，可以發(fā)現(xiàn)，巖柱周圍的巷道比遠離巖柱的普通斷面巷道變形大9%到18%。

2 孤島的破壞機理及控制對策

2.1 破壞機理

孤島中多條巷道布置于一片有限區(qū)域，巷道與巷道距離較近，巷道交叉所產(chǎn)生的交叉點截面尺寸較大，周圍巷道圍成的中間巖柱結(jié)構(gòu)上較孤立，孤島的變形方式不同于一般巷道結(jié)構(gòu)，其破壞機理如下。

（1）交叉點大斷面巷道頂板破壞下沉

孤島周圍巷道的交叉點大斷面由于巷道跨度和頂板懸露面積大，巷道應(yīng)力復(fù)雜，頂板易破壞下沉。巷道交叉點頂板在支護不及時或支護強度不夠時，受頂板上部荷載作用，巖體中裂紋擴展，特別是在周圍有采動影響時，頂板破壞更加嚴(yán)重。

（2）孤島巖柱變形

孤島地段的巖柱在成型后，受到巷道頂板卸壓區(qū)和兩幫支承壓力區(qū)相互疊加的影響，應(yīng)力集中系數(shù)較開鑿前提高了很多，且孤島巖體從三向受壓狀態(tài)變?yōu)閱蜗蚴軌籂顟B(tài)，很容易導(dǎo)致巖柱橫向鼓出，在巖柱中縱向裂紋擴展時，巖柱長細比增大，巖柱更容易發(fā)生變形。孤島中間巖柱是周圍巷道的幫部巖體，它的變形狀況直接影響周圍巷道的穩(wěn)定性，且孤島巖柱是天然的支護體，應(yīng)充分利用其對頂板的支撐能力。

（3）周圍普通斷面巷道變形

孤島地段周圍普通斷面巷道有一側(cè)幫部是孤立巖柱，巷道整體結(jié)構(gòu)上不對稱，受地應(yīng)力與采動影響，巷道極易發(fā)生不對稱變形。巖柱受壓變形，會加大交叉點巷道大斷面面積，引發(fā)周圍普通斷面變形。巖柱、交叉點的變形會帶動普通斷面巷道的變形，反之亦然。由此，為周圍各條巷道提供強有力的支護是保證孤島整體穩(wěn)定的必要措施。

2.2 控制對策

孤島結(jié)構(gòu)上并不規(guī)整，各部位巖體相互影響，巷道距離較近，變形容易發(fā)生疊加，特別是中間巖柱對周圍巷道變形產(chǎn)生了極大的影響，巷道周圍存在著多個交叉點，最大交叉點頂板位置發(fā)生大變形。此外，孤島同時承受動壓和高地應(yīng)力影響。以往的支護措施，如錨噴、錨網(wǎng)索、錨架注支護以及應(yīng)用于普通交叉點（不含孤立巖柱）的等支護方法不能完全的適用于該特殊地段。由此，支護時應(yīng)該對巷道圍巖實行“強支硬頂”，綜合各種有效的支護方法，要充分發(fā)揮中間巖柱對頂板的支撐能力，防止中間巖柱發(fā)生大變形，合理的加固巖柱。

根據(jù)孤島的破壞機理，周圍巷道和孤島巖柱都需加固。對于孤島巖柱，可以采用雙控錨索（如圖7）的加固方法；對于周圍巷道，受地質(zhì)結(jié)構(gòu)和采動影響，除了采用一般支護方法外，還應(yīng)使用空間錨索桁架（如圖8）。

2.2.1 空間錨索桁架

空間錨索桁架是一種區(qū)別于一般平面錨索桁架的裝置。錨索梁，錨索，U型棚共同組成了空間錨索桁架結(jié)構(gòu)。錨索一端固定于深部巖體，一端固定于錨索梁上。錨索梁沿巷道走向布置于U型棚內(nèi)側(cè)，則錨索梁與U型棚組合成覆蓋巷道圍巖的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種排布方式使U型棚被動支護結(jié)構(gòu)同時具有了錨索桁架體系的錨索梁的功能，對圍巖起到主動支護作用。

為說明錨索桁架各部位的連接方式，作為一種特別的支護方法，特敘述其架設(shè)程序（如圖9），具體過程如下。

（1）架設(shè)U型棚：上梁，過頂，挖腿窩，栽腿子，腰幫。栽棚腿時，U形棚卡纜力矩應(yīng)不小于300N.m。

（2）以工字鋼為錨索梁，在其上預(yù)留孔位置點好眼，然后用錨桿鉆機打、錨桿釬子和旋轉(zhuǎn)式鉆頭配合在圍巖上鉆好孔。

（3）錨固時，先在每鉆孔內(nèi)裝入3卷樹脂錨固劑。安裝時用鋼絞線錨索輕輕將樹脂送入眼底，再用攪拌器將鋼絞線與錨桿機連接起來，然后開動鉆機邊攪拌邊推進，把鋼絞線送入眼底（約20～30秒），然后停1～2分鐘后，落下鉆機，卸下攪拌器，完成錨索的內(nèi)錨固。

（4）三人配合共同將錨索梁托起并升上勁（鋼絞線放入預(yù)留孔內(nèi)），然后再裝托盤、托板、鎖具，并使它們緊貼U型鋼棚，錨索托盤為A3鋼，正中鉆孔，掛上張拉千斤頂，開泵進行張拉，直至達到設(shè)計預(yù)緊力再停止張拉，卸下千斤頂，用液壓剪將外露的鋼絞線剪掉，外露長度不超過150mm～350mm，并用膠皮管將外露部分套住。

空間錨索桁架可以擴大錨索的作用面積，優(yōu)化錨索對圍巖的作用方式，相對于單體錨索而言，空間錨索桁架更具有優(yōu)勢，可用有限元軟件分析空間錨索的作用機理。如圖10，建立巷道模型，計算巖體區(qū)域尺寸為20m×20m×5m。分別用空間錨索桁架和單體錨索加固圍巖，沿巷道走向1～4m的布置錨索桁架的巷道頂部圍巖等效應(yīng)力變化曲線如圖11所示。

從曲線圖上可以看出，在布置了單體的巷道中，無錨索和U型棚支護的圍巖段頂板等效應(yīng)力較大；而在布置了空間錨索桁架的巷道中，由于錨索梁的支護傳遞作用，等效應(yīng)力較小。而在總體上，前者最大等效應(yīng)力較大，頂板容易變形破壞；后者的等效應(yīng)力變化平緩，頂板結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。因此，空間錨索桁架支護方法能合理地控制巷道圍巖的變形，改善巖體的受力狀態(tài)，有效地減小巷道頂板大變形區(qū)域。

2.2.2 雙控錨索支護技術(shù)

中間巖柱的穩(wěn)定性是保證周圍巷道整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵，根據(jù)其受力特點與變形機理，必須增加中間巖柱水平方向的側(cè)向約束，從而改善巖柱的應(yīng)力狀態(tài)。何滿潮等針對地下這種孤立巖柱結(jié)構(gòu)提出了雙控錨索的支護方法，經(jīng)過證明，這種支護方法有效地改善了巖柱的受力狀況［16］。雙控錨索就是用兩段加固的預(yù)應(yīng)力錨索橫向貫穿巖柱的穩(wěn)定性控制技術(shù)。

3 孤島支護的數(shù)值模擬

按照以上所選的支護方法進行數(shù)值模擬分析。巷道的方法為錨桿＋空間錨索桁架，中間巖柱的支護方法為雙控錨索。如前文所述，噴漿在深部巷道支護中的主要作用是防止圍巖風(fēng)化，其支護能力較弱，而注漿可以將破碎圍巖膠結(jié)成一個整體，但形成的膠結(jié)體巖性較弱，故為了簡化數(shù)值模擬，說明空間錨索桁架和雙控錨索的作用，不考慮注漿和噴漿在模型中的支護作用。

按照以上設(shè)置的參數(shù)進行建模，支護材料與巖體進行耦合，支護布置情況如圖11所示。經(jīng)過計算，支護后的孤島變形如圖12所示。

與無支護孤島相比，可以發(fā)現(xiàn)，支護后的各條巷道圍巖位移場均有所改善。支護后，最大變形位置仍位于“Y”形交叉點最大斷面處，其變形值減小了12mm左右，相比于支護前減小了15%。三個交叉點處最大位移面積均有不同程度的減小。中間巖柱周圍普通巷道頂板位移量減小了10mm左右，比支護前減小了20%。

可見，對于孤島這一復(fù)雜巷道結(jié)構(gòu)，空間錨索桁架＋雙控錨索的這一支護方法有效地控制了圍巖的變形。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

淮北臨渙礦東部孤島（如圖11）工程位于九采區(qū)煤倉附近，臨渙煤電原為架線電車牽引礦車運輸煤炭，現(xiàn)東翼采區(qū)技改后，采用皮帶連續(xù)運輸，故開挖東翼3#皮帶機巷，巷道與原巷道夾角為12.4°，相交于九采區(qū)煤倉。巷道地面標(biāo)高＋27m，井下標(biāo)高－440m，巖性為9煤層底板鋁質(zhì)泥巖及粉砂巖。交岔點附近巷道重疊交錯，上方部分工作面已回采。皮帶大巷與東九大巷夾角偏小，交岔點支護難度大，由于受采動影響，附近巷道出現(xiàn)過局部掉頂、漿皮開裂等現(xiàn)象，已進行幾次錨噴修復(fù)，針對以上情況，對此段巷道專門進行施工支護設(shè)計。

4.2 支護方法及材料技術(shù)參數(shù)

周圍巷道打上錨桿，架設(shè)空間錨索桁架并噴漿注漿；孤島巖柱用雙控錨索加固，巖柱尖角處澆筑混凝土。

U型棚均采用36U型鋼。腰幫過頂采用鋼筋網(wǎng)、鐵背板，鐵背板規(guī)格為：長×寬×厚＝800×50×10mm。錨桿φ20mm×L2400mm，間排距700mm×700mm。鋼筋網(wǎng)φ＝10mm，網(wǎng)孔100mm×100mm。錨索φ17.8mm×L6500mm，間距為1.5～1.6m，排距1.2m。噴漿厚度為150mm。注漿錨桿長度為2.0m，間排距1.6×1.2m。注漿水灰比0.75～1：1。

4.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

通過宏觀觀測交岔點無明顯變形、開裂、片幫、炸皮、底鼓現(xiàn)象。對交岔點的測點的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，3號大斷面交叉點變形監(jiān)測曲線如圖12所示。從監(jiān)測曲線圖可以看出，自交岔點施工61天后，巷道位移量趨于穩(wěn)定。

5 孤島底鼓治理技術(shù)

隨著采深增加，底鼓問題越來越嚴(yán)重。在巷道維護成本中，底板維護也占了很大的比重。巷道底板的變形主要與底板巖性，巷道埋深，采動壓力等因素有關(guān)［17］?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)有的技術(shù)方法治理孤島巷道底鼓問題。

目前采用的底鼓控制方法主要有：底板錨桿、底板注漿、封閉式支架、切縫、打孔、松動爆破等主要技術(shù)措施，并且在特定條件下取得一定效果［18］。在我國，通過技術(shù)實踐，證明底板反拱、注漿、底角錨桿是合理有效的支護方法，而在德國等其他國家，底板錨桿支護、碎石層加固等技術(shù)取得了成功的應(yīng)用［19］。此外，底板錨索開始應(yīng)用于巷道底鼓，研究表明預(yù)應(yīng)力錨索加固巷道底板的方法和工藝，保證了加固效果，提高了底板加固施工的速度，降低了成本，是一種有效、快速、經(jīng)濟的深井巷道底鼓防治［20］。

對于孤島巷道，根據(jù)巷道底板的巖性，巷道埋深等因素，應(yīng)合理的選擇支護方法。特別是對于地應(yīng)力大，底板巖石松軟，抗變形能力很差的巷道，可以考慮綜合各種支護方法，治理巷道底鼓問題。

6 結(jié) 論

（1）孤島巖柱結(jié)構(gòu)上具有獨立性，其所承受的上部荷載遠大于周圍巖體，受高地應(yīng)力和采動影響，易破壞變形，巖柱的變形會直接影響周圍巷道的穩(wěn)定性。孤島中的交叉點巷道跨度大，其頂板是孤島的大變形部位；受中間巖柱影響，巖柱周圍的巷道比普通斷面巷道變形大。由此，加固中間巖柱，為周圍巷道提供強有力的支撐是孤島支護的關(guān)鍵。

（2）相對于單體錨索支護，空間錨索桁架可以擴大錨索的作用面積，減少巷道圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象，優(yōu)化錨索對圍巖的作用方式?？臻g錨索桁架在深部復(fù)雜條件下的圍巖破碎的巷道和頂板懸露面積大的巷道有較大的應(yīng)用前景。

（3）雙控錨索支護巖柱，可以改善巖柱的力學(xué)性能，增強其對頂板的支撐能力，進而減小頂板位移，而空間錨索桁架支護巷道，承擔(dān)一部分圍壓，可以緩解巖體對巖柱的壓力，進而減小巖柱所受應(yīng)力，從而維護孤島巖柱的穩(wěn)定。雙控錨索和空間錨索桁架共同發(fā)揮作用，對復(fù)雜條件下的孤島形成有力的支護強度，共同改善巷道和中間巖柱的力學(xué)性能，降低變形量。這種支護方法在淮北臨渙煤礦得到成功應(yīng)用，可以為其他復(fù)雜地下巷道結(jié)構(gòu)支護提供一定的借鑒。

1 嚴(yán)紅，何富連，徐騰飛.深井大斷面煤巷雙錨索桁架控制系統(tǒng)的研究與實踐［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31（11）：2248－2257.

2 李術(shù)才，王琦，李為騰.深部厚頂煤巷道讓壓型錨索箱梁支護系統(tǒng)現(xiàn)場試驗對比研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31（4）：656－666.

3 常聚才，謝廣祥.深部巷道圍巖力學(xué)特征及其穩(wěn)定性控制［J］.煤炭學(xué)報，2009，34（7）：881－886.

4 韋四江，勾攀峰，王滿想.深井大斷面動壓回采巷道錨網(wǎng)支護技術(shù)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2011，7（6）：2016－2021.

5 張義勇，程崗，陳曉偉.錨索網(wǎng)噴注支護技術(shù)在巷道交叉點冒頂處理中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2013，（6）：39－41.

6 金川，孔德慧.大斷面交岔點支護及圍巖變形控制模擬研究［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，27（1）：9－12.

7 王景義，孫亮.錨索二次支護技術(shù)在大巷交叉點中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2010，（9）：37－39.

8 王龍江，王余銀，朱戰(zhàn)超，等.“三軟”煤層煤巷交岔點加固技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2009，28（7）：72－74.

9 姜玉連，潘軍，賀永強，等.大斷面巷道交叉點縮面期間頂板控制技術(shù)［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2013，30（1）：19－23.

10 何滿潮，孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護設(shè)計與施工指南［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

11 Li G F，He M C，Zhang G F，et al.Deformation mechanism and excavation process of large span intersection within deep soft rock roadway［J］.Mining Science and Technology，2010，20（1）：28－34.

12 張銀海，孟祥瑞，趙光明，等.大斷面軟巖巷道 U型鋼桁架錨索支護技術(shù)研究［J］.煤炭技術(shù)，2011，30（3）：79－81.

13 李建軍.大斷面沿空巷道錨索桁架聯(lián)合控制技術(shù)［J］.煤炭技術(shù)，2013，32（2）：61－63.

14 曹耀豐，謝生榮，何富連，等.大跨度泥巖煤巷桁架錨索復(fù)向主動控制技術(shù)［J］.煤炭技術(shù)，2010，29（12）：87－89.

15 何富連，康榮，李宏彬，等.新三礦大斷面空間近距交叉巷道數(shù)值分析及支護［J］.煤炭工程，2011，（3）：60－62.

16 何滿潮，錢七虎，等.深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：253－260.

17 柏建彪，李文峰，王襄禹，等.采動巷道底鼓機理與控制技術(shù)［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2011，28（2）：1－5.

18 常聚才，謝廣祥.深部巖巷底鼓機理及底板超挖錨注回填技術(shù)［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2011，28（3）：361－364.

19 史元偉，張聲濤，尹世魁，等.國內(nèi)外煤礦深部開采巖層控制技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版.

20 張輝，康紅普，徐佑林.深井巷道底板預(yù)應(yīng)力錨索快速加固技術(shù)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（4）：16－19.