土城礦深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

冷光海

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土城礦深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

冷光海

(貴州盤(pán)江精煤股份有限公司土城礦，貴州 盤(pán)州市 553529)

針對(duì)軟巖巷道遇水膨脹泥化、變形量大、錨桿索失效嚴(yán)重等技術(shù)難題，以貴州盤(pán)江礦區(qū)土城礦131運(yùn)煤上山為工程背景，通過(guò)數(shù)值模擬及工業(yè)性試驗(yàn)等方法，揭示了圍巖變形特征以及巷道失穩(wěn)破壞原因，設(shè)計(jì)了“錨桿(索)+灌漿+雙U型鋼”的聯(lián)合支護(hù)方案。通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證了方案合理性。最后，該聯(lián)合支護(hù)成功運(yùn)用于土城礦，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：巷道最大變形收斂率為10.21％，較巷道修復(fù)前55％的變形收斂率，有效地控制了軟巖巷道的收斂變形。研究與應(yīng)用結(jié)果可為類(lèi)似復(fù)雜條件下的高應(yīng)力大變形軟巖巷道控制提供借鑒。

高應(yīng)力；大變形；軟巖巷道；聯(lián)合支護(hù)

軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題一直是當(dāng)今世界地下工程中一項(xiàng)重要而復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，隨著淺部煤炭資源日漸枯竭，煤礦開(kāi)采深度及開(kāi)采強(qiáng)度不斷提高，軟巖巷道的數(shù)量也在逐漸增多，支護(hù)難度也不斷提高，采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式已無(wú)法維持巷道的穩(wěn)定。因此，對(duì)軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題的研究已迫在眉睫[1?3]。

深部高應(yīng)力軟巖巷道主要呈現(xiàn)出長(zhǎng)期受高應(yīng)力影響，圍巖變形速度快，支護(hù)構(gòu)件失效嚴(yán)重等一系列現(xiàn)象，給煤礦的生產(chǎn)安全帶來(lái)了巨大的隱患。因此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)軟巖巷道的支護(hù)理論及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并取得一系列的研究成果[4?10]。但對(duì)于高應(yīng)力且應(yīng)力復(fù)雜、圍巖松散破碎、巷道泥化現(xiàn)象嚴(yán)重的軟巖巷道支護(hù)效果不甚理想。因此筆者以貴州省盤(pán)江礦區(qū)土城礦131運(yùn)輸上山為工程背景，通過(guò)分析和試驗(yàn)研究，并基于高阻灌漿圍巖控制理論提出了“錨桿錨索+灌漿+雙U型鋼棚”的聯(lián)合支護(hù)方案并得到成功應(yīng)用，支護(hù)效果良好。

1 巷道圍巖變形特征及原因分析

土城礦位于貴州省盤(pán)江礦區(qū)，礦井井田地形多為山區(qū)地形，褶皺、斷層分布廣泛。該礦131運(yùn)輸上山位于13采區(qū)，周邊煤層已先后采空，3號(hào)煤層上距1號(hào)煤層9.60 m，下距5號(hào)煤層7.25 m，巷道埋深886 m，圍巖巖性多以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖等軟弱巖層為主，屬于典型的深部高應(yīng)力工程軟巖巷道。

巷道原支護(hù)方式為網(wǎng)噴+錨桿索聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用是Φ20 mm×L2200 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，預(yù)緊扭矩為150 N·m；錨索為Φ17.8 mm×L4200 mm鋼絞繩，間排距為1200 mm ×1200 mm；鋼筋網(wǎng)規(guī)格為1800 mm×860 mm，網(wǎng)格為100 mm×100 mm；噴射混凝土厚度為150 mm。

1.1 巷道圍巖變形破壞特征

對(duì)131運(yùn)輸上山進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察和記錄，總結(jié)分析得出巷道具有以下變形特征：

(1) 頂板及兩幫變形量大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂板最大下沉量為1200 mm，兩幫移近量850 mm，局部巖石冒落，影響正常生產(chǎn)。

(2) 圍巖變形速率快，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。巷道支護(hù)完成后，圍巖持續(xù)變形，變形速率最快達(dá)到20 mm/d，后期變形速率為4 mm/d，巷道圍巖的持續(xù)變形，導(dǎo)致巷道經(jīng)多次返修，支護(hù)效果不佳。

(3) 支護(hù)結(jié)構(gòu)失效嚴(yán)重。隨著圍巖變形量的逐漸增大，出現(xiàn)錨桿索拉斷、扭彎、滑脫；托盤(pán)錨空、壓裂、壓彎及脫落；金屬網(wǎng)網(wǎng)兜撕裂，局部巖石冒落。大量支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，主動(dòng)承載性能失效。

1.2 巷道圍巖變形破壞原因

(1) 圍巖軟弱，抗壓強(qiáng)度低且受水理作用影響?；夭上锏绹鷰r巖性多以中砂巖、粉砂巖、泥巖等低強(qiáng)度的巖層為主，軟弱巖性加之采動(dòng)影響，導(dǎo)致圍巖較為破碎，抗壓強(qiáng)度低。室內(nèi)采用panalytical多功能粉末X射線衍射儀對(duì)巖樣進(jìn)行分析，泥巖單軸抗壓強(qiáng)度低于0.8 MPa，粉砂巖當(dāng)中含有一定的植物化石，使其圍巖自身強(qiáng)度較低，而中砂巖的組份以石英為主，當(dāng)中粘土礦物質(zhì)如高嶺石等含量也偏高，粘土礦物質(zhì)有遇水易膨脹的特性，該巷道有透水現(xiàn)象發(fā)生，當(dāng)水滲入圍巖中時(shí)會(huì)引發(fā)圍巖膨脹，導(dǎo)致其破碎，使其強(qiáng)度降低從而導(dǎo)致巷道的失穩(wěn)變形。

(2) 受重復(fù)采動(dòng)影響，應(yīng)力復(fù)雜且集中。首先，由于12#、13#、14#等近距離煤層群的開(kāi)采，對(duì)131運(yùn)輸巷造成了重復(fù)采動(dòng)影響；同時(shí)，該巷道所處環(huán)境周?chē)休^多的硐室、聯(lián)絡(luò)巷等人為開(kāi)鑿區(qū)域，而該巷道又處于中心交匯點(diǎn)的位置，其本身的原始應(yīng)力場(chǎng)與其周?chē)鲬?yīng)力擾動(dòng)形成的擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)相疊加，使得該巷道原本的應(yīng)力環(huán)境變得復(fù)雜且應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。

(3) 原有支護(hù)方案不能滿足巷道支護(hù)要求。巷道原支護(hù)方式錨桿索聯(lián)合支護(hù)，據(jù)松動(dòng)圈范圍測(cè)試，原方案錨桿錨固范圍小于圍巖松動(dòng)圈范圍，無(wú)法充分發(fā)揮錨桿的主動(dòng)承載性；同時(shí)圍巖兩幫破碎且軟弱，該方案對(duì)兩幫未采取加強(qiáng)支護(hù)，從而導(dǎo)致圍巖兩幫破壞嚴(yán)重，巷道失穩(wěn)，未形成合理穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2 圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

2.1 高阻灌漿圍巖控制原理

對(duì)長(zhǎng)期處于高應(yīng)力環(huán)境中的巷道，提供較大支護(hù)工作阻力等是保證巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。依據(jù)巷道圍巖變形破壞特征以及破壞原因，基于以上分析提出高阻灌漿圍巖控制理論，其機(jī)理為：

(1) 采用可縮性環(huán)形支架，支架接頭處可縮量可實(shí)現(xiàn)自行調(diào)節(jié)，對(duì)圍巖四周來(lái)壓大、受力不均，支架可提供較大的主動(dòng)承載性能。當(dāng)圍巖壓力超過(guò)支架工作阻力時(shí)，可縮性環(huán)形支架可利用自身可縮性來(lái)避免過(guò)載而失效。隨著支架的不斷收縮，支護(hù)阻力也不斷增大，進(jìn)而限制圍巖的變形，同時(shí)也能釋放集聚在圍巖中的壓力，做到高阻讓壓。

(2) 進(jìn)行全斷面環(huán)形灌漿。在高壓泵的作用下可將漿液擠壓、滲透到破碎圍巖裂隙中，在圍巖內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)骨架架構(gòu)，提高圍巖的粘聚力及內(nèi)摩擦角；其次漿液可將圍巖中較大的裂隙充填，提高圍巖完整性。同時(shí)也可將圍巖中的導(dǎo)水裂隙進(jìn)行封堵，阻止水對(duì)圍巖的侵蝕作用，強(qiáng)化圍巖的強(qiáng)度，提高圍巖的自承載性能。

(3) 底板灌漿可將底板因高應(yīng)力作用而產(chǎn)生的裂縫和間隙充填，灌漿體的硬化將底板因開(kāi)挖所受的二向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，使得底板的極限承載能力得到提高，從而有效控制底鼓。

高阻灌漿圍巖控制機(jī)理主要表現(xiàn)在能提供較大的主動(dòng)承載性能，環(huán)形可塑性支架既能高強(qiáng)度讓壓又能適度讓壓，灌漿漿液硬化形成的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)也能提供較大的支護(hù)阻力，二者的相互配合實(shí)現(xiàn)高阻；灌漿主要提高圍巖強(qiáng)度，阻隔導(dǎo)水裂隙，防止水的侵蝕作用，使圍巖的主動(dòng)承載性能得到充分發(fā)揮。

2.2 巷道圍巖穩(wěn)定性控制對(duì)策及支護(hù)參數(shù)

基于131運(yùn)輸上山變形破壞特點(diǎn)及變形破壞原因，同時(shí)根據(jù)高阻灌漿圍巖控制原理，提出錨桿錨索+灌漿+雙U型鋼棚的聯(lián)合支護(hù)方式，控制對(duì)策如下：

(1) 避免出現(xiàn)支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。巷道的失穩(wěn)變形首先從支護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始破壞，隨著第一次破壞而惡性擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致巷道整體失穩(wěn)變形。131運(yùn)輸上山原巷道斷面為直墻半圓拱，變形破壞首先從巷道肩窩、肩角及底角等關(guān)鍵部位開(kāi)始。因此，斷面形狀采用馬蹄形巷道斷面，既能避免支護(hù)出現(xiàn)薄弱點(diǎn)又能對(duì)底板起一定的支護(hù)作用。

(2) 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，1.85 m范圍內(nèi)圍巖破碎嚴(yán)重，為避免錨桿支護(hù)失效，采用Φ20 mm×L2400 mm的超強(qiáng)螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm，每排布置錨桿15根，每根錨桿采用K2350樹(shù)脂藥卷3卷；錨索采用Φ17.8 mm×L8000mm的預(yù)應(yīng)力錨索，錨索間排距為1200 mm×1200 mm，每排打5根預(yù)應(yīng)力錨索，每根錨索采用4卷K2350樹(shù)脂藥卷。該巷道底鼓類(lèi)型為擠壓流動(dòng)性底鼓，底板巖層在高應(yīng)力作用下發(fā)生剪切破壞，打底角錨桿控制兩幫應(yīng)力傳遞，大幅減少 底鼓。

(3) 巷道所處位置四周來(lái)壓強(qiáng)烈，長(zhǎng)期受高應(yīng)力影響，圍巖本身松散破碎，主動(dòng)承載性能不能得到充分發(fā)揮，因此需要較大支架工作阻力來(lái)維持巷道的穩(wěn)定，同時(shí)采用灌漿漿液的滲透固結(jié)來(lái)提高圍巖的整體性能。因此打完錨桿索后架設(shè)第一層型號(hào)為29號(hào)U型鋼棚，U型鋼形狀與斷面形狀吻合，各U型鋼之間搭接處采用3副卡纜固定，卡攬間距為170 mm，每500 mm架設(shè)一架支架，之間采用支拉桿進(jìn)行連接，防止支架滑倒；第一層U型鋼支架架設(shè)完成后，對(duì)底板進(jìn)行灌漿，灌漿厚度為500 mm。之后架設(shè)第二層U型鋼支架，支架間留有500 mm間隙用于高壓灌漿，在第二層支架表面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)和阻燃性布料，支架架設(shè)完成后進(jìn)行高壓灌漿，水泥砂漿配合比為水泥：砂子=1:2.5，速凝劑的比例為水泥用量的3%~5%，噴射灌漿用的工作壓風(fēng)控制在0.15~0.18 MPa。支護(hù)設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

圖1 支護(hù)設(shè)計(jì)

3 數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 模型建立

模型采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立，尺寸為50 m×15 m×60 m，共有101648個(gè)節(jié)點(diǎn)和93240個(gè)單元，頂部施加12 MPa的垂直載荷，模型限制底部移動(dòng)，左右前后限制水平方向移動(dòng)，巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬過(guò)程中錨桿和錨索采用Cable單元，支架采用Beam單元，支護(hù)模擬方案如圖2所示。

圖2 支護(hù)數(shù)值模擬方案

3.2 結(jié)果分析

數(shù)值模擬支護(hù)采用3種方案進(jìn)行對(duì)比分析，分別為錨桿索、錨桿索+U型鋼支護(hù)、錨桿索+灌漿+雙U型鋼，數(shù)值模擬結(jié)果位移云圖如圖3所示。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，巷道開(kāi)挖后沒(méi)有采取任何的支護(hù)措施時(shí)，頂?shù)装逦灰屏糠謩e為300 mm和250 mm，巷道變形破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重影響巷道的正常使用，故巷道開(kāi)挖后應(yīng)該立即施加支護(hù)；巷道開(kāi)挖后采用錨桿索支護(hù)有一定效果，頂?shù)装遄畲笪灰屏糠謩e為240 mm和200 mm，但仍未滿足支護(hù)要求；采用錨桿索+U型鋼支護(hù)，相比無(wú)支護(hù)和錨桿索支護(hù)效果進(jìn)一步提升，但原巷道為高應(yīng)力軟巖巷道，且受重復(fù)采動(dòng)影響顯著，單憑傳統(tǒng)的錨桿索+U型鋼支護(hù)無(wú)法長(zhǎng)期維持巷道的穩(wěn)定；而采用錨桿索+灌漿+雙U型鋼的聯(lián)合支護(hù)方式，支護(hù)效果明顯，頂板的最大下沉量為24 mm，底鼓量為20 mm，相比前兩種支護(hù)方案，支護(hù)效果更好。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

該支護(hù)方案應(yīng)用于貴州盤(pán)江土城礦131運(yùn)輸上山，布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行180 d觀測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道采用該支護(hù)方案后，支護(hù)效果良好，頂板、兩幫以及底板的最大變形量分別為124，91，69 mm，巷道圍巖的整體變形量在可控范圍內(nèi)，可有效控制圍巖變形。

4 結(jié) 論

(1) 圍巖破碎自承能力低、高應(yīng)力且應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜、支護(hù)參數(shù)不合理以及底板未支護(hù)等因素是土城礦131運(yùn)輸上山變形破壞的主要原因。

(2) 基于131運(yùn)輸上山變形破壞特點(diǎn)及破壞原因，同時(shí)根據(jù)高阻灌漿圍巖控制原理，提出“錨桿錨索+灌漿+雙U型鋼棚”的聯(lián)合支護(hù)方案，支護(hù)效果良好。

(3) 井下試驗(yàn)表明：巷道采用支護(hù)方案半年內(nèi)未出現(xiàn)較大變形，頂板、兩幫及底板平均變形分別為0.57，0.43，0.36 mm/d，變形量在可控范圍內(nèi)。

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(2018?09?21)

冷光海(1989—)，男，貴州威寧縣人，采礦工程師，主要從事煤礦一線安全生產(chǎn)管理工作，Email：703518118@ qq.com。