高應(yīng)力富水軟巖巷道支護技術(shù)研究

劉　飛，王　芳，陳征征，馬誠超

（1.宿州學院　資源與土木工程學院，安徽　宿州　234000；2.中國礦業(yè)大學　深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇　徐州　221008）

高應(yīng)力富水軟巖巷道支護技術(shù)研究

劉飛1，2，王芳1，陳征征1，馬誠超1

（1.宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州234000；2.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221008）

隨著我國能源需求的增大，煤礦開采逐漸向深部發(fā)展，高應(yīng)力軟巖巷道的圍巖變形控制問題日益凸顯.砂質(zhì)泥巖等軟巖在淋水情況下容易泥化膨脹，引起巷道圍巖內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，具有明顯的流變特性.本文以某礦南翼Y型通風巷道為背景，研究了不同支護方案對深埋軟巖巷道的圍巖控制效果.結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)計后的錨梁網(wǎng)支護能夠有效粘合圍巖內(nèi)部破碎巖體，抑制砂質(zhì)泥巖的泥化膨脹，充分發(fā)揮圍巖自承能力，控制巷道圍巖變形在合理范圍內(nèi).

高應(yīng)力；富水；軟巖巷道；支護優(yōu)化

對于礦山巷道等工程來說，軟巖巷道的支護問題是其歷年來的疑難問題所在，而且，在當?shù)叵碌牡V山進入到深部的開采后，對于在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境以及高應(yīng)力的條件作用之下，巷道的圍巖很容易就會出現(xiàn)剪脹以及大變形流變和遇水膨脹等復(fù)合型的破壞問題.而其具體的表現(xiàn)是在斷面的世量收縮以及片幫和嚴重底鼓等多種的破壞形式，且圍巖一旦被破壞，就會很難進行有效的支護，并且會對于礦山的安全高效的全產(chǎn)等造成很大的威脅.而隨著我國能源需求的增大，隨著我國煤礦開采深度的增加，煤礦開采將會逐漸的向深部發(fā)展，高應(yīng)力軟巖巷道的圍巖變形控制問題日益凸顯.砂質(zhì)泥巖等軟巖在淋水情況下容易泥化膨脹，引起巷道圍巖內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，具有明顯的流變特性.而探索出正確的軟巖巷道圍巖的變形破壞以及控制機理等已經(jīng)成為了一個十分急需解決的重要問題.為此，本文以某礦南翼Y型通風巷道為背景，運用數(shù)值模擬的研究方法來系統(tǒng)的分析了高應(yīng)力的軟巖巷道的變形破壞特征以及讓壓支護的機理，并且還將研究的成果成功的運用到了高應(yīng)力軟巖巷道的支護等的工程實踐之中來，以為此研究了不同支護方案對深埋軟巖巷道的圍巖控制效果等.而其結(jié)果表明:優(yōu)化設(shè)計后的錨梁網(wǎng)支護能夠有效粘合圍巖內(nèi)部破碎巖體，抑制砂質(zhì)泥巖的泥化膨脹，充分發(fā)揮圍巖自承能力，控制巷道圍巖變形在合理范圍內(nèi).

1　工程地質(zhì)條件

某礦南翼Y型通風巷道埋深平均600m，斷面尺寸5400*3800mm，巷道巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤線及11-2、9-2、9-1、8、7-2、6-2煤等.根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，設(shè)計巷道將要穿過斷層及構(gòu)造較多，斷層影響范圍內(nèi)，特別是F93-1斷層及F104-1斷層組附近煤（巖）層產(chǎn)狀變化大，裂隙、滑面發(fā)育，斷層附近存在相對富水區(qū)，巷道過斷層施工期間可能會出現(xiàn)淋水或較大涌水現(xiàn)象，主要水害為煤層頂、底板砂巖裂隙水及構(gòu)造裂隙水.在巷道頂板裂隙發(fā)育及斷層發(fā)育段施工期間出現(xiàn)了淋水或較大涌水現(xiàn)象，巷道掘進期間正常涌水量為3～5m3/h，最大涌水量為40m3/h.我們從深部發(fā)生的復(fù)合型破壞的高應(yīng)力軟巖巷道極其其所處的高應(yīng)力環(huán)境以及特殊的巖性條件和圍巖體層狀的構(gòu)造等多個角度來進行測試分析以及研究，來找到解決這一難題的相關(guān)措施以及辦法.并經(jīng)過大量的現(xiàn)場工程地質(zhì)的調(diào)查以及結(jié)合的巷道長期的變形監(jiān)測的結(jié)果，來對深部的高應(yīng)力軟巖巷道發(fā)生破壞的原因和破壞的類型進行了詳細的分析，并且對其深部軟巖巷道的底鼓的相關(guān)的原因以及機理進行了深入的探討.

2　初次支護方案

2.1支護方案設(shè)計

軌道上山中現(xiàn)有的支護為木棚支護，其基本框式支架的主要功能以及作用都是對巷道圍巖施加一定的徑向力，來保持巖體的固有強度，以發(fā)揮出巖體的自承能力，并以此來控制巷道圍巖的變形以及防止巖塊的塌落.而框式支架和支架的承載能力十分能有效的發(fā)揮，其主要還是要取決于支架的形式和結(jié)構(gòu)及參數(shù)、巷道和圍巖之間的空隙以及空穴是否能有效的實施壁后充填以及充填的方式與材料.南翼Y型通風巷道巖性主要為砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層，巷道圍巖原位強度低［1，2］、層理裂隙發(fā)育，遇水軟化現(xiàn)象明顯［3，4］.同時受采動及斷層影響，南翼Y型通風巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道底鼓嚴重，頂板下沉，兩幫位移較大，不能滿足1m皮帶安裝要求.初次支護采取架棚支護，架棚支護示意圖如圖1所示.

圖1　架棚支護示意圖

圖4　錨梁網(wǎng)支護示意圖

南翼Y型通風巷道初次采取的支護形式為架棚（36U，排距為600mm，規(guī)格為5808×4540mm）+噴注漿支護，梁腿搭接長度為500mm，棚腿焊鐵鞋，采用U型鋼下腳料加工，長度為200mm.

2.2巷道圍巖變形規(guī)律

南翼Y型通風巷道設(shè)計掘進長度為2351m，為了掌握掘進過程中巷道圍巖變形情況，采用激光測距儀每隔10m監(jiān)測巷道頂?shù)紫鄬σ平亢蛢蓭拖鄬σ平?掘進至100m長度時，觀測發(fā)現(xiàn)架棚+噴注漿支護形式下，巷道變形仍然嚴重.

在架棚+噴注漿支護形式下，掘進后的巷道表面變形較大；與先掘進段對比發(fā)現(xiàn)，隨著掘進長度的增大，巷道頂?shù)?、兩幫相對位移量呈減小趨勢.南翼Y型通風巷道埋深較深、應(yīng)力較大，巷道圍巖以砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層為主，砂質(zhì)泥巖在淋水情況下容易泥化［5-7］，引起巷道圍巖內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻.同時，砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層具有明顯的流變特性，架棚+噴注漿支護不能有效粘合圍巖內(nèi)部破碎巖體，抑制砂質(zhì)泥巖的泥化膨脹，沒有充分發(fā)揮圍巖自承能力，導(dǎo)致巷道表面變形較大［8，9］.

3　優(yōu)化支護方案

我們通過上述分析可知，巷道必須是要采用比支護的阻力更高的支護形式.而我們在掘進的初期就要有效的控制住圍巖的裂隙進一步的發(fā)育，并且要在圍巖的淺部形成具有較高的承載能力的承載結(jié)構(gòu).并根據(jù)該礦地質(zhì)的采礦條件，來采用高強度的錨網(wǎng)支護，其完全的可以控制住圍巖的變形以保證工作面的正常安全開采.

3.1支護方案優(yōu)化

架棚+噴注漿支護形式下，南翼Y型通風巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，U型棚變形嚴重，為了有效粘合圍巖內(nèi)部破碎巖體，抑制砂質(zhì)泥巖的泥化膨脹，充分發(fā)揮圍巖自承能力，對架棚+噴注漿支護形式進行改進，頂板破碎帶采取外錨內(nèi)架支護方式.錨梁網(wǎng)支護示意圖如圖4所示.

錨梁網(wǎng)支護，排距600mm，規(guī)格為5808* 4540mm，另加中空錨索、注漿錨桿注漿支護.錨桿間排距850mm*600mm，其中頂部3根配合M5 （L=4600mm）鋼帶支護.頂部錨索每排5根（3根為注漿錨索，3-3交錯布置），間排距1.7*0.6m，其中3根配合M5（L=4600mm）鋼帶支護，剩余兩根為點錨.幫部錨索共兩根，沿巷道走向布置，排距1.1m，配合14#槽鋼（L=2600mm）支護.噴漿厚度為100mm，噴射砼標號為C20.

3.2優(yōu)化效果分析

南翼Y型通風巷道掘進100m-200m段時，為了對比采取優(yōu)化設(shè)計方案后掘進巷道圍巖變形情況，采用激光測距儀每隔10m監(jiān)測新掘進百米巷道頂?shù)紫鄬σ平亢蛢蓭拖鄬σ平?實測結(jié)果顯示，采取優(yōu)化設(shè)計方案后，新掘巷道頂?shù)紫鄬σ平孔畲笾敌∮?50mm，兩幫相對移近量小于120mm，巷道表面變形較小.說明優(yōu)化后的錨梁網(wǎng)支護能有效粘合圍巖內(nèi)部破碎巖體，抑制砂質(zhì)泥巖的遇水泥化膨脹，有效發(fā)揮圍巖自承載能力［10］.

4　結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我們社會的需求量也在不斷的增加，故而，對于能源的物資需求已經(jīng)成了我們?nèi)祟惿钪胁豢纱_實的一部分.高應(yīng)力的軟巖巷道的支護問題乃是一個涉及到全球范圍的十分重要的一個問題，砂質(zhì)泥巖等軟巖在淋水情況下容易泥化膨脹，引起巷道圍巖內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，具有明顯的流變特性［11，12］.本文以某礦南翼Y型通風巷道為背景，研究了不同支護方案對深埋軟巖巷道的圍巖控制效果.結(jié)果表明:優(yōu)化設(shè)計后的錨梁網(wǎng)支護能夠有效粘合圍巖內(nèi)部破碎巖體，抑制砂質(zhì)泥巖的泥化膨脹，充分發(fā)揮圍巖自承能力，控制巷道圍巖變形在合理范圍內(nèi).而本文通過以某礦南翼Y型通風的巷道做為背景，研究了不同支護方案對深埋軟巖巷道的圍巖控制效果.結(jié)果表明:優(yōu)化設(shè)計后的錨梁網(wǎng)支護能夠有效粘合圍巖內(nèi)部破碎巖體，抑制砂質(zhì)泥巖的泥化膨脹，充分發(fā)揮圍巖自承能力，控制巷道圍巖變形在合理范圍內(nèi).具體如下:

（1）砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層，巷道圍巖原位強度低、層理裂隙發(fā)育，在淋水情況下容易泥化膨脹，引起巷道圍巖內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻.

（2）與先掘進段對比發(fā)現(xiàn)，隨著掘進長度的增大，巷道頂?shù)住蓭拖鄬ξ灰屏砍蕼p小趨勢，說明以砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層為主的巷道圍巖具有明顯的流變特性.

（3）優(yōu)化設(shè)計后的錨梁網(wǎng)支護能夠有效粘合圍巖內(nèi)部破碎巖體，抑制砂質(zhì)泥巖的泥化膨脹，充分發(fā)揮圍巖自承能力，控制巷道圍巖變形在合理范圍內(nèi).

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TD353

A

1673-260X（2016）07-0007-03

2016-04-22

國家自然科學基金項目資助（51074163）；國家自然科學基金重點項目資助（50834005）