大跨度矩形巷道變形破壞機制及其控制技術(shù)

劉勇洪

（山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

目前，隨著煤礦開采向深部和復(fù)雜地區(qū)發(fā)展[1-5]，大跨度巷道出現(xiàn)的越來越多，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了諸多的研究，如：盧軍明、張柯、張農(nóng)、張向東等針對現(xiàn)場情況提出了桁架錨索、錨噴支護(hù)、錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)、錨網(wǎng)索帶注耦合支護(hù)[6-9]；在理論分析方面上，韓立軍等提出了控頂卸壓及三錨支護(hù)技術(shù)[10]，柏建彪等提出了二次支護(hù)理論和圍巖強度強化理論[11]，何滿潮提出了關(guān)鍵部位二次耦合支護(hù)技術(shù)[12]，廖保明等基于等效橢圓法確定大跨度巷道錨索支護(hù)參數(shù)[13]等等。以上理論與技術(shù)在一定程度上能有效控制大跨度巷道的變形破壞，但基于巷道所處的應(yīng)力環(huán)境和地質(zhì)條件復(fù)雜程度的不同，盡管采用了如上理論與技術(shù)仍舊具有相當(dāng)部分礦區(qū)大跨度巷道工程需要進(jìn)行返修，嚴(yán)重影響煤礦開采效率和安全生產(chǎn)，同時也增加了煤炭開采的成本。

漳村煤礦＋480 m水平行人大巷Ⅰ段跨度達(dá)5 m，巷道埋深大，地質(zhì)條件復(fù)雜，為典型的深部大跨度矩形巷道[14-15]，巷道在開采期間采用常見的支護(hù)技術(shù)支護(hù)，但巷道變形量大，持續(xù)時間長，不能正常使用，嚴(yán)重阻礙了本水平煤層的大力開發(fā)。因此，針對大跨度矩形巷道的大變形與破壞問題，仍需重點研究，以＋480 m水平行人大巷Ⅰ段為研究對象，重點研究其變形破壞機理，并提出以“整體加固＋局部補強”為核心的控制技術(shù)，為此類復(fù)修巷道和新掘巷道提供理論借鑒及技術(shù)支持。

1 巷道工程概況

潞安集團(tuán)漳村礦＋480 m水平行人大巷Ⅰ段位于＋480 m水平運輸大巷南側(cè)，與＋480 m水平運輸大巷平行布置，北距＋480 m水平運輸大巷30 m，漳村礦＋480 m水平行人大巷Ⅰ段位置圖如圖1。

圖1 試驗測試裝置圖

＋480 m水平行人大巷Ⅰ段布置在煤層當(dāng)中，煤層厚6 m，直接頂為碳質(zhì)泥巖（黑色，薄層狀，緩波狀層理，夾炭質(zhì)線理，產(chǎn)植物化石），厚 3.7 m，基本頂厚 6.4 m，為中粒砂巖（灰色～深灰色，石英為主，并含有云母，巖屑大量煤屑，泥質(zhì)膠結(jié)），煤層直接底是厚度為3.2 m的泥巖（黑色，中厚層狀，較軟），基本底為細(xì)砂巖（深灰色，以石英為主，含有云母，煤屑，泥質(zhì)膠結(jié)，分選不好），厚6 m。＋480 m水平行人大巷為矩形巷道，設(shè)計寬度和高度分別為5 m和3.5 m。主要支護(hù)形式及參數(shù)如下：

1）臨時支護(hù)。采用4.0 m長φ22.5 mm鋼管（或π 型鋼）、8＃槽鋼（1.5～2 m）、帶孔的 1.5～2 m 長 8＃槽鋼、吊環(huán)等共同配合對巷道頂板及兩幫進(jìn)行臨時控制。

2）永久支護(hù)。＋480 m水平行人大巷Ⅰ段采用錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)，其中錨桿為φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼，幫部錨索為φ22 mm×4 300 mm，采用雙筋鋼帶、工鋼特制梁連接；頂板錨索為φ22 mm×8 300 mm。高強錨桿螺母型號為M24，錨桿配合尼龍墊圈加拱型高強托板調(diào)心球墊；錨索則配合300 mm×300 mm×16 mm高強度可調(diào)心托板及配套球墊、鎖具，承載能力不低于550 kN；錨桿排距1 000 mm，頂板錨桿間距900 mm，幫部950 mm，錨索采用直徑為22 mm的鋼筋托梁沿巷幫上下方向聯(lián)接，錨索預(yù)緊力損失后不低于250 kN，加長錨固方式。幫部錨索排距2 000 mm，間距1 900 mm，距頂、底分別為775 mm、825 mm。

2 巷道圍巖變形及破壞機理

2.1 巷道變形及破壞情況調(diào)查

為＋480 m水平行人大巷Ⅰ段返修的加固設(shè)計提供依據(jù)，選擇5處具有代表性區(qū)域?qū)ζ渥冃闻c破壞情況進(jìn)行調(diào)查，＋480 m水平行人巷破壞情況見表1。該巷道自支護(hù)以來，由于地應(yīng)力大等各種原因，使巷道后期維護(hù)十分艱難，已施工完成的近千米巷道中，多處巷道礦壓顯現(xiàn)異常劇烈，多地段掘支成巷不足20 d內(nèi)，巷道頂板下沉量就達(dá)500 mm以上，底鼓達(dá)200 mm。以至于部分地段巷道斷面收縮為不到4.0 m×3.0 m。無論是巷道圍巖的變形速率還是變形量都處于一個很高的水平，其變形破壞呈現(xiàn)明顯的由點向面逐步擴(kuò)大的特征，根據(jù)現(xiàn)場分段調(diào)查記錄分析，＋480 m水平行人巷破壞嚴(yán)重且急需返修的巷道超過500 m，占已經(jīng)完工的水平行人巷道中的50%。

表1 +480 m水平行人巷破壞情況調(diào)查表

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該段行人巷的變形與破壞的主要特征如下：

1）頂板嚴(yán)重下沉。頂板開裂，變形量大，頂板存在冒落危險。

2）巷道兩幫變形破壞。由于巷道所處地應(yīng)力高，兩幫圍巖為煤體，強度不足產(chǎn)生較大變形，混凝土噴層、錨桿、錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)遭到破壞，幫部部分區(qū)域煤體垮落，形成空腔。

3）底鼓引起的底板破壞。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)巷道不少區(qū)域存在不同程度的底鼓，導(dǎo)致混凝土底板發(fā)生強烈破壞，表現(xiàn)為混凝土底板從中部或兩端被掀起。

4）錨桿錨索支護(hù)失效率高。部分地區(qū)錨桿錨索破斷，錨桿錨索懸露在外，個別區(qū)域錨桿錨索隨頂板幫部一起變形。

2.2 巷道失穩(wěn)原因及機理分析

1）工程地質(zhì)條件差。＋480 m水平行人大巷Ⅰ段頂板破碎，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，在高應(yīng)力作用下極易發(fā)生剪切滑移破壞。另一方面，行人大巷圍巖多為泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤體，圍巖整體強度低，物理力學(xué)性質(zhì)差，巷道圍巖的穩(wěn)定性大大折扣。

2）巷道圍巖所處應(yīng)力水平高，致使圍巖和支護(hù)變形破壞。＋480 m水平行人大巷Ⅰ段埋深大概為886 m，垂直地應(yīng)力超過22 MPa；水平構(gòu)造應(yīng)力將達(dá)到 40.6 MPa（sh=3+0.042 5Z，sh為水平應(yīng)力，Z 為埋藏深度）。這表明巷道處于高應(yīng)力環(huán)境中。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巷道許多地段頂板在水平應(yīng)力作用下，形成明顯的2條剪切破碎帶；錨索被拉斷，錨桿墊板受拉后，脫離錨桿的現(xiàn)象相當(dāng)普遍，這也正是巷道變形地壓大，圍巖持續(xù)蠕變特性的重要顯現(xiàn)。

3）設(shè)計支護(hù)形式不能適應(yīng)圍巖變形要求。＋480 m水平行人大巷Ⅰ段設(shè)計雖然采用了高強度支護(hù)，但由于錨桿錨索施工時間不太合理，未能充分發(fā)揮其應(yīng)有的讓壓性能。

4）施工管理不到位。施工技術(shù)人員培訓(xùn)不到位，質(zhì)量意識不高，致使鉆孔深度不夠，錨桿、錨索預(yù)緊力未達(dá)到設(shè)計要求。

因此，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和觀測，樟村煤礦＋480 m水平行人大巷Ⅰ段破壞嚴(yán)重，現(xiàn)有支護(hù)手段難以滿足現(xiàn)階段安全高效生產(chǎn)要求，需要采用針對性的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行返修。

3 大跨度大變形巷道返修技術(shù)

3.1 大跨度大變形圍巖的返修巷道分類

＋480 m水平行人大巷Ⅰ段大部分已發(fā)生嚴(yán)重變形破壞，且變形仍未得到穩(wěn)定。由于巷道變形破壞嚴(yán)重、斷面收縮、底板鼓起，返修前必須要通過挑頂、挖底、剝幫等手段直至到巷道原設(shè)計尺寸，然后再依據(jù)新的設(shè)計進(jìn)行施工。這些返修地段多由于支護(hù)設(shè)計不盡合理，沒有有效地控制圍巖變形，加之巷道圍巖變形一直存在，不僅導(dǎo)致巷道圍巖產(chǎn)生了有害松動，而且，返修的再次施工必然導(dǎo)致二次擾動圍巖穩(wěn)定，加速圍巖變形破壞。根據(jù)巷道圍巖工程地質(zhì)條件與破壞情況，返修巷道可歸類為3種類型的巷道。

1）頂板嚴(yán)重下沉巷道（Ⅰ型）。這一類巷道以頂板下沉量大為代表，其特征包括頂板中部下沉、頂板不對稱下沉等形態(tài)，返修時應(yīng)專門處理。如在挑頂后U型鋼支架等進(jìn)行預(yù)處理。

2）潛變形巷道（Ⅱ型）。此類巷道為還沒有明顯發(fā)生大變形的巷道，盡管如此，但是如果處理不及時仍然有可能發(fā)生巷道圍巖破壞。因此，在返修時應(yīng)特別加以注意，此類巷道處于變與不變的模糊狀態(tài)。因此，在此稱之為潛變形巷道。由于特殊巷道潛在著垮冒的可能，因此，在特殊巷道擴(kuò)幫剝皮返修時，除了應(yīng)引起足夠重視外，還要采取一些必要的預(yù)防措施，其措施應(yīng)根據(jù)結(jié)合具體地段的工程地質(zhì)情況和圍巖變形程度，再作出具體決策方案。

3）底鼓類巷道（Ⅲ型）。底鼓類巷道顧名思義就是底板凸出變形段，可對這類巷道進(jìn)行抄底處理或加強支護(hù)，比如可采用反拱或底板錨索等加固與支護(hù)技術(shù)。

3.2 返修巷道支護(hù)設(shè)計基本技術(shù)

1）高強度預(yù)應(yīng)力錨索。由于原錨索已經(jīng)被拉斷，部分錨索被拉出失效，加上頂板圍巖性質(zhì)差，難以控制圍巖變形，需要重新施設(shè)。此外，＋480 m水平行人大巷Ⅰ段巷道變形時間長，松動圈范圍大，根據(jù)懸吊理論，需要采用長錨索將松動的圍巖懸吊在深部較穩(wěn)定的圍巖上；根據(jù)圍巖強度強化理論，施加高強度的預(yù)緊力，提高圍巖的強度，增加破裂巖體之間的黏聚力和內(nèi)摩察角，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性。

2）高預(yù)緊力錨桿與錨噴網(wǎng)。采用高預(yù)緊力錨桿與錨噴網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)，一方面，預(yù)應(yīng)力錨桿與錨噴網(wǎng)殼體緊密結(jié)合，形成1個聯(lián)合體，起到懸吊作用；另一方面，使巷道圍巖形成1個穩(wěn)固的殼體，防止圍巖垮落或者大變形繼續(xù)擴(kuò)大圍巖松動圈。

3）底板連體錨索。底板通常是巷道結(jié)構(gòu)的薄弱部位，是應(yīng)力和變形釋放的突破口?？紤]到＋480 m水平行人大Ⅰ段巷道底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，建議在底板應(yīng)用錨索，并將其用高強度鋼帶連接起來，形成一個整體。目前可以實現(xiàn)底板錨索的施工，有專門的底板鉆機，因此，該技術(shù)是可行的。

4）注漿。由于＋480 m水平行人大巷Ⅰ段圍巖破碎，巷道跨度大，巷道斷面為矩形受力狀態(tài)差，塊體之間縫隙大，單純依靠錨固手段難以控制巖塊間裂隙和松動圈的發(fā)展，因此，可采用圍巖注漿使裂隙得到充填膠結(jié)，從而大幅度增強圍巖整體性，使松動圈轉(zhuǎn)變?yōu)閹r石的承載圈，進(jìn)而明顯加強支護(hù)與圍巖的相互作用，提高圍巖的自身承載能力。

3.3 錨固參數(shù)的工程類比

1）錨索長度。返修巷道的長錨索長度參考松動范圍確定。通過對頂板嚴(yán)重下沉巷道（Ⅰ型）窺視可以確定松動圈最大約6.5 m。

2）錨索間排距。借助于國內(nèi)外支護(hù)設(shè)計經(jīng)驗準(zhǔn)則來確定錨桿（索）間排距。虎克和布朗（1980）、美國工程師協(xié)會及美國礦山局等提出了用于檢驗錨桿長度與間距的一般經(jīng)驗準(zhǔn)則。即錨桿的最大間距不得超過錨桿長度的1/2；最小錨桿間距不得小于0.9 m。錨桿排距一般與間距相同，也可稍大于間距。

3）錨桿強度、直徑及預(yù)緊力選取通過FLAC3D軟件模擬對比后進(jìn)行選取。

4 現(xiàn)場試驗及效果分析

4.1 返修支護(hù)方案

根據(jù)以上返修巷道基本方案，若采用全斷面注漿，全斷面高密度和高強度錨網(wǎng)索支護(hù)勢必會造成支護(hù)成本的急劇上升，支護(hù)工序多，施工時間長，嚴(yán)重影響礦井的高效生產(chǎn)，因此，通過全斷面高強度支護(hù)控制圍巖穩(wěn)定并十分不可取。

基于以上原因提出“整體加固＋局部補強”為核心的“注漿＋錨網(wǎng)索噴＋底板錨索”的聯(lián)合支護(hù)方式。

4.1.1 整體加固

巷道整體加固選用全斷面錨桿與錨索支護(hù)，頂板錨桿支護(hù)參數(shù)同原支護(hù)（間距900 mm），錨索布置方式及數(shù)量亦同原支護(hù)，頂板中部及靠近巷道兩幫的兩錨索是直徑為φ22 mm，長度為8 300 mm，1×19股的全長預(yù)應(yīng)力注漿錨索，其余兩錨索為φ22 mm×8 300 mm普通錨索，注漿錨索距巷道兩幫為700 mm。幫部錨桿錨索支護(hù)參數(shù)同原支護(hù)（錨桿間距 950 mm）。

對于Ⅲ型巷道底板采用連體錨索，錨索為φ22 mm×4 300 mm，間距為 3 000 mm，排距 2 000 mm。每排錨索采用高強度鋼帶連接起來。

全巷道、全斷面進(jìn)行噴漿，噴層厚度100 mm，封閉巷道表面裂隙金屬網(wǎng)規(guī)格30 mm×40 mm，網(wǎng)片規(guī)格為 5 400 mm×1 050 mm（長×寬），用 16＃鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連。

4.1.2 局部補強

局部采用壁后注漿：注漿選用425＃普通硅酸鹽水泥漿，注漿部位主要為巷道幫部。

頂板注漿補強：注漿錨索采用 φ16－220－2－2400的鋼筋托梁沿巷道軸線方向聯(lián)接，錨索預(yù)緊力損失后不低于250 kN。使用錨桿鉆機打設(shè)鉆孔，鉆孔直徑30 mm，深度8 300 mm，然后采用擴(kuò)孔鉆頭，鉆頭直徑56 mm，擴(kuò)孔深度為300 mm。錨索垂直巖面布置。錨索外端套裝注漿附件推入鉆孔，安裝托盤引出注漿管，加裝球墊。錨索采用全長錨，樹脂端部錨固，3支樹脂錨固劑，1支規(guī)格為MSK2335，另2支規(guī)格為MSZ2360。其余部分采用水泥漿錨固。返修支護(hù)斷面圖如圖2。

圖2 返修支護(hù)斷面圖

4.2 數(shù)值模擬計算

為比較原支護(hù)方案和返修支護(hù)的支護(hù)效果，分別對2種方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到的2方案計算結(jié)果如圖3和圖4。由圖可以看出，相比于原支護(hù)，在進(jìn)行“注漿＋錨網(wǎng)索噴＋底板錨索”的聯(lián)合支護(hù)后頂?shù)装逡平坑?56.8 mm降低至306.6 mm，幫部移近量由499.6 mm降至203.1，降幅十分明顯。

圖3 原支護(hù)方案數(shù)值模擬位移

4.3 工程效果檢測

為了檢測修復(fù)方案實際運用效果，在實驗巷道上選取4處監(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測曲線如圖5。

由變形監(jiān)測圖可知，經(jīng)過 60 d監(jiān)測，1?！?＃幫部最大移近量分別為 54、57、84、78 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?08、114、125、119 mm。后期的收斂速率均小于1 mm/d，其變形量均能保證礦井的有效安全生產(chǎn)，表明采用所提出的修復(fù)方案能很好的控制圍巖的變形。

圖4 返修方案數(shù)值模擬位移

圖5 試驗段巷道圍巖變形監(jiān)測

5 結(jié)論

1）漳村煤礦＋480 m水平行人大巷Ⅰ段斷面和埋深大，受工程應(yīng)力環(huán)境條件等的影響使得原支護(hù)形式巷道產(chǎn)生大變形，錨桿索破斷，已經(jīng)不能滿足正常生產(chǎn)要求。

2）針對＋480 m水平行人大巷Ⅰ段變形特征，將返修巷道分為頂板嚴(yán)重下沉、潛變形、底鼓類3種類型巷道，并對不同破壞類型巷道提出預(yù)處理措施。

3）大跨度大變形巷道修復(fù)應(yīng)強調(diào)采用聯(lián)合支護(hù)方式，以高強預(yù)應(yīng)力長錨索和高預(yù)緊力錨桿與錨噴網(wǎng)、底板連體錨索提高修復(fù)巷道的整體性，以注漿技術(shù)提高圍巖的自身承載能力。

4）工程實踐和數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用以“整體加固＋局部補強”為核心的“注漿＋錨網(wǎng)索噴＋底板錨索”的聯(lián)合支護(hù)能有效的控制修復(fù)巷道的變形，為類似的大跨度矩形修復(fù)巷道和新掘巷道提供理論借鑒及技術(shù)支持。