深部軟巖巷道支護模擬及應(yīng)用分析

李鐵良

(潞安集團安全儀器測試中心,長治 襄垣 046204)

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

三水平東一皮帶通路探巷，是二水平向三水平延深階段的準(zhǔn)備巷道，巷道埋深680 m，沿12號煤底板掘進(jìn)，靠近頂板1.0 m處有一層炭質(zhì)黏土巖夾矸。12號煤頂板以灰色粉砂巖為主，含砂不均顯帶狀構(gòu)造，有滑面，局部夾有灰白色高嶺土質(zhì)膠結(jié)的粗礫狀白色砂巖(俗稱白砂矸)，具有遇水極易軟化膨脹，風(fēng)化成泥狀的特性。12號煤底板以灰色、深灰色砂質(zhì)頁巖為主，巖性致密堅硬，含有化石碎屑和黃鐵礦，有大量裂隙發(fā)育，多為方解石填充。頂?shù)装鍘r性狀況詳見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特性

1.2 巷道變形特性

三水平東一皮帶通路探巷圍巖巖性以粉砂巖為主，局部賦存粗礫狀白色砂巖，巷道埋深較大，圍巖應(yīng)力大，煤巖層裂隙、滑面發(fā)育，單軸抗壓強度較低，為不穩(wěn)定軟巖，巷道類別介于一般不穩(wěn)定Ⅳ類與不穩(wěn)定Ⅴ類之間。圍巖成分中含有遇水易軟化成泥的粗礫狀白色砂巖，黏土礦物含量高，使得圍巖強度低，自身承載能力差，見風(fēng)遇水后極易變軟膨脹，流變特性顯著，導(dǎo)致巷道開挖后變形破壞嚴(yán)重，支護極為困難。以上因素導(dǎo)致該巷道圍巖抗壓強度降低，整體穩(wěn)定性變差，在現(xiàn)有單一U型鋼支護體系下，巷道變形和破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重。通過分析現(xiàn)場調(diào)研的支護體系破壞狀況，可得出U型鋼破壞形式主要有整體收縮、局部彎曲斷裂等[1-3]。

2 支護方案優(yōu)化模擬分析

2.1 圈巖位移分布

根據(jù)強膨脹性軟巖巷道變形現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，采用單一U型鋼支護方式并不能很好地控制該類軟巖巷道的變形破壞，因此，模擬采用U型鋼支護驗證數(shù)值模擬與現(xiàn)場工程的符合程度，并采用U型鋼+噴漿、U型鋼+噴漿+注漿錨索支護巷道，對比分析后得出最佳支護方案[4]。

圖1為模型在三種支護方案下的巷道圍巖垂直位移分布云圖。

圖1 各支護方案圍巖垂直位移分布云圖

結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖1分析可知：

1) 在U型鋼、U型鋼+噴漿、U型鋼+噴漿+注漿錨索三種不同支護體系下，巷道的頂?shù)装庾冃瘟坎煌敯宓氖諗孔冃瘟糠謩e為574 mm、200 mm、123 mm，底板的收斂變形量分別為266 mm、250 mm、73.8 mm。

2) 由數(shù)據(jù)分析可知，巷道底板的變形破壞相對較小，不同的支護體系對頂板的穩(wěn)定性控制更加明顯。采用噴漿后，巷道頂板變形破壞減小了65%，底板的變形破壞減小了6%；采用噴漿+注漿錨素后，巷道頂板變形破壞減小了73%，底板的變形破壞減小了72%。說明采用噴漿+注漿錨索后，巷道圍巖的垂直位移明顯減小，特別是對巷道底鼓的控制效果較為明顯。分析認(rèn)為，對巷道兩幫及頂板注漿后改善了圍巖特別是頂板的受力環(huán)境，提高了頂板的承載能力和穩(wěn)定性，由此可得該支護方案效果最佳。

圖2為模擬在三種支護方案下的巷道圍巖水平位移分布云圖。

圖2 各支護方案圍巖水平位移分布云圖

三種不同的支護體系下巷道的變形破壞量如表2所列。

表2 各支護體系巷道變形數(shù)據(jù)匯總表

由圖2和表2析可得：

1) 在U型鋼、U型鋼+噴漿、U型鋼+噴漿+注漿錨索三種不同支護體系下，巷道的幫部變形破壞量不同，幫部收斂變形量分別為266 mm、250 mm、73.8 mm。

2) 由數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)巷道采用單一U型鋼支護方式時，巷道左幫的變形破壞較大，采用噴漿及注漿錨索后，巷道左幫的變形量變小，得到了較好的控制。采用噴漿后，巷道幫部變形破壞減小了29%；采用噴漿+注漿錨索后，巷道幫部變形破壞減小了62%，說明后者對巷道幫部變形破壞的控制較為顯著。分析認(rèn)為，對巷道兩幫及底腳位置注漿后改善了圍巖強度，提高了圍巖的承載能力和穩(wěn)定性。

由表2可得，采用噴漿支護后巷道的變形量減小，巷道圍巖得到較好的控制，說明封閉圍巖阻止其繼續(xù)風(fēng)化和潮解后圍巖的強度明顯提高，巷道支護取得了較好的效果，再增加注漿錨索支護后巷道變形量進(jìn)一步減小，說明對巷道圍巖內(nèi)部注漿可以提高圍巖整體承載能力，加上U型鋼及噴漿支護后，支護效果最好。由數(shù)值模擬分析可知，架噴錨注耦合支護能通過噴漿的方式解決U型鋼架棚與圍巖壁未完全接觸而引起的受力不均的問題，通過注漿的方式提高圍巖強度，使架棚噴漿層-圍巖-注漿體形成一個共同承載的有效支護體系，從而可以有效控制巷道圍巖松動圈的擴大，進(jìn)而提高巷道整體的穩(wěn)定性。

2.2 圈巖塑性區(qū)分布

不同支護方案下巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍如表3所列。

表3 塑性區(qū)范圍

由表3可知，采用U型鋼+噴漿支護方式后，巷道圍巖破壞范圍頂板減小了55.9%、底板減小了50%，左幫減小了34.6%，右?guī)蜏p小了52.2%，而采用U型鋼+噴漿+注漿錨索的耦合支護方式后，巷道圍巖破壞范圍頂板減小了64.7%、底板減小了50%，左幫減小了42.3%，右?guī)蜏p小了60.9%，由此可知，采用架噴錨注耦合支護能更好地控制巷道圍巖的變形，減小圍巖塑性區(qū)的范圍，支護效果更佳。

3 架噴錨注耦合支護技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

基于三水平東一皮帶通路探巷的工程地質(zhì)條件、現(xiàn)場監(jiān)測所得的巷道變形破壞規(guī)律及采用FLAC3D對不同支護方案的數(shù)值模擬分析，綜合分析提出最優(yōu)支護方案為架噴錨注耦合支護[4-5]，見第190頁圖3。

3.1 支護參數(shù)選擇

3.1.1 U型鋼參數(shù)

根據(jù)三水平東一皮帶通路探巷現(xiàn)有工程條件及架噴錨注耦合支護作用機理，巷道的主體支護為U型鋼支護，根據(jù)現(xiàn)場使用的支護材料，U型鋼仍然選用29U-13.36 m2可縮性金屬拱形支架，而U型鋼的支護參數(shù)，需要通過科學(xué)的計算得到。

圖3 架噴錨注支護方案(單位：mm)

當(dāng)計算U型鋼支架支撐荷載時，假設(shè)巷道頂板破壞范圍外能形成有效的承載結(jié)構(gòu)，支護體主要承載為巷道頂板破壞范圍內(nèi)巖體的質(zhì)量，其計算見式(1)。

PZ=KAη2RmaxγZ

(1)

式中：PZ為支護體支護載荷，kN/m；KA為安全系數(shù)，回采巷道取1.2、準(zhǔn)備巷道取1.5、開拓巷道取2.0，具體可根據(jù)巷道工程實際確定；η2為巷道穩(wěn)定狀況對支架的影響系數(shù)；Rmax為巷道圍巖的破壞范圍，m；γz為道圍巖容重，kN/m3。

三水平東一皮帶通路探巷屬于準(zhǔn)備巷道，因此KA取1.5；巷道圍巖穩(wěn)定狀況為極不穩(wěn)定圍巖，因此η2取1.5，通過鉆孔電視探測可知，探巷圍巖的破壞范圍為3.2 m；巷道圍巖容重取25 kN/m3。通過公式(1)可得U型鋼支架支承荷載PZ為180 kN。

由于現(xiàn)場U型鋼支護過程中，支架與圍巖接觸不均勻，局部受力集中，使得U型鋼實際支撐能力達(dá)不到額定工作阻力，據(jù)現(xiàn)場技術(shù)人員反饋，在三水平東一皮帶通路探巷支護過程中，U型鋼實際支撐能力為90 kN，因此支架間距通過式(2)得到。

(2)

由公式(2)計算得支架間距為0.5 m，即，現(xiàn)場所用500 mm棚距。根據(jù)前一節(jié)對架噴錨注耦合支護機理的分析可知，當(dāng)采用該支護方案后可以通過噴漿的方式隔絕圍巖，降低圍巖風(fēng)化潮解的程度，且可以使U型鋼支架與圍巖緊密貼實組成完整的承載結(jié)構(gòu)，通過注漿的方式提高深部圍巖承載能力，從經(jīng)濟及技術(shù)層面考慮，可以適當(dāng)增加U型鋼的棚距，因此，改支護方案中棚距設(shè)計為600 mm。

3.1.2 注漿錨索參數(shù)設(shè)計

根據(jù)室內(nèi)試驗及現(xiàn)場監(jiān)測可知，巷道圍巖以泥質(zhì)砂巖為主，主要成分為高嶺土、蒙脫石，遇水極易膨脹、軟化成泥，圍巖強度降低，使得巷道難以支護。根據(jù)漿液配比試驗可知，采用注漿的方式可以較好地改善圍巖強度。因此，采用注漿錨索的補強支護方式強化巷道支護。

注漿錨索支護參數(shù)：采用22 mm中空注漿錨索，設(shè)計選用錨索長度3 500 mm，外露長度150 mm～250 mm?？紤]到巷道兩幫底部移近量較大，在兩幫距離底板400 mm位置向底板與水平方向呈30°打第一根錨索，其余錨索間排距為1 200 mm×1 200 mm，每排布置7根錨索，每兩排錨索中間布置兩排U型鋼。

3.1.3 噴漿參數(shù)設(shè)計

現(xiàn)場噴漿材料選用硅酸鹽水泥、紅矸石粉、速凝劑、水。其中，水泥與紅矸石粉質(zhì)量比為1∶2.5。噴漿施工過程中，隨噴隨加入速凝劑，速凝劑須在噴漿機上料口均勻加入，加入量取水泥質(zhì)量的2%～4%。水泥采用P.O 42.5硅酸鹽水泥。

由于軟弱圍巖具有遇水軟化膨脹的特性，因此在巷道掘進(jìn)后及時噴漿封閉圍巖，防止圍巖風(fēng)化潮解，進(jìn)而提高圍巖強度。具體支護參數(shù)為：初噴30 mm，復(fù)噴70 mm。

3.2 實施效果

3.2.1 支護效果監(jiān)測

三水平東一皮帶通路探巷現(xiàn)場施工架噴錨注耦合支護方案后，對該巷道采用十字布點的方式監(jiān)測巷道的頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平?，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 巷道圍巖移近量曲線圖

由圖4可得出，采用架噴錨注耦合支護方式后巷道的頂?shù)装逦灰坪蛢蓭臀灰齐S時間變化，其中，頂?shù)装逡平坷塾嬜冃瘟繛?7 mm，其中在2 d～15 d監(jiān)測期間，變形速度較大；兩幫移近量累計為78 mm，在2 d～18 d內(nèi)變形速度較大，后趨于穩(wěn)定?？v觀巷道變形量及變形速度，均能夠滿足巷道穩(wěn)定要求。

由于架噴錨注耦合支護可以較好地控制強膨脹性軟巖巷道的變形破壞，且可以實現(xiàn)一次成巷，避免了前掘后套的局面，因此，架噴錨注耦合支護技術(shù)應(yīng)用于三水平東一皮帶巷，具體支護效果如第191頁圖5所示。

3.2.2 支護效果分析

現(xiàn)場觀測結(jié)果顯示，三水平東一皮帶通路探巷采用架噴錨注耦合支護技術(shù)工藝開始至今巷道變形很小并保持穩(wěn)定狀態(tài)，說明采用架噴錨注耦合支護技術(shù)工藝解決了U型鋼彎曲折斷等實際問題。經(jīng)觀測與分析具體支護效果如下：

圖5 架噴錨注耦合支護效果圖

1) 增強巷道圍巖的承載能力

軟弱圍巖注漿后，漿液將松散破碎的圍巖膠結(jié)成一個整體，從而大大提高了巷道圍巖自身承載能力。

2) 封閉圍巖裂隙，減少風(fēng)水侵蝕

通過噴漿封閉了圍巖，隔絕了外界空氣，有效地防止了圍巖風(fēng)化和水的侵蝕，防止了因水和風(fēng)化作用造成圍巖吸水膨脹，強度降低，圍巖破壞與剝落，從而提高了軟弱圍巖的穩(wěn)定性與牢固性。

3) 架噴錨注組合拱共同承載

U型鋼支架配合噴漿支護以及錨注加固軟弱圍巖，形成了一個極為有效的組合拱，從而提高了軟弱圍巖的完整性和自身承載能力。

4 結(jié)論

強膨脹性軟巖巷道在單一U型鋼支護的情況下，巷道變形量較大，因此進(jìn)行了支護方案的優(yōu)化，即聯(lián)合支護方案的模擬研究，分別采用U型鋼+噴漿和U型鋼+噴漿+注漿錨索的耦合支護方案。

采用架噴錨注耦合支護，無論是控制圍巖變形方面，還是減小圍巖塑性破壞方面，支護效果都較前兩種支護方案好，因此，采用U型鋼+噴漿+注漿錨索的耦合支護方案能有效改善強膨脹性軟巖巷道變形破壞嚴(yán)重的狀況。將架噴錨注耦合支護技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場施工，并進(jìn)行了支護效果監(jiān)測分析，最終得出該支護方案具有較好的工程適用效果。