多重因素影響下煤礦運輸大巷穩(wěn)定性支護策略研究

王虎芳

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

1 工程概況

經(jīng)坊煤礦運輸大巷設(shè)計埋深為450m，采用直墻半圓拱形，設(shè)計尺寸為寬×高=4800mm×4200mm，為全巖巷道，圍巖類型主要為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖與泥巖，原支護方式為錨網(wǎng)索梁噴支護，支護參數(shù)為：錨桿選擇Ф20mm，長度2200mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距均為800mm；錨索選擇Ф17.8mm，長度6000mm，間排距均為1600mm；錨桿、錨索預(yù)緊力分別為：60kN、80kN。原支護設(shè)計見圖1所示。

2 巷道圍巖變形破壞特征

經(jīng)坊煤礦運輸大巷開挖后出現(xiàn)了明顯的變形破壞，通過對新掘進段進行礦壓觀測得到巷道變形破壞特征：

（1）巷道整體變形量較大，變形速度較快。運輸大巷開掘后在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)了明顯的變形破壞，其中頂板下沉量平均超過了300mm，兩幫平均收斂量超過了670mm，底板鼓起量平均超過了420mm；巷道圍巖收斂變形速率平均達到了38.9mm/d，最快收斂速率超過了54mm/d。

（2）支護體大量失效。從現(xiàn)場勘查情況來看，原有設(shè)計中很多支護體出現(xiàn)了支護失效的情況，主要表現(xiàn)為：錨索、錨桿被折斷、拉斷的情況，錨桿桿體和托盤出現(xiàn)脫離，部分錨桿被吸入到巖壁中，托盤與鋼筋網(wǎng)連接的位置出現(xiàn)了剪斷。

圖1 巷道原支護斷面圖

3 影響運輸大巷穩(wěn)定性的相關(guān)因素

為了掌握影響運輸大巷穩(wěn)定性的相關(guān)因素，從多個方面對影響運輸大巷穩(wěn)定性的相關(guān)因素進行了分析。

3.1 地應(yīng)力測試

選擇使用空心包體對運輸大巷進行了三維地應(yīng)力測量。將帶有壓力計的巖芯從設(shè)計的鉆孔中取出，將其放到圍巖率定儀，然后對巖芯施加壓力，并讀取讀數(shù)，按照讀取的數(shù)據(jù)，得到運輸大巷圍巖的應(yīng)變、應(yīng)力曲線圖。本次得到的運輸大巷圍巖彈性模量為17.98GPa，泊松比為0.26。通過將得到的泊松比、彈性模量及應(yīng)力解除數(shù)據(jù)等帶入到地應(yīng)力計算軟件中，得到了經(jīng)坊煤礦運輸大巷地應(yīng)力明細表，見表1所示。

表1 經(jīng)坊煤礦運輸大巷地應(yīng)力明細表

從表1中可看出，最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力之間表現(xiàn)為正交關(guān)系，可計算側(cè)壓系數(shù)在1.6～2.1之間，這充分說明，經(jīng)坊煤礦運輸大巷所處位置的主應(yīng)力表現(xiàn)出較強的方向性，宏觀上表現(xiàn)為水平應(yīng)力構(gòu)造，且最大主應(yīng)力數(shù)值較大，這表明運輸大巷已經(jīng)進入到深部開采階段，雖然巷道圍巖總體的強度較大，但是在如此高的應(yīng)力下，表現(xiàn)出明顯的工程軟巖的特點，傳統(tǒng)的支護方式在進行運輸大巷支護時表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)性，這也是導致運輸大巷出現(xiàn)大范圍變形破壞的主要因素之一。

3.2 圍巖松動圈探測分析

為了深入掌握運輸大巷圍巖內(nèi)部變形破壞特點，設(shè)計出更為合理的支護方案，選擇使用鉆孔窺探儀對運輸大巷圍巖松動圈破壞范圍進行了探測。本次探測設(shè)計2個斷面，在每個斷面一共布置了五個鉆孔，得到了運輸大巷圍巖內(nèi)部變形破壞示意圖，見圖2所示。

通過分析圖2可知，運輸大巷內(nèi)部圍巖穩(wěn)定區(qū)域與破壞區(qū)域呈現(xiàn)出環(huán)狀，也就是穩(wěn)定圍巖與破碎圍巖相間出現(xiàn)，且與巷道中心線呈現(xiàn)出對稱布置的方式，運輸大巷圍巖松動圈范圍為1.7～4.1m，平均為3.5m，特別是在0～1.2m的范圍內(nèi)，巷道圍巖變形破壞嚴重，處于嚴重破碎狀態(tài)，在1.2～2.5m之間，巷道圍巖裂隙發(fā)育明顯，且裂隙以寬張、張開狀態(tài)為主。從鉆孔窺探的情況來看，運輸大巷出現(xiàn)了分層破壞情況，這與深部巷道圍巖容易出現(xiàn)的變形破壞特征相符合，而在原有支護狀態(tài)下，錨桿、錨索支護體不能較好適應(yīng)運輸大巷出現(xiàn)的分層破壞情況，這也是運輸大巷出現(xiàn)較大范圍變形破壞的原因之一。

圖2 運輸大巷圍巖內(nèi)部變形破壞示意圖

3.3 巷道圍巖巖性分析

為了更好掌握巷道圍巖巖性給運輸大巷穩(wěn)定性帶來的影響，選擇使用D/Max-3B型X射線衍射儀對運輸大巷圍巖的礦物組成成分進行了全面分析，具體結(jié)果見表2所示。

表2 巷道圍巖組成成分表

從表2中可看出，巷道圍巖中包含有較多的高嶺石、伊利石等膨脹性軟巖成分，這些物質(zhì)在遇水后容易出現(xiàn)崩解、風化、膨脹及軟化等，給巷道圍巖穩(wěn)定性帶來的影響是較為明顯的，特別是容易引起蠕變變形，由于運輸大巷中包含有大量軟土成分，在一定程度上導致了巷道圍巖不能有效承受外界較大地應(yīng)力，從而出現(xiàn)了大范圍的變形破壞。

4 運輸大巷返修支護策略分析

4.1 支護方案設(shè)計

大量深部巷道支護實踐表明，淺部巷道圍巖支護理念已經(jīng)不能滿足深部巷道支護需求，因此，在對運輸大巷進行返修時，基于“先抗后讓再抗”的支護理念，設(shè)計采用錨網(wǎng)索噴注聯(lián)合支護策略，具體施工工藝為：開挖后及時噴漿→錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護→反底拱支護→錨注注漿。具體設(shè)計參數(shù)為：

（1）錨桿支護參數(shù)設(shè)計：考慮到原支護方式未對底板進行支護而導致底板出現(xiàn)了較為明顯的變形破壞，在本次設(shè)計時，錨桿支護設(shè)計采用全斷面支護，Ф22mm，長度為2400mm，間排距設(shè)計均為800mm。

（2）錨索支護參數(shù)：設(shè)計頂板中心布置1根鋼絞線錨索，Ф17.8mm，長度為8000mm，間距為1600mm；在巷道兩幫各布置1根鋼絞線錨索，Ф17.8mm，長度為3500mm。

（3）底鼓控制。反底拱梁材料選用25#U型鋼加工而成。采用Ф20mm×L2400mm左旋無縱筋高強錨桿穿過反底拱梁上的預(yù)留孔，錨緊反底拱梁。反底拱間距1000mm。

（4）注漿參數(shù)。選擇使用中空注漿錨桿進行注漿，參數(shù)具體為：Ф27mm，長度為3000mm，間排距均為1600mm。具體注漿時間為一般情況下均控制在巷道開掘后10～15d后進行。

最終支護斷面圖，見圖3所示。

圖3 巷道圍巖返修支護方案示意圖

4.2 支護效果分析

為檢驗返修方案的合理性，選擇使用了十字布點法對運輸大巷返修情況進行了測量，得到了運輸大巷圍巖的變形曲線，見圖4所示。

分析圖4可知，在對運輸大巷進行返修后，巷道兩幫的最大移近量為60mm，頂?shù)装宓南鄬σ平繛?0mm，這表明返修方案實現(xiàn)了對巷道圍巖穩(wěn)定性的有效控制。

圖4 巷道返修后變形曲線

5 結(jié)語

（1）基于“先抗后讓再抗”的支護理念，設(shè)計采用錨網(wǎng)索噴注聯(lián)合支護方案，實現(xiàn)了對巷道圍巖的有效控制，對于類似巷道支護有一定的借鑒意義。

（2）深部巷道圍巖控制相對于淺層巷道圍巖控制有著較大的不同，為設(shè)計出更為合理的支護方案，在進行設(shè)計時，從多方面對巷道圍巖變形情況進行分析，掌握影響巷道圍巖變形破壞的關(guān)鍵因素，對于提升巷道圍巖支護設(shè)計的合理性是較為關(guān)鍵的。