深部軟巖巷道錨注支護(hù)技術(shù)研究

李書博

(陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)魏墻煤業(yè)有限公司，陜西 橫山 719100)

0 引言

深部軟巖巷道支護(hù)一直是國(guó)內(nèi)外煤礦井下工程支護(hù)的難點(diǎn)，其特點(diǎn)是圍巖破裂范圍大，變形量大，大地壓，支護(hù)難[1]。隨著煤礦向深部、大規(guī)模及現(xiàn)代化的趨勢(shì)發(fā)展，“軟弱巖、煤體”自身膨脹給于巷道支護(hù)的疊加壓力也帶來(lái)強(qiáng)烈影響[1-3]，嚴(yán)重制約煤礦的開采安全。為此，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)深部軟巖巷道的支護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了諸多探索。李國(guó)峰[4]等人提出深部軟巖巷道具有非線性大變形特征，單一的支護(hù)方式難以控制。孟慶彬[5]等人研究指出，隨著“錨注加固體等效層”參數(shù)的提高，巷道圍巖位移及塑性區(qū)隨之降低。黃慶享[6]等人提出了巷道支護(hù)要重視兩幫和底板的原則，為軟巖巷道支護(hù)理論與實(shí)踐提供了新的借鑒，但在深部軟巖支護(hù)特別是泥質(zhì)膠結(jié)遇水膨脹的粘土巖或斷層破碎帶中，支護(hù)效果也不理想。錨噴支護(hù)變形嚴(yán)重，底臌兩幫擠壓，支護(hù)層脫落，運(yùn)輸通風(fēng)困難。盡管采取了重噴、架棚或砌碹等復(fù)合支護(hù)加固措施，支護(hù)效果仍然不佳。本文通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)、理論分析等方法，對(duì)在軟巖及破碎帶內(nèi)的注漿錨噴法支護(hù)進(jìn)行研究分析，結(jié)論可為同類地質(zhì)條件下的煤礦提供有效的技術(shù)參考。

1 工程概況

-650斜井一號(hào)交岔點(diǎn)巷道作為某煤礦的咽喉要道，承擔(dān)著該礦的運(yùn)輸、通風(fēng)等重要任務(wù)。該巷道埋深670 m，聯(lián)接著3條主要巷道，分別為-650東大巷、-650西大巷以及-400運(yùn)輸大巷。巷道頂?shù)装迨腔訌?fù)雜的復(fù)合頂板，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，具體為砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、泥巖互層。此外，巷道頂?shù)装搴枯^大，部分頂幫出現(xiàn)淋水，厚9.2 m，幾乎無(wú)膠結(jié)質(zhì)，含凝灰?guī)r，軟巖遇水極易膨脹，呈流變狀態(tài)。技術(shù)改造前該巷道采用金屬棚子支護(hù)。由于巷道圍巖穩(wěn)定性較差，埋深大，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，支護(hù)材料出現(xiàn)大變形和破損，對(duì)該礦的安全生產(chǎn)造成巨大威脅。

圖1 -650斜井一號(hào)交岔點(diǎn)示意圖

2 理論分析

通過(guò)觀測(cè)開挖深部軟巖巷道時(shí)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)巷道壁上的原巖應(yīng)力由于受到巷道開挖的擾動(dòng)而被破壞，這種圍巖應(yīng)力變化的現(xiàn)象一般被稱為圍巖的“拉壓”域和分層裂化現(xiàn)象。

2.1 計(jì)算模型

在一般支護(hù)條件下，由巖體應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線和工程經(jīng)驗(yàn)可以把開挖后的巷道周圍的巖體大致分成彈性區(qū)、塑性軟化區(qū)和殘余強(qiáng)度區(qū)這3個(gè)區(qū)域，如圖2所示。

①-普通支護(hù)；②-錨注支護(hù)；Ⅰ-殘余強(qiáng)度區(qū)；Ⅱ-塑性軟化區(qū)；Ⅲ-彈性區(qū)圖2 圍巖計(jì)算模型示意圖

在軟巖工程中，因?yàn)殄^注支護(hù)的范圍在殘余強(qiáng)度區(qū)內(nèi)，在注漿漿液把支護(hù)體膠結(jié)成一個(gè)相對(duì)完整的巖體之后，會(huì)形成一個(gè)以殘余強(qiáng)度區(qū)為邊界的彈性圈。根據(jù)應(yīng)力——應(yīng)變曲線分析可知，在錨注支護(hù)體上也形成了一個(gè)包括彈性區(qū)、塑性軟化區(qū)和殘余強(qiáng)度區(qū)3個(gè)分區(qū)的變形區(qū)域。另外，在開挖后圍巖發(fā)生一定變形情況下采取錨噴支護(hù)，其提供的聚力能使圍巖塑性區(qū)半徑變小，從而使位移和殘余強(qiáng)度區(qū)半徑都減小；再將膠結(jié)材料注入殘余應(yīng)力區(qū)內(nèi)，改變整體強(qiáng)度和加大支護(hù)抗力，可以進(jìn)一步縮小塑性半徑和位移。

2.2 錨注支護(hù)圍巖強(qiáng)化原理

錨注前后圍巖體強(qiáng)度的變化情況如圖3所示。

圖3 錨注前后圍巖強(qiáng)度變化

根據(jù)莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則可知，由于注漿錨桿的作用，使圍巖表面產(chǎn)生了沿錨桿徑向方向的壓應(yīng)力，它能夠改變圍巖受力情況。首先，通過(guò)圖3可以發(fā)現(xiàn)，錨注后，莫爾應(yīng)力圓向右移動(dòng)，而且半徑明顯增大，這說(shuō)明錨注支護(hù)能夠提高圍巖表面徑向壓應(yīng)力(σ3增加至σ3′)和最大主應(yīng)力(σ1增大至σ1′)。此外，莫爾圓強(qiáng)度包絡(luò)線出現(xiàn)上移而且斜率明顯增大，這說(shuō)明錨注技術(shù)能夠利用注入的特殊漿液將破碎的圍巖膠結(jié)成整體，可以提高碎脹巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，進(jìn)一步提高了圍巖內(nèi)各巖塊之間相對(duì)位移的阻力，從而有效地提高圍巖的強(qiáng)度。

2.3 機(jī)理概述

通過(guò)錨注支護(hù)把錨桿與注漿相結(jié)合，漿液把破碎圍巖膠結(jié)成一個(gè)整體，從而提高支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力。錨注支護(hù)實(shí)質(zhì)是全長(zhǎng)錨固。全錨錨桿比端錨錨桿的殘余錨固力大得多，因而兩種錨固形式存在不同破壞形式。相比端錨支護(hù)，全錨錨桿則只能使錨固力降低和削弱，而不會(huì)使錨固力完全喪失。在錨噴支護(hù)巷道中，由于注漿漿液凝結(jié)體能完全同巖體及錨桿桿體全面接觸，它與錨固錨桿將多層組合拱連成一體，共同承載來(lái)自各方的壓應(yīng)力，因而就大大提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的支護(hù)功能。注漿后，噴層壁后充填密實(shí)，漿液將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，使噴層和支護(hù)體上的荷載均勻分布。注漿后支護(hù)結(jié)構(gòu)的斷面尺寸加大，圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載所產(chǎn)生的彎矩就較小，致使支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力降低，因而能承受更大的荷載，從而提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，擴(kuò)大支護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。同時(shí)，注漿漿液凝結(jié)體同裂紋邊緣完全膠結(jié)粘合，很大程度提高了巖體的結(jié)構(gòu)承載能力，從而改變含有裂隙的巖石在外力作用下的破壞形式。

此外，在巖石受力時(shí)，在裂紋的尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)超過(guò)巖石的屈服應(yīng)力時(shí)，巖石將發(fā)生塑性變形，從而在裂隙尖端形成一個(gè)塑性區(qū)；而塑性區(qū)出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，最終使巖石在較低的應(yīng)力水平下發(fā)生破壞。錨注支護(hù)能夠改變巷道圍巖穩(wěn)定物理力學(xué)狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。圍巖注漿加固，往往與其它巷道支護(hù)形式結(jié)合起來(lái)時(shí)，不僅能改善圍巖的巖性和應(yīng)力分布，而且可大大縮小圍巖變形，減輕支架承受的外載壓力，改善支架的受力情況，是礦井深部巷道支護(hù)的有效措施。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 模型的建立

為研究深部高應(yīng)力煤層巷道在經(jīng)過(guò)錨注后，因煤巖體力學(xué)性質(zhì)變化引起的圍巖應(yīng)力、圍巖變形及巷道圍巖表面位移的變化規(guī)律，以所選取工程為背景，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)深部高應(yīng)力巷道錨注支護(hù)進(jìn)行研究分析，根據(jù)不同支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)建立以下3個(gè)模型。

模型Ⅰ：采用普通錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，選取錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm，并設(shè)定長(zhǎng)寬均為800 mm的間排距和150 mm厚的噴層，模型總計(jì)2 578個(gè)單元數(shù)，包括7 792個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，如圖4(a)所示。

a-數(shù)值計(jì)算模型Ⅰ；b-數(shù)值計(jì)算模型Ⅱ；c-數(shù)值計(jì)算模型Ⅲ圖4 數(shù)字模型示意圖

模型Ⅱ：采用聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，在原普通錨網(wǎng)噴支護(hù)基礎(chǔ)上，再用注漿錨桿對(duì)頂幫和底角進(jìn)行注漿加固。其中普通錨桿規(guī)格與模型Ⅰ相同，注漿錨桿型號(hào)為φ22 mm×1 800 mm，選材為無(wú)縫鋼管或1/2黑鐵管，設(shè)置長(zhǎng)寬均為1 600 mm的間排距，并選取1.5 m長(zhǎng)的漿液擴(kuò)散半徑。模型總計(jì)2 578個(gè)單元，包括7 794個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，如圖4(b)所示。

模型Ⅲ：在模型Ⅱ的基礎(chǔ)上，再在底板中施工高為巷道寬度的1/6的反底拱，其中注漿錨桿規(guī)格和參數(shù)與模型Ⅱ保持一致。模型總計(jì)2 589個(gè)單元，包括7 829個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，如圖4(c)所示。

3.2 模擬結(jié)果分析

巷道變形如圖5所示。

假設(shè)變形量的基數(shù)以模型Ⅰ為準(zhǔn)，分析發(fā)現(xiàn)，模型Ⅱ的頂?shù)装逡平拷档椭粱鶖?shù)的74%，兩幫移近量降低至基數(shù)的54%；模型Ⅲ的頂?shù)装逡平繙p少至基數(shù)的40%，兩幫移近量減少至基數(shù)的39%?？梢钥闯觯{加固可以有效地維持巷道形狀。當(dāng)變形量很大時(shí)，采用反底拱控制底臌，保護(hù)兩幫的效果會(huì)更加顯著，可以有效地減少巷道的斷面收斂。

分析巷道圍巖水平、垂直應(yīng)力等值線圖，如圖6所示。

首先觀察水平應(yīng)力等值線能夠發(fā)現(xiàn)，模型Ⅰ的水平應(yīng)力高度集中于巷道拱頂部表面處，與模型Ⅱ、Ⅲ的水平應(yīng)力集中位置相比，模型Ⅰ的應(yīng)力集中位置相對(duì)偏低。從模型Ⅲ中發(fā)現(xiàn)水平應(yīng)力集中出現(xiàn)在反底拱處，防止了在反底拱上部出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，這恰好解釋了反底拱為什么能夠控制底臌。

a-模型Ⅰ網(wǎng)格變形圖；b-模型Ⅱ網(wǎng)格變形圖；c-模型Ⅲ破壞區(qū)域圖圖5 模型巷道變形圖

a-模型Ⅰ水平應(yīng)力；b-模型Ⅱ水平應(yīng)力；c-模型Ⅰ垂直應(yīng)力；d-模型Ⅱ垂直應(yīng)力圖6 水平、垂直應(yīng)力等值線圖

再分析垂直應(yīng)力等值線能夠發(fā)現(xiàn)，模型Ⅰ的垂直應(yīng)力高度集中于巷道兩幫表面處，與模型Ⅰ相比，模型Ⅱ、Ⅲ的應(yīng)力集中位置要深得多，明顯靠近兩幫深處。由此可見，注漿可以明顯降低巷道表面的應(yīng)力集中，并且能把高應(yīng)力傳遞到更深處，使得巖體自身的承載能力被充分利用，為維護(hù)巷道提供了更多的便利。

盡管模型Ⅱ和模型Ⅲ在底角處的應(yīng)力集中區(qū)域與模型Ⅰ基本一致，但在數(shù)值上稍有降低，這在一定程度上可以說(shuō)明，采用注漿錨桿注漿加固底角，可以有效降低底角處的應(yīng)力集中。

觀察圍巖破壞區(qū)域形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，注漿明顯提高了巖體強(qiáng)度，即使受到高的構(gòu)造應(yīng)力，破壞深度依舊會(huì)大幅度降低，避免了圍巖破碎繼續(xù)延伸至更深處，為巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定提供了有效保障；其中反底拱的效果更為顯著。

4 結(jié)論

(1)把錨注支護(hù)與其他多種支護(hù)形式相結(jié)合，可以有效地改善巷道周圍的受力狀態(tài)，降低巷道移近量，大大地提高巷道的支護(hù)承載能力。

(2)注漿錨噴支護(hù)技術(shù)著力于改善圍巖穩(wěn)定物理力學(xué)的關(guān)鍵參數(shù)。注漿后，噴層壁后充填密實(shí)，漿液將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，使噴層和支護(hù)體上的荷載均勻分布，而不會(huì)由于出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)而首先被破壞。

(3)注漿錨噴支護(hù)技術(shù)減少了高應(yīng)力軟巖巷道返修率、降低了成本，成功克服了U型鋼支架支護(hù)性能難以發(fā)揮，成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大的不足，也避免了錨桿桁架不能適應(yīng)大變形軟巖巷道，支護(hù)可靠性差的缺點(diǎn)。