深井軟巖巷道底板卸壓鋼絲繩網(wǎng)錨注支護技術(shù)研究

李如波，翟儼偉，涂興子，翟新獻，黃廣帥，劉小帥，肖同強

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；3.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

我國煤礦開采以井工為主，因此，井下開拓和準(zhǔn)備巖巷施工工程量巨大。隨著煤礦開采強度加大和開采深度增加，礦井開采地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，特別是深井巷道，受圍巖巖性和“三高一擾動”的影響，導(dǎo)致深部巷道支護困難。例如，高應(yīng)力巷道、軟巖巷道、大斷面巷道(硐室)等深井巷道，圍巖應(yīng)力高，巖性較差，傳統(tǒng)的深部巷道支護技術(shù)難以維護巷道穩(wěn)定,巷道變形破壞嚴(yán)重，翻修量大，影響巷道正常使用[1-3]。近年來，眾多學(xué)者[4-10]在大量研究的基礎(chǔ)上，提出了巷道卸壓技術(shù)，以控制深部巷道圍巖穩(wěn)定性，通過轉(zhuǎn)移圍巖高應(yīng)力的方式，改變巷道淺部圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，減緩巷道淺部圍巖應(yīng)力，進而實現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定。卸壓能夠吸收大部分圍巖變形能量，促使高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，降低底板淺部圍巖應(yīng)力[11]。根據(jù)“強弱強”原理，楊青松[12]研究了底板卸壓槽支護機理，底板開掘窄且深的卸壓槽“弱結(jié)構(gòu)”，改變巷道圍巖應(yīng)力場，釋放圍巖高應(yīng)力，最后注漿加固成“強結(jié)構(gòu)”，這種“強弱強”結(jié)構(gòu)有效地防治了巷道底鼓；張偉杰等[13]通過數(shù)值模擬，研究了卸壓巷道對被保護巷道的影響，發(fā)現(xiàn)卸壓效果主要與兩巷道之間的距離以及卸壓巷道的尺寸有關(guān)，且當(dāng)兩巷道相距5～12 m、卸壓巷道直徑2～3 m時，卸壓效果較好；王文杰[14]認(rèn)為回采巷道在高應(yīng)力和采動應(yīng)力雙重影響下，采用卸壓支護可以有效協(xié)調(diào)巷道圍巖的變形，達到維護巷道穩(wěn)定性的目的；楊戰(zhàn)標(biāo)[15]通過數(shù)值模擬，對大斷面軟巖硐室底板卸壓槽合理深度進行了研究，模擬結(jié)果和現(xiàn)場試驗表明，當(dāng)卸壓槽寬300 mm、深900 mm時，卸壓效果較好。目前卸壓技術(shù)為深井軟巖巷道圍巖變形控制的主要技術(shù)，也是深井巷道支護研究的重點。

本文針對平頂山天安煤業(yè)股份有限公司一礦(以下簡稱平煤一礦)三水平下延戊一采區(qū)回風(fēng)上山巷道圍巖地質(zhì)條件，設(shè)置底板卸壓槽，通過數(shù)值計算方法，分析卸壓前后巷道圍巖應(yīng)力場和位移場，通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗，研究卸壓后錨注支護巷道圍巖變形規(guī)律。

1 采區(qū)回風(fēng)上山巷道概況

1.1 巷道圍巖地質(zhì)條件

平煤一礦位于平頂山礦區(qū)中部，礦井核定生產(chǎn)能力600萬t/a。井田采用主立井副斜井多水平聯(lián)合開拓方式。采區(qū)回風(fēng)上山巷道位于戊組煤層(戊8、戊9、戊10)頂板，距戊8煤層底板30 m，沿著煤層傾向方向布置，地面標(biāo)高為+126.0～ +168.0 m，井下標(biāo)高為-806.0～ -934.5 m?；仫L(fēng)上山巷道所在巖層以泥巖為主，巷道頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。

表1 巷道頂?shù)装鍘r性特征Tab.1 Characteristics of the strata at the roof and floor of roadway

1.2 巷道圍巖變形特征

回風(fēng)上山巷道埋深932.0～1 102.5 m。采用錨(索)網(wǎng)+U型棚支架復(fù)合支護后，頂板下沉量較小，但兩幫收斂和底鼓嚴(yán)重，巷道劇烈變形持續(xù)時間長達數(shù)年，巷道圍巖變形特征如下：

(1)巷道圍巖強度低，易風(fēng)化，遇水時發(fā)生膨脹變形。平煤一礦地應(yīng)力場以構(gòu)造應(yīng)力場為主，最大主應(yīng)力為近水平方向，且隨埋深的增加而增大，應(yīng)力梯度為2.75 MPa/100 m，與上覆巖層自重應(yīng)力比為1.37～2.03[16]。平煤一礦深部泥巖的單軸抗壓強度為25～30 MPa，砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度為30～35 MPa，圍巖節(jié)理、裂隙間距小于0.4 m，圍巖較松軟破碎[17]。巷道所在巖層巖性大部分為泥巖和砂質(zhì)泥巖，其中含有較多的伊利石和高嶺石混層的黏土礦物，遇水膨脹泥化，接觸空氣后易風(fēng)化潮解，所以回風(fēng)上山巷道屬深井軟巖巷道[18]。

(2)巷道圍巖自穩(wěn)時間短、來壓快、持續(xù)變形時間長?；仫L(fēng)上山巷道成巷后，圍巖能夠維持自穩(wěn)的時間為幾十分鐘到幾個小時。

(3)巷道兩幫收縮量和頂板下沉量小，底鼓嚴(yán)重?；仫L(fēng)上山巷道埋深大，所處地層地應(yīng)力大，圍巖巖性差、強度低，且巷道底板處于無支護狀態(tài)，底鼓量達到1.5 m，底鼓速度達到4.0 mm/d，底板圍巖長期處于劇烈變形階段。

巷道圍巖變形特征示意如圖1所示。

圖1 巷道圍巖變形特征示意Fig.1 Deformation characteristics schematic of the sur- rounding rocks of roadway

回風(fēng)上山巷道掘出后，應(yīng)根據(jù)圍巖變形特征及時對圍巖進行錨網(wǎng)支護，且支護體要具有一定的變形讓壓作用。巷道施工前期在其兩腳底板處開挖卸壓槽吸收圍巖變形，同時降低圍巖應(yīng)力。后期進行錨網(wǎng)注漿支護，保證支護體具有一定的支護強度。卸壓槽卸壓后，采用混凝土充填卸壓槽。注漿支護提高了巷道圍巖自身承載能力。

2 底板卸壓槽卸壓機理

2.1 卸壓槽布置及參數(shù)

數(shù)值模擬計算表明，半圓拱形斷面巷道的底腳圍巖應(yīng)力集中明顯，因此，在巷道底板兩腳處開挖卸壓槽。底板卸壓槽參數(shù)直接影響到巷道卸壓效果[19]。在巷道底板兩側(cè)布置卸壓槽，能有效改善巷道圍巖應(yīng)力場，減少圍巖應(yīng)力集中程度，控制圍巖變形。

底板兩側(cè)卸壓槽施工后，位于底板兩側(cè)卸壓槽之間的巖體自由膨脹，巖體應(yīng)力較小。位于卸壓槽以下的巖體，受較高應(yīng)力作用后，向開挖空間發(fā)生塑性變形，巖體中出現(xiàn)次生裂隙，裂隙擴展、貫通并向深部巖體擴展，因此，底板塑性區(qū)范圍不斷擴大。由于底板塑性區(qū)承載能力較低，隨著底板變形，高應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移至圍巖深部。當(dāng)?shù)装鍑鷰r能夠承載高應(yīng)力時，底板塑性區(qū)范圍不再擴大。這充分利用了深部圍巖承載能力高的特性，達到底板圍巖穩(wěn)定的目的。依據(jù)我國卸壓槽治理巷道底鼓的成功案例[20-22]，確定回風(fēng)上山巷道底板卸壓槽寬度和深度分別為1.2 m和2.0 m。

2.2 底板卸壓槽巷道數(shù)值計算模型

為了研究底板卸壓槽對深井巷道穩(wěn)定性的影響，利用UDEC數(shù)值計算軟件，分析底板卸壓槽施工前后，巷道圍巖應(yīng)力場和位移場的變化，研究底板卸壓槽卸壓機理[23-25]。

取單位寬度的巷道頂?shù)装鍘r層垂直剖面，建立回風(fēng)上山巷道數(shù)值計算平面應(yīng)變模型。模型分為8層巖層，長度×高度為100.0 m×66.1 m。根據(jù)有限元離散原則，單元劃分的越細(xì)，數(shù)值計算結(jié)果越精確。將巷道所在巖層，單元劃分得較細(xì)，單元長度×高度為0.5 m×0.25 m；其他巖層根據(jù)其巖性、層厚，以及距巷道表面的遠(yuǎn)近等依次劃分單元。原則上單元長度×高度不大于2.5 m×1.1 m。模型共劃分16 352個單元體，節(jié)點數(shù)為36 297個。卸壓槽掘出后巷道圍巖數(shù)值計算力學(xué)參數(shù)如表2所示。

巷道底板卸壓槽采用delete命令進行開挖，巷道圍巖卸壓后達到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)時，利用fillback命令充填卸壓槽。根據(jù)數(shù)值計算的相似時間步控制，確定卸壓槽開挖與充填之間的時間差，模擬巷道埋深1 006 m。模型四周載荷簡化為均布載荷。上部邊界條件為應(yīng)力邊界條件，模型上邊界面上的力簡化為覆巖自重力，即q=Σρgh=24.25 MPa；下部邊界條件簡化為位移邊界條件，在x和y方向為固定鉸支座，即u=0，v=0；兩側(cè)邊界條件簡化為位移邊界條件，在x方向上為簡支座，即u=0。數(shù)值計算模型如圖2所示。

表2 巷道圍巖數(shù)值計算力學(xué)參數(shù)Tab.2 Numerical calculation mechanical parameters of the surrounding rocks of roadway

2.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.3.1 卸壓前后圍巖應(yīng)力場變化特征

卸壓前后巷道圍巖應(yīng)力場分布云圖如圖3所示。由圖3(a)和(b)可知，卸壓后底板垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，圍巖低應(yīng)力區(qū)范圍擴大，高應(yīng)力區(qū)范圍縮小，高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深部，因為開挖底板卸壓槽為底板圍巖膨脹變形提供了空間，高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，造成底板圍巖裂隙向深部發(fā)展，底板塑性區(qū)范圍擴大，且該范圍內(nèi)圍巖所能承受的應(yīng)力減小。由圖3(c)和(d)可知，開挖卸壓槽后底板水平應(yīng)力中低應(yīng)力區(qū)范圍擴大。卸壓槽增加了巷道底板自由面寬度，在高水平應(yīng)力作用下，卸壓槽下部圍巖向開挖空間變形，當(dāng)變形量達到一定范圍時底板圍巖發(fā)生拉伸破壞，導(dǎo)致圍巖中裂隙不斷向深部擴展，圍巖塑性區(qū)范圍擴大，而此范圍內(nèi)底板圍巖應(yīng)力減小，注漿加固后，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 底板卸壓前后巷道圍巖應(yīng)力均分布云圖Fig.3 Stress cloud diagrams of the surrounding rocks of the roadway before and after depressurization

在巷道底板中線位置布設(shè)長15.0 m的觀測線，從巷道表面開始，每隔0.5 m設(shè)置1個觀測點，共設(shè)31個，用來觀測巷道圍巖15.0 m內(nèi)的圍巖應(yīng)力變化情況。觀測結(jié)果如圖4所示。

圖4 卸壓前后巷道底板應(yīng)力與深度的關(guān)系Fig.4 Relation between the floor ground stress of roadway and floor ground depth before and after depressurization

由圖4(a)可知，隨著底板深度增大，卸壓前后底板垂直應(yīng)力逐漸增加，達到一定深度后垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定。在底板相同深度處，卸壓后底板垂直應(yīng)力小于卸壓前的，且底板垂直應(yīng)力平均值較卸壓前減小了16.7%。在底板深度1～3 m內(nèi)，卸壓前后垂直應(yīng)力相差不大,但當(dāng)?shù)装迳疃却笥? m以后，卸壓后垂直應(yīng)力明顯小于卸壓前的。卸壓前在底板8 m深度處垂直應(yīng)力增加至穩(wěn)定值，而卸壓后在底板深度10 m處垂直應(yīng)力增加至穩(wěn)定值，由此可見，卸壓后高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，從而降低了底板淺部圍巖垂直應(yīng)力，實現(xiàn)了底板卸壓的目的。由圖4(b)可知，在底板0～ 7.5 m深度內(nèi)，卸壓后同一深度巷道底板圍巖水平應(yīng)力均小于卸壓前的，水平應(yīng)力降低效果較明顯。卸壓后水平應(yīng)力峰值位置由7.5 m處增大到9.5 m處，即底板水平應(yīng)力峰值位置向底板深部轉(zhuǎn)移了2.0 m，且峰值應(yīng)力降低。因此，開挖卸壓槽后，巷道底板淺部圍巖應(yīng)力明顯降低，底板圍巖卸壓效果明顯。

2.3.2 卸壓前后巷道圍巖變形特征

卸壓前后巷道圍巖塑性區(qū)和位移矢量圖如圖5所示。由圖5(a)和(b)可知，卸壓前巷道頂板和兩幫塑性區(qū)范圍較小，而底板塑性區(qū)范圍較大；開挖底板卸壓槽使巷道圍巖中裂隙發(fā)育擴展，改善了底板淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)，使巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r塑性區(qū)范圍均擴大，如表3所示。由圖5(c)和(d)可知，卸壓前后底板位移矢量變化顯著。開挖卸壓槽后，巷道底板圍巖位移矢量大幅度減小、底鼓速度降低，底板穩(wěn)定性提高。

圖5 卸壓前后巷道圍巖塑性區(qū)和位移矢量圖Fig.5 Plastic zones and displacement vector of the sur- rounding rocks of roadway before and after depressurization

表3 底板卸壓前后巷道圍巖塑性區(qū)范圍Tab.3 Plastic zone range diagrams of the surrounding rocks of roadway before and after depressurization

綜上可知，底板卸壓槽可以減小底板淺部圍巖應(yīng)力，擴大塑性區(qū)范圍，促進高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至深部圍巖，降低底板淺部圍巖應(yīng)力，實現(xiàn)了底板卸壓的目的，有利于提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

根據(jù)回風(fēng)上山巷道圍巖巖性和變形規(guī)律，決定對巷道底板實施卸壓槽卸壓，卸壓后采用多層鋼絲繩網(wǎng)錨桿和錨注聯(lián)合支護，即“四層次噴混凝土+三層次鋼絲繩網(wǎng)+三層次錨桿+卸壓槽+圍巖注漿”的鋼絲繩網(wǎng)錨注支護，巷道支護斷面如圖6所示。

1-初噴；2-第二層噴混凝土；3-第三層噴混凝土；4-第四層噴混凝土；5-第一層錨桿；6-第二層錨桿；7-第三層錨桿； 8-第一層鋼絲繩網(wǎng)；9-第二層鋼絲繩網(wǎng)；10-第三層鋼絲繩網(wǎng)；11-卸壓槽；12-注漿錨桿

圖6 鋼絲繩網(wǎng)錨注支護巷道斷面圖

Fig.6 Roadway cross-section of bolt-grounding support with wire-rope mesh

采用φ22 mm×2 400 mm金屬樹脂錨桿。3層鋼絲繩網(wǎng)噴射混凝土總厚度380 mm，噴層強度不小于C45。鋼絲繩網(wǎng)由礦用報廢鋼絲繩加工而成，每根鋼絲繩由兩股細(xì)鋼絲繩組成，長15.0～ 18.0 m，鋼絲繩網(wǎng)網(wǎng)格為700 mm×700 mm。鋼絲繩網(wǎng)錨桿支護成巷以后，利用風(fēng)鎬人工開挖卸壓槽。以巷道兩幫邊界線作為卸壓槽對稱線，卸壓槽斷面為矩形，深度2 000 mm，寬度1 200 mm。當(dāng)?shù)装鍘r石較硬時，卸壓槽采用爆破施工法。炮孔沿著巷道底腳向底板圍巖方向傾斜布置，炮孔長度900 mm，間距500 mm。炮孔內(nèi)放置1卷炸藥，利用毫秒雷管起爆，每次爆破20個炮孔。當(dāng)巷道底板卸壓約10 d后，利用噴射混凝土對卸壓槽進行充實充填。

采用φ20 mm×1 800 mm專用注漿錨桿進行淺、深圍巖二次注漿。注漿材料為52.5水泥漿，水灰比(0.8～1)∶1，注漿壓力1.5～4.0 MPa。頂板注漿孔深3 000 mm，兩幫注漿孔深2 500 mm，在卸壓槽中布置注漿孔。第一次淺部和第二次深部圍巖注漿時，注漿錨桿間排距均為1 200 mm×1 200 mm。當(dāng)卸壓槽充填后進行第一次注漿，當(dāng)巷道兩幫移近量超過50～100 mm時，進行第二次注漿。通過2次注漿，在巷道圍巖中構(gòu)建了均勻的錨注體支護圈。

回風(fēng)上山巷道采用鋼絲繩網(wǎng)錨注支護以后，在巷道內(nèi)布置3個觀測站，即1號、2號和3號，進行巷道礦壓顯現(xiàn)觀測。通過近3個月的觀測，得到巷道圍巖變形移動曲線，如圖7所示。依據(jù)巷道圍巖變形速度將巷道圍巖變形劃分為3個階段：(1)加速變形階段。巷道掘出約7 d內(nèi)，圍巖處于加速變形階段，圍巖變形速度較高，最大移近速度達到12.50 mm/d。(2)減速變形階段。巷道掘出7～47 d內(nèi)，隨著巷道掘出時間的增加，圍巖變形速度逐漸降低，圍巖平均移近速度保持在0.80～0.90 mm/d。(3)穩(wěn)定變形階段。巷道掘出47 d以后，隨著掘出時間的增加，圍巖變形移近速度進一步降低，并逐漸趨于0，巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 巷道圍巖移近量與掘出時間的關(guān)系Fig.7 Relation between the convergence of surrounding rocks of roadway and its excavation time

為了觀測卸壓槽+鋼絲繩網(wǎng)錨桿注漿支護效果，巷道施工2個月后，在巷道頂板和兩幫布置觀測鉆孔，采用SYKJ-19型鉆孔窺視儀，進行孔內(nèi)裂隙觀測。觀測孔直徑42 mm，深度8 m。鉆孔窺視結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 巷道兩幫圍巖鉆孔窺視結(jié)果Fig.8 Peeping results of the side strata of the surrounding rocks of roadway borehole

圖9 巷道頂板圍巖鉆孔窺視結(jié)果Fig.9 Peeping results of the roof strata of the surrounding rocks of roadway borehole

深部軟巖巷道圍巖依次出現(xiàn)破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，其中破碎區(qū)和部分塑性區(qū)是深部巷道支護的重點。由圖8和圖9可以看出，巷道兩幫和頂板1.0～4.0 m內(nèi)圍巖整體性和完整性較好，局部僅出現(xiàn)微小裂隙。在巷道兩幫和頂板5.0～8.0 m內(nèi)的觀測孔出現(xiàn)碎屑、片落、甚至碎裂現(xiàn)象，尤其在圍巖深度6.0 m位置，圍巖碎裂現(xiàn)象十分明顯。

由巷道圍巖鉆孔窺視結(jié)果可知，巷道底板開挖卸壓槽后，巷道淺部圍巖應(yīng)力釋放，高應(yīng)力向深部圍巖轉(zhuǎn)移。鋼絲繩網(wǎng)錨桿和圍巖注漿加固后，在巷道圍巖中形成了錨注體支護圈，提高了巷道圍巖的強度和自身承載能力，但巷道深部圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)，甚至在頂板和兩幫圍巖6.0 m處出現(xiàn)破碎區(qū)，深部圍巖出現(xiàn)破碎區(qū)有利于淺部錨固支護圈受力均勻，有利于錨注體形成的拱殼組合圈和巷道圍巖保持穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1)回風(fēng)上山巷道埋深超過930 m，圍巖應(yīng)力高，圍巖巖性差，屬深井軟巖巷道。巷道底鼓嚴(yán)重，兩幫收斂量和頂板下沉量較小。因此，采用底板卸壓槽+鋼絲繩網(wǎng)錨注進行支護。

(2)數(shù)值計算表明，回風(fēng)上山巷道底板開掘卸壓槽卸壓后，底板圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)及其峰值應(yīng)力均向底板深部圍巖轉(zhuǎn)移。卸壓后底板同一深度的圍巖應(yīng)力均小于卸壓前的；峰值應(yīng)力向深部圍巖移動2.0 m，且峰值應(yīng)力小于卸壓前的。卸壓后巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r的塑性區(qū)范圍均增大，巷道底板圍巖位移矢量減小。因此，底板卸壓提高了巷道底板圍巖的穩(wěn)定性。

(3)現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果表明，深井巷道圍巖的破碎區(qū)和部分塑性區(qū)是支護的重點?；仫L(fēng)上山巷道采取開挖底板卸壓槽、鋼絲繩網(wǎng)錨桿支護和圍巖注漿加固等支護措施后，在巷道圍巖中形成了錨注體支護圈，提高了巷道圍巖的強度和自身承載能力。巷道圍巖變形經(jīng)歷了3個階段，即加速變形階段、減速變形階段和穩(wěn)定變形階段。之后，隨著掘出時間增加，圍巖變形移近速度進一步降低，并逐漸趨于0，巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此,卸壓槽+鋼絲繩網(wǎng)錨注支護在回風(fēng)上山巷道的支護試驗取得了成功。