二次支護(hù)技術(shù)在高地應(yīng)力軟巖巷道中的應(yīng)用

武江海

（河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

二次支護(hù)技術(shù)在高地應(yīng)力軟巖巷道中的應(yīng)用

武江海

（河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

隨著礦井開采深度不斷加深，巷道所受的地應(yīng)力越來(lái)越大，采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式已不能較好地控制圍巖的破壞變形。本文通過(guò)對(duì)東回風(fēng)石門表面位移的監(jiān)測(cè)曲線分析一次支護(hù)后巷道圍巖破壞變形機(jī)理，得出巷道變形量大的主要原因是圍巖所受地應(yīng)力較大、支護(hù)深度較淺和支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。為此，在一次支護(hù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)注漿錨桿和注漿錨索束相結(jié)合的二次支護(hù)技術(shù)，取得了較好的支護(hù)效果。

軟巖；高地應(yīng)力；二次支護(hù)；注漿錨桿；注漿錨索束

隨著礦井開采范圍的延伸，平頂山礦區(qū)多數(shù)礦井相繼進(jìn)入深部開采，大部分礦井開采深度達(dá)到1 000m左右，進(jìn)入深部開采后，巷道所受的地應(yīng)力越來(lái)越高，巷道圍巖表現(xiàn)出大變形、高地應(yīng)力、難支護(hù)等現(xiàn)象。礦山壓力顯現(xiàn)劇烈、巷道變形速率快且變形量大，圍巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，巷道的破壞變形嚴(yán)重，巷道返修率超過(guò)50%。返修頻率高，局部區(qū)段達(dá)到兩三次，支護(hù)難度大且支護(hù)成本高，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)。對(duì)于類似平頂山礦區(qū)的深井軟巖巷道大變形、難支護(hù)的現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如何滿潮院士提出耦合支護(hù)理論［1］，陸家梁教授提出聯(lián)合支護(hù)理論［2］，這些理論都較好地解決了軟巖巷道的支護(hù)難題。本文以平煤股份一礦-950水平東回風(fēng)石門為研究對(duì)象，運(yùn)用軟巖巷道支護(hù)的相關(guān)理論，進(jìn)行積極探索，在一次支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用注漿錨桿和注漿索束二次支護(hù)技術(shù)成功地解決深井軟巖巷道支護(hù)難題。

1 工程背景

東回風(fēng)石門是平煤一礦三水平下延工程的二期工程，巷道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)358m，巷道埋深1 075m，按方位197°施工，巷道0～140m設(shè)計(jì)為3‰下山，巷道140～155m設(shè)計(jì)為平巷，巷道155～216m設(shè)計(jì)為14°上山，巷道216～358m設(shè)計(jì)為3‰上山。巷道斷面采用半圓拱形斷面，巷道設(shè)計(jì)凈寬6 000mm，凈高4 850mm，墻高1 850mm，S凈=25.24m2，S掘= 27.24m2，平面圖如圖1所示。巷道距戊組煤頂板約23m，巷道層位處在丁組煤與戊組煤之間，巖石傾角5°～9°，巷道所處的巖層是厚度為11.2m的灰黑色的泥巖中。

2 一次支護(hù)破壞變形機(jī)理分析

2.1 巷道表面位移的監(jiān)測(cè)

東回風(fēng)石門一次支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)，錨桿采用直徑22mm，長(zhǎng)度為3m高強(qiáng)樹脂錨桿，錨桿間排距均為800mm，每根錨桿的錨固力不小于276kN，每根錨桿使用3卷型樹脂藥卷進(jìn)行錨固；金屬網(wǎng)采用直徑為6mm，鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格形狀為正方形，邊長(zhǎng)為100mm，兩片金屬網(wǎng)之間的搭接長(zhǎng)度不少于100mm；噴射混凝土：噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不低于C20，經(jīng)初噴和復(fù)噴后，噴漿總厚度不小于150mm；錨索采用直徑22mm，長(zhǎng)度為8m鋼絞線，錨索間排距均為1 400mm，每根錨索的錨固力不小于300kN，每根錨索使用5卷Z2850型樹脂藥卷進(jìn)行錨固，一次支護(hù)斷面圖如圖2所示。

圖1 東回風(fēng)石門平面圖

圖2 一次支護(hù)斷面圖

為了更好地研究圍巖的破壞變形規(guī)律，巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的之間相互作用，確定最佳二次支護(hù)時(shí)間，巷道進(jìn)行一次支護(hù)后，對(duì)東回風(fēng)石門巷道表面的位移進(jìn)行3個(gè)月的觀測(cè)，監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，巷道圍巖的移動(dòng)變形是非線性的，深部圍巖的破壞變形可劃分為3個(gè)階段［3-6］。第一個(gè)階段是急劇變形階段，在巷道開挖后1～25d內(nèi)是巷道圍巖的急劇變形階段，巷道表面圍巖的變形速率較大。這是由于巷道開挖后引起地應(yīng)力重新平衡分布，巷道淺部圍巖的強(qiáng)度較低，在高地應(yīng)力的作用下，在巷道的表面形成應(yīng)力集中，圍巖內(nèi)的變形能得到釋放。第二個(gè)階段是平緩變形階段，在巷道在開挖25～50d后，巷道破壞變形量仍不斷增大，但圍巖的變形速率逐漸減小。在這個(gè)階段，圍巖內(nèi)的變形能得到釋放，支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮一定的作用，應(yīng)力集中逐漸地向深部圍巖內(nèi)轉(zhuǎn)移，隨著深部圍巖承載能力增強(qiáng)，傳遞到巷道表面的位移速率逐漸減小。第三個(gè)階段是相對(duì)平穩(wěn)階段，在巷道開挖50～120d，巷道的圍巖變形趨于相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)巷道圍巖的地應(yīng)力平衡已經(jīng)趨于相對(duì)平衡，但巷道仍以較小的速度發(fā)生蠕變變形［7，8］。

圖3 巷道表面位移的監(jiān)測(cè)曲線

2.2 一次支護(hù)巷道破壞變形機(jī)理

巷道一次支護(hù)后，在未對(duì)其進(jìn)行二次支護(hù)的條件下，巷道整體出現(xiàn)了頂板下沉、兩幫收斂、底鼓和部分錨桿、錨索拉斷的現(xiàn)象，巷道整體變形量較大，噴漿層開裂，尤其是巷道的兩幫和拱部，噴漿層脫落最為嚴(yán)重，部分地段出現(xiàn)帽頂和偏幫的現(xiàn)象。從圍巖的力學(xué)性質(zhì)方面來(lái)講，這主要圍巖在高地應(yīng)力環(huán)境下，圍巖的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，在埋深較大的高地應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，由于受到高地應(yīng)力的影響，圍巖的力學(xué)狀態(tài)由彈性向彈塑性轉(zhuǎn)變，圍巖的變形由脆性向延性轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)出軟巖的力學(xué)特性。若僅采用一次支護(hù)，極易出現(xiàn)偏幫、帽頂?shù)却笞冃蔚钠茐淖冃?，即使巷道處于相?duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，圍巖還以較慢的速度發(fā)生蠕變變形［9］。從支護(hù)效果方面來(lái)講，由于巷道圍巖的強(qiáng)度較低，在巷道圍巖在開挖和支護(hù)的過(guò)程中受到不同程度的風(fēng)化，在高地應(yīng)力的作用下，圍巖發(fā)生膨脹變形，隨著礦山壓力不斷增大，造成支護(hù)變形破壞。當(dāng)不斷發(fā)育圍巖的塑性區(qū)域超過(guò)錨桿的錨固長(zhǎng)度時(shí)，錨桿支護(hù)將會(huì)失效，此時(shí)巷道附近的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力共同作用大于支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖形成的支撐作用時(shí)，巷道因支護(hù)失效而發(fā)生嚴(yán)重的破壞變形［10］。

通過(guò)以上分析可知，巷道在進(jìn)行一次支護(hù)后，由于地應(yīng)力較大，圍巖破碎、強(qiáng)度低、塑性區(qū)域大，一次支護(hù)深度和強(qiáng)度并不能很好地控制圍巖變形，應(yīng)對(duì)巷道進(jìn)行二次支護(hù)。

3 二次支護(hù)設(shè)計(jì)

東回風(fēng)石門所受的地應(yīng)力較大，一次支護(hù)后圍巖的塑性區(qū)域較大，根據(jù)軟巖巷道的支護(hù)原理，對(duì)東回風(fēng)石門進(jìn)行二次支護(hù)，在進(jìn)行二次支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)思路。

①增強(qiáng)支護(hù)體系的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)深度，充分利用圍巖的自身承載能力，發(fā)揮支護(hù)體與圍巖的相互協(xié)調(diào)作用。由于高地應(yīng)力的圍巖松動(dòng)圈較大，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，通過(guò)增強(qiáng)支護(hù)體系的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)深度，使支護(hù)體系和圍巖變形力學(xué)特性相適應(yīng)，將巷道附近圍巖的壓力傳遞到深部穩(wěn)定圍巖內(nèi)，降低巷道附近的壓力，充分調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力。選用二次支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)圍巖與支護(hù)體之間的協(xié)調(diào)，改變圍巖自身的承載性能，允許圍巖發(fā)生一定變形，實(shí)現(xiàn)高阻讓壓［11］。

②大范圍改善圍巖的性質(zhì)，提高圍巖的整體承載能力。對(duì)于松動(dòng)范圍較高的應(yīng)力軟巖巷道，巷道圍巖控制的關(guān)鍵還在于對(duì)圍巖破碎區(qū)域的控制。通過(guò)大范圍的注漿，將深部破碎的圍巖膠接在一起，一方面可在較大范圍內(nèi)強(qiáng)化圍巖的力學(xué)性能，另一方面還可以為錨桿提供更好的錨固基礎(chǔ)，使注漿加固后的圍巖能夠與支護(hù)體系形成承載能力更強(qiáng)的承載圈，增強(qiáng)圍巖的支護(hù)效果。

根據(jù)二次支護(hù)的設(shè)計(jì)思路和以上論述，對(duì)東回風(fēng)石門的二次支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出采用注漿錨桿和注漿錨索束相結(jié)合的二次支護(hù)技術(shù)。

4 方案實(shí)施

4.1 主要支護(hù)參數(shù)

二次支護(hù)注漿錨桿采用直徑為25mm、長(zhǎng)度為3m的注漿錨桿，注漿錨桿間排距均800mm，每根注漿錨桿使用3卷Z2850型樹脂藥卷進(jìn)行錨固，錨桿采用HRB35厚壁無(wú)縫鋼管制作而成；注漿漿液采用42.5R級(jí)硅酸鹽水泥，并按一定的比例添加水泥添加劑，注漿錨桿注漿壓力控制在3MPa左右。由3根1×19-φ22×16 000mm鋼絞線組成錨索束，錨索束間排距1 600mm×3 200mm，每排布置5根，注漿漿液采用42.5R水泥單液漿，注漿組合錨索注漿壓力控制3～5MPa，支護(hù)斷面圖如圖4所示。

圖4 支護(hù)斷面圖

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

①二次支護(hù)時(shí)，需要選擇合理的二次支護(hù)時(shí)間，若二次支護(hù)的時(shí)間過(guò)早，圍巖并未進(jìn)行充分變形，賦存的能量不能得到釋放，若作用在支護(hù)體上，將對(duì)支護(hù)體造成破壞；若二次支護(hù)的時(shí)間過(guò)晚，則造成圍巖塑性區(qū)域過(guò)大，破壞變形嚴(yán)重，因此應(yīng)根據(jù)圍巖的表面位移的變形監(jiān)測(cè)曲線分析確定二次支護(hù)時(shí)間。通過(guò)圖3可知，二次支護(hù)的注漿錨桿施工一般控制在一次支護(hù)后15～20d，注漿錨索束在其后7d內(nèi)施工，二次支護(hù)一般在一次支護(hù)后25～30d完成。

②具體注漿的過(guò)程中，由于圍巖裂隙的發(fā)育程度并不完全相同，漿液的水灰比控制難度較大，需要不斷地進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿情況，淺部注漿錨桿一般控制到1∶1.2～1∶1.4，深部注漿錨索束一般控制在1∶1～1∶1.2。

③安裝錨索束難度大，由于3根16m錨索束重量大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，為保證排氣管完好，需要人工將錨索束推入孔底。

4.3 支護(hù)效果檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)支護(hù)的效果，在巷道進(jìn)行二次支護(hù)后，仍采用十字觀測(cè)的方法，對(duì)巷道的表面位移進(jìn)行觀測(cè)。在實(shí)際的觀測(cè)中，東回風(fēng)石門二次支護(hù)施工兩個(gè)月以后，巷道表面位移的變形就基本趨于穩(wěn)定。通過(guò)巷道表面位移連續(xù)兩個(gè)月的觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)出觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理，得出巷道頂板下沉量、兩幫的收斂量和底板鼓起量的變化曲線，如圖5所示。

圖5 二次支護(hù)后巷道表面位移的監(jiān)測(cè)曲線

通過(guò)圖5可以看出，經(jīng)過(guò)二次支護(hù)后，東回風(fēng)石門的圍巖得到了很好的控制，頂板的下沉量、兩幫的收斂量和巷道的底鼓量在治理后隨著時(shí)間的推移逐漸線性增加，然后緩慢達(dá)到最大位移量。二次支護(hù)后的東回風(fēng)石門巷道破壞變形劇烈階段為二次支護(hù)后的20d，在二次支護(hù)施工后的40d左右，巷道圍巖的變形幾乎趨于穩(wěn)定，已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。這表明二次支護(hù)施工后的40d內(nèi)東回風(fēng)石門采用二次支護(hù)體系已經(jīng)充分發(fā)揮支護(hù)作用，較好地控制了巷道的圍巖。通過(guò)將圖3和圖5對(duì)比分析可知，二次支護(hù)前后巷道表面的位移量相差很大，二次支護(hù)后巷道表面的位移量減小量較大，尤其是底鼓量減小量最大。采用二次支護(hù)后，巷道的頂板下沉量、兩幫收斂量、底板鼓起量分別減少了186、453、586mm，降低幅度達(dá)77.3%、79.4%、87%，采用二次支護(hù)后東回風(fēng)石門巷道圍巖表面的位移量降低幅度達(dá)到77%以上，其中底鼓量的降低幅度均達(dá)到87%以上，這表明采用淺部注漿錨桿和深部注漿錨索束的二次支護(hù)技術(shù)較好地提高了圍巖的整體性和承載能力，取得了較好的支護(hù)效果，這為深部高地應(yīng)力軟巖巷道圍巖的控制提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)-950水平東回風(fēng)石門進(jìn)行注漿錨桿和注漿錨索束的二次支護(hù)，主要得出以下結(jié)論。

①二次支護(hù)中采用的中空注漿錨桿用樹脂錨固劑固定，能夠及時(shí)提供預(yù)緊力，等同于樹脂錨桿的作用，由樹脂端錨變成全長(zhǎng)錨固，及時(shí)增強(qiáng)錨網(wǎng)索噴支護(hù)，提高圍巖錨桿支護(hù)效果。

②通過(guò)淺部和深部注漿形成厚度較大的圍巖加固圈，同時(shí)利用錨索束將淺部圍巖的受力向深部圍巖轉(zhuǎn)移，降低巷道表面的應(yīng)力集中，發(fā)揮錨索束的支護(hù)承載能力。

③采用二次支護(hù)技術(shù)后減少了一次支護(hù)中墻部錨索的設(shè)計(jì)，而且注漿錨桿注漿工作可在耙斗機(jī)后方施工，實(shí)現(xiàn)了錨網(wǎng)索噴、注漿錨桿注漿、注漿錨索束各主要工序平行作業(yè)、互不影響，減少了一次支護(hù)工程量，有效提高了施工速度。

［1］何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［2］陸家梁.軟巖巷道支護(hù)技術(shù)［M］.長(zhǎng)春：科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

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Application on Secondary Support Technology in High Geostress Soft Rock Roadway

Wu Jianghai
（Henan Polytechnic University School of Civil Engineering，Jiaozuo Henan 454000）

Roadway bearable ground stress is bigger and bigger with the deeper of mining depth be--comes,the destruction of the surrounding rock deformation can't be controlled better by traditional way of support.This paper analyzed the damage of surrounding rock deformation mechanism by the monitoring curve of surface displacement of east return air crossdrift,drawing a conclusion that the main reason of the deformation of roadway are roadway bearable higher ground stress,support dep--th relative shallower,support structure lower strength.So it designs secondary support technology of grouted bolt and grouted anchor beam combined,which have made better support effect.

soft rock；high geostress；secondary support；grouted bolt；grouted anchor beam

TD353

A

1003-5168（2017）05-0082-04

2017-04-15

武江海（1983-），男，在職碩士，工程師，研究方向：工程技術(shù)和項(xiàng)目管理。