基于“三殼”承載結(jié)構(gòu)的軟巖巷道底鼓治理技術(shù)研究

韓連昌，劉 勇，康向濤，王 沉，王羽揚(yáng)，冷光海,2

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.貴州盤江精煤股份有限公司土城礦，貴州 盤州 553529)

軟巖巷道的支護(hù)問(wèn)題是世界地下工程一項(xiàng)重要而復(fù)雜的工程難題，地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓以及強(qiáng)擾動(dòng)影響加劇了軟巖巷道的支護(hù)難度，隨著煤礦開采深度逐漸加深，深部地應(yīng)力的逐漸加大，使得軟巖巷道的支護(hù)問(wèn)題進(jìn)一步加劇[1-3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)軟巖巷道的支護(hù)問(wèn)題做了大量的研究工作和工程實(shí)踐，在巷道頂板及兩幫的治理上有一定效果，變形量在可控范圍內(nèi)，但底鼓的治理仍存在一定問(wèn)題，治理效果不佳[4-6]。謝廣祥等[7]針對(duì)淮南礦區(qū)巷道底鼓的支護(hù)難題，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，揭示了巷道底鼓的力學(xué)特性，提出了“超挖錨注回填”技術(shù)；劉泉聲等[8]以顧北煤礦膠帶機(jī)巷為工程背景，對(duì)巷道底鼓影響因素、特性進(jìn)行分析，得出底鼓破壞原因，提出了“混凝土反拱地坪、深淺孔注漿、高預(yù)應(yīng)力組合錨索”的支護(hù)方案，治理效果良好；楊本生等[9]分析巷道底鼓影響因素及機(jī)理，認(rèn)為底鼓的破壞主要是無(wú)支護(hù)時(shí)的剪切破壞，進(jìn)而應(yīng)用連續(xù)“雙殼”支護(hù)理論，構(gòu)建了“底板淺孔注漿+深部錨索束高壓注漿”的治理底鼓技術(shù)，成功解決新景礦底鼓的支護(hù)難題；王曉卿等[10]采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析底鼓機(jī)理，研發(fā)出了適用于底鼓支護(hù)的端錨錨索束，提出了以“端錨錨索束”為主的底鼓控制方案，并在潘一東礦西翼主膠帶機(jī)大巷三聯(lián)巷得到成功運(yùn)用，治理效果良好；王衛(wèi)軍等[11]認(rèn)為巷道圍巖是頂板、兩幫、底板組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，回采巷道兩幫為軟弱煤體，直接影響底板的穩(wěn)定性，基于此提出了“加固兩幫”控制底鼓，工程實(shí)踐證明，支護(hù)效果良好。這些治理方法不同程度上對(duì)底鼓的治理有一定成效，但現(xiàn)有支護(hù)環(huán)境的復(fù)雜性，底鼓的破壞機(jī)理不同，現(xiàn)有的底鼓治理措施存在一定局限性，不能取得很好的治理效果。

因此，筆者以貴州省盤江礦區(qū)某礦131運(yùn)輸巷為工程實(shí)踐背景，針對(duì)該巷道底鼓治理問(wèn)題，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬等研究方法，分析底鼓的變形破壞特點(diǎn)及原因，針對(duì)性提出“三殼”支護(hù)理論，分析其支護(hù)機(jī)理，提出了“底板淺部注漿錨桿+深部注漿錨索束+灌漿500 mm+U型可縮性支架”的支護(hù)方案，并成功運(yùn)用?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，該支護(hù)方案有效治理巷道底鼓。

1 工程概況

某礦131運(yùn)輸上山巷位于貴州省盤江礦區(qū)，該巷道原巷道斷面為直墻半圓拱形，凈寬×凈寬=5 500 mm×4 750 mm，巷道埋深869 m，屬于深部高應(yīng)力軟巖巷道。該巷道底鼓變形破壞嚴(yán)重，底板滲水、積水現(xiàn)象嚴(yán)重，且底板巖性多為黏土礦物，遇水極易膨脹，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量底鼓破壞深度達(dá)10 m。尤其是兩旁受12#煤層和14#煤層的采動(dòng)影響，距巷道位置的距離分別為11.25 m和14.23 m，重復(fù)采動(dòng)加劇了巷道的應(yīng)力集中，使得巷道經(jīng)多次返修尚且不能控制底鼓的發(fā)生，經(jīng)測(cè)試最大水平主應(yīng)力為18.25 MPa，側(cè)壓系數(shù)達(dá)1.5，水平應(yīng)力較高，屬于典型的高應(yīng)力工程軟巖巷道。

巷道支護(hù)方式為錨桿網(wǎng)索噴支護(hù)方式，各支護(hù)參數(shù)為：頂板錨桿規(guī)格為Φ20 mm×L2 200 mm，幫部錨桿為Φ22 mm×L2 000 mm，間排距為800 mm×800 mm；錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×6 200 mm，間排距為1 600 mm×1 800 mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為Φ8 mm×100 mm×100 mm鋼筋焊制，噴漿厚度為150 mm。巷道原支護(hù)方式如圖1所示。

圖1 巷道原支護(hù)方式Fig.1 Original support pattern of roadway

2 底鼓破壞特點(diǎn)及破壞原因

2.1 巷道底鼓變形破壞特點(diǎn)

131運(yùn)輸上山巷位處高應(yīng)力大變形區(qū)域，導(dǎo)致底鼓變形破壞嚴(yán)重。其破壞特點(diǎn)主要有以下三方面。①底鼓變形量大，變形速度快。巷道在支護(hù)完成后1個(gè)月內(nèi)，底鼓最大突起量400 mm，2個(gè)月內(nèi)底鼓突起量8 000 mm，平均變形率17 mm/d，嚴(yán)重影響巷道的正常使用。②巷道底板常有滲水、積水等現(xiàn)象。在水的侵蝕作用下，底板泥化現(xiàn)象嚴(yán)重。③巷道兩幫及頂板的移近量大于底鼓量，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變形量是底鼓量的1.5倍，巷道斷面最終只夠1個(gè)人通過(guò)。

2.2 礦物圍巖成分分析

取底板巖樣進(jìn)行室內(nèi)圍巖成分分析，采用panalytical多功能粉末X射線衍射儀分析得：巖性多以泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖等黏土礦物為主。以泥巖為主的礦物組分為高嶺石28.5%、蒙脫石42.9%、伊利石20.1%和其他8.5%。采用HDH-1點(diǎn)荷載試驗(yàn)儀對(duì)底板巖樣進(jìn)行點(diǎn)載荷試驗(yàn)，以泥巖為主的單軸抗壓強(qiáng)度為2.45 MPa。

2.3 底鼓破壞原因分析

1) 應(yīng)力狀態(tài)。巷道底鼓的發(fā)生與所受應(yīng)力狀態(tài)有極大關(guān)系，巷道埋深較深，經(jīng)測(cè)試巷道位處高應(yīng)力區(qū)，長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)，巷道開挖后受力由三向受力狀態(tài)向二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，應(yīng)力狀態(tài)重新分布，期間集聚的能量釋放。同時(shí)，巷道受到12#煤層和14#煤層工作面的采動(dòng)影響，底板二次應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致底鼓發(fā)生。

2) 圍巖性質(zhì)。底板巖性多以泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖等黏土礦物為主，底板圍巖松散破碎。其中以泥巖為主的黏土礦物組分中蒙脫石含量最高，蒙脫石屬于強(qiáng)親水性黏土礦物，遇水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，造成內(nèi)部組分改變，產(chǎn)生空隙和裂隙，宏觀主要體現(xiàn)為體積膨脹，膨脹量為原體積的7倍。同時(shí)，膨脹產(chǎn)生較大的膨脹壓力，加劇了底板的破壞。

3) 支護(hù)狀態(tài)。巷道原支護(hù)方式為傳統(tǒng)的錨桿網(wǎng)索噴支護(hù)，底板處于敞開無(wú)支護(hù)狀態(tài)，在高應(yīng)力作用下，巷道的失穩(wěn)變形首先從支護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)開始破壞，底部無(wú)支護(hù)，兩幫壓力Ps沿著底板滑移線向底鼓內(nèi)擠壓流動(dòng)，底板成為高應(yīng)力釋放空間，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象。圖2為巷道底鼓破壞原因示意圖。

4) 水理作用。巷道底板常有滲水、積水等現(xiàn)象，底板巖性本身就是親水性黏土礦物，遇水極易膨脹，從而造成底板巖體松散破碎。破碎巖體為水的侵蝕提供便利，隨著時(shí)間的推移，底鼓只會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重。

Ps-兩幫對(duì)底板壓力；α，β-底板滑移線圖2 巷道底鼓破壞原因示意圖Fig.2 Schematic diagram of the destruction reason tothe tunnel bottom drum

3 “三殼”治理底鼓理論和機(jī)理

3.1 “三殼”支護(hù)理論

對(duì)底板圍巖先打淺部錨桿，然后打深部錨索，最后實(shí)施底板灌漿。即灌漿體硬化形成第一承載殼，錨桿形成第二承載結(jié)構(gòu)，硬化灌漿體和錨桿形成淺部支護(hù)殼，錨索調(diào)動(dòng)深部圍巖形成第三承載殼也可叫深部加固殼。三殼的相互協(xié)調(diào)及相互耦合，即為巷道的“三殼”支護(hù)，支護(hù)模型如圖3所示。

圖3 巷道圍巖“三殼”支護(hù)模型Fig.3 “Triple-shell” support model for surroundingrock of roadway

3.2 “三殼”治理底鼓機(jī)理

1) 淺部圍巖通過(guò)錨桿的成拱作用，將底板破碎圍巖凝結(jié)為一體，減少淺部圍巖的松動(dòng)圈范圍，提高底板圍巖的整體強(qiáng)度，增強(qiáng)自身的應(yīng)力承載范圍，強(qiáng)化淺部圍巖的承載能力，淺部錨桿的成拱作用形成第二承載結(jié)構(gòu)，為深部圍巖的穩(wěn)定提供保障。

2) 錨索將淺部破碎圍巖體與深部穩(wěn)定圍巖進(jìn)行預(yù)緊擠壓，將剪應(yīng)力向深部延伸、擴(kuò)張，減小水平應(yīng)力對(duì)淺部圍巖的剪切作用；幫部錨桿切斷兩幫壓力對(duì)底板的擠壓流動(dòng)，減小底板的應(yīng)力集中程度；打錨索時(shí)托盤預(yù)留柔性變形間隙，適當(dāng)釋放底板變形能，避免底板表面應(yīng)力集中造成的破壞。

3) 采用高壓底板灌漿，漿液可在高壓泵的作用下滲透在底板破碎圍巖裂隙中，漿液在圍巖裂隙中滲透、蠕動(dòng)形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，提高底板淺部圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角，進(jìn)而提高底板圍巖的承載性能；其次漿液可將底板圍巖中出現(xiàn)的大裂隙、小縫隙進(jìn)行充填，從而提高底板圍巖的整體完整性。

4) 第二承載殼和第三承載殼將底板深淺圍巖的導(dǎo)水裂隙通道進(jìn)行了充填、封堵，阻止底板深部以及淺部的滲水作用對(duì)底板圍巖的侵蝕；高壓灌漿(第一承載殼)阻隔了頂板及兩幫的長(zhǎng)期積水對(duì)底板的侵蝕，“三殼”的保護(hù)避免了底板圍巖因水的侵蝕導(dǎo)致的膨脹變形。

5) 底板灌漿的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)與支架形成了既能高強(qiáng)度抗壓又能適度讓壓支護(hù)體系，錨索托盤的柔性變形間隙和灌漿體的硬化過(guò)程達(dá)到“適度讓壓”的目的；灌漿體硬化形成的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)讓底板圍巖的受力狀態(tài)由二向受力向三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，與支架的共同作用能提供較大的主動(dòng)承載性能，從而防止底鼓的發(fā)生。

4 “三殼”治理底鼓關(guān)鍵技術(shù)及治理效果

4.1 “三殼”治理底鼓關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)軟巖巷道支護(hù)理論，結(jié)合巷道的變形破壞特征以及變形破壞原因，基于“三殼”底鼓控制理論，針對(duì)貴州省盤江礦區(qū)某礦131運(yùn)輸上山巷提出以下底鼓治理關(guān)鍵技術(shù)：巷道底板淺部打注漿錨桿形成錨桿群即“第二承載殼”，深部注漿+錨索束“即第三承載殼(深部加固殼)”，巷道底板表面灌漿500 mm+U型可縮性支架即“第一承載殼”。

1) 巷道的失穩(wěn)變形首先從支護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)開始破壞，肩角、肩窩、底角往往為巷道變形破壞的突破口，為避免巷道支護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，巷道形狀采用馬蹄形巷道斷面。

2) 將巷道斷面施工至設(shè)計(jì)斷面，凈寬×凈高=6 300 mm×4 800 mm，臥底達(dá)到設(shè)計(jì)要求，底板起底1 200 mm。

3) 底板淺部施加注漿錨桿(第二承載殼)。淺部錨桿間排距1 500 mm×1 800 mm，底板布置4根注漿錨桿，布置方式為巷道中心線兩側(cè)交錯(cuò)布置，錨桿規(guī)格為Φ22 mm×L2 500 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，底板幫角錨桿與水平方向角度為20～30°，注漿壓力控制在4～5 MPa；頂板錨桿采用Φ20 mm×L2 400 mm，幫錨桿采用Φ22 mm×1 800 mm，間排距為800 mm×800mm，每排施工13根，每根采用Z2835樹脂藥卷3卷；鋼筋網(wǎng)規(guī)格為1 800 mm×980 mm，搭接長(zhǎng)度為100 mm，錨桿螺絲的緊固力矩達(dá)到160～220 N·bm。

3) 采用底板錨索鉆機(jī)打底板錨索孔，采用Φ21.6 mm×L8 000 mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絞繩(深部加固殼)，底板布置錨索3根，底板中心線兩側(cè)交錯(cuò)布置與垂直方向成15°；頂板錨索采用Φ21.6 mm×L600 mm預(yù)應(yīng)力錨索，間排距為1 200 mm×1 200 mm，每排施工5根錨索，每根錨索采用5節(jié)錨固劑，錨固長(zhǎng)度1 500 mm，錨索緊固后外露長(zhǎng)度為150～250 mm，錨索設(shè)計(jì)預(yù)警力不低于200 kN。

4) 底板灌漿厚度為500 mm，漿液配比為水泥：砂子=1∶3，漿液加入速凝劑，用量為水泥的3%～5%，噴射灌漿工作壓風(fēng)控制在0.13～0.21 MPa，工作水壓比風(fēng)壓大0.1 MPa，以便于水環(huán)噴出的水能夠充分濕潤(rùn)瞬間通過(guò)噴頭的混合料。

5) 支架采用U36型鋼可縮性支架，支架由4節(jié)組成，搭接處采用3副卡纜，卡纜間距為170 mm，卡纜預(yù)緊力矩為360～400 N·bm。U型鋼架設(shè)棚距為800 mm，支架采用直拉桿連接，保證支架穩(wěn)定性，支護(hù)方案設(shè)計(jì)圖見圖4。

4.2 數(shù)值模擬分析

圖4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)圖Fig.4 The design of supporting scheme

圖5 數(shù)值模擬力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of the numerical simulation

為進(jìn)一步驗(yàn)證方案的合理性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值分析，建立數(shù)值模擬力學(xué)模型，如圖5所示。模型尺寸為65 m×10 m×75 m，計(jì)算模型共有15 820個(gè)單元和17 940個(gè)節(jié)點(diǎn)，開挖過(guò)程中模型底部、前后、左右限制移動(dòng)，頂部施加18.56 MPa的局部載荷，巷道開挖后馬上進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)中錨桿錨索采用Cable單元，支架采用Beam單元，模型運(yùn)算煤巖層力學(xué)參數(shù)見表1。錨桿錨索支護(hù)參數(shù)見表2。U型鋼支架力學(xué)參數(shù)見表3。

數(shù)值模擬過(guò)程中采用原支護(hù)方案和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析。數(shù)值模擬分析對(duì)比了無(wú)支護(hù)、原支護(hù)和設(shè)計(jì)支護(hù)三種設(shè)計(jì)方案，由圖6和圖7分析結(jié)果得知：巷道開挖后，由于沒(méi)有采取任何的支護(hù)措施，巷道由開挖前的三向受力狀態(tài)變?yōu)槎蚴芰顟B(tài)，巷道表面位移量隨著開挖時(shí)間而不斷增加，最終底鼓量以及頂板的位移量最大分別為450 mm和380 mm，塑性區(qū)范圍最廣，變形量較大，故巷道開挖后應(yīng)立即施加支護(hù)；采用原支護(hù)方案，底板未進(jìn)行支護(hù)，頂板及兩幫圍巖得到改善，位移量明顯減少，頂幫的加固對(duì)底鼓的治理有一定效果，但底板塑性區(qū)范圍仍廣，變形量不可控范圍內(nèi)，易發(fā)生底鼓，影響巷道的正常使用，故應(yīng)立即對(duì)底鼓施加支護(hù)；采用設(shè)計(jì)方案相比底鼓量以及頂板位移量明顯降低，底鼓量由原支護(hù)方案的175 mm降到25 mm，頂板下沉量由150 mm降到35 mm，塑性區(qū)范圍顯著減小，支護(hù)效果良好。設(shè)計(jì)方案提高了圍巖整體承載性能，形成既能高強(qiáng)抗壓又能適度讓壓的支護(hù)體，巷道底鼓的治理得到改善。綜上，設(shè)計(jì)的支護(hù)方案有效地控制了底鼓變形。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rockemployed in numerical simulation

表2 錨桿錨索支護(hù)參數(shù)Table 2 Supporting parameters of anchor and cable

表3 U型鋼支架力學(xué)參數(shù)Table 3 Supporting parameters of anchor and cable

圖6 巷道圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.6 Roadway surrounding rock state contour

圖7 巷道圍巖位移云圖Fig.7 Roadway surrounding rock displacement contour

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為進(jìn)一步驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性，該設(shè)計(jì)方案在貴州省盤江礦區(qū)某礦131運(yùn)輸上山巷得到成功運(yùn)用。支護(hù)完成后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)情況進(jìn)行了為期3個(gè)月觀測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道的表面位移進(jìn)行觀測(cè)，并設(shè)置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，選取最為具有代表性的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，測(cè)量曲線如圖8所示。

從監(jiān)測(cè)曲線中分析得知，巷道斷面的變形大致可分為三個(gè)階段：快速變形階段、緩慢變形階段和穩(wěn)定階段。巷道在支護(hù)后20 d變形最為劇烈，頂板最大變形量58 mm，最大底鼓量53 mm，此階段的支護(hù)主要依靠錨桿索支護(hù)；20～45 d變形較為緩和頂板最大變形量42 mm，最大底鼓量40 mm，此階段灌漿支護(hù)體逐漸硬化與U型鋼支架的作用逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，圍巖變形速率降低；支護(hù)后45 d巷道圍巖的變形量逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定，頂板、底板、兩幫的變形速率分別為0.27 mm/d、0.35 mm/d、0.55 mm/d，此階段灌漿漿液硬化形成混凝土支護(hù)體，支架的作用也充分發(fā)揮，兩者提供較大的主動(dòng)承載性能，共同維持巷道的穩(wěn)定。

圖8 巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.8 Roadway surrounding rock displacement monitoring graph

5 結(jié) 論

1) 針對(duì)某礦131運(yùn)輸上山巷底鼓嚴(yán)重問(wèn)題，分析認(rèn)為底鼓的主要影響因素為：巷道埋深大，巷道位處高應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜區(qū)，受重復(fù)采動(dòng)影響顯著；巷道底板巖層松散破碎，破壞深度深且處于敞開無(wú)支護(hù)狀態(tài)，在高應(yīng)力作用下，發(fā)生剪切破壞；底板滲水、積水嚴(yán)重，巖層遇水易產(chǎn)生較大膨脹壓力。

2) 針對(duì)該巷道底鼓的治理問(wèn)題，提出了“三殼”支護(hù)理論，并分析其底鼓治理機(jī)理，同時(shí)構(gòu)建了“三殼”支護(hù)結(jié)構(gòu)模型。

3) 分析巷道變形破壞特點(diǎn)及破壞原因，基于“三殼”底鼓控制理論，提出了“底板淺部注漿錨桿+深部注漿+錨索束+灌漿500 mm+U型可縮性支架”的支護(hù)體系并成功應(yīng)用。

4) 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，巷道在采用該支護(hù)方案后45 d圍巖變形量趨于穩(wěn)定，最大底鼓量95 mm，最大頂板下沉量102 mm，巷道的整體變形量在可控范圍內(nèi)，底鼓治理效果良好。