圍巖松動(dòng)圈理論在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

原明帥

(山西汾河焦煤股份有限公司 三交河煤礦， 山西 洪洞 041600)

井下巷道開挖后，破壞了原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，對一定深度內(nèi)的圍巖產(chǎn)生影響，圍巖應(yīng)力重新分布會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果集中應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度，圍巖將發(fā)生破壞，這一破壞發(fā)展到一定深度后會(huì)取得新的應(yīng)力平衡，產(chǎn)生一定的松動(dòng)破壞范圍，即圍巖松動(dòng)圈。

董方庭等提出了松動(dòng)圈支護(hù)理論[1]，其認(rèn)為為保證巷道圍巖的穩(wěn)定，必須對巷道進(jìn)行有效的支護(hù)，控制圍巖松動(dòng)圈的過度發(fā)展。結(jié)合錨噴支護(hù)機(jī)理，依松動(dòng)圈的大小可將圍巖分為小松動(dòng)圈(0～0.4 m)、中松動(dòng)圈(0.4～1.5 m)和大松動(dòng)圈(>1.5 m)3大類6個(gè)小類。因此，掌握巷道松動(dòng)圈范圍的大小，對于選擇恰當(dāng)?shù)南锏乐ёo(hù)方式與參數(shù)，確定支護(hù)強(qiáng)度具有重要意義。

1 巷道圍巖松動(dòng)圈的測定

1.1 測試原理

松動(dòng)圈測試主要采用超聲波圍巖裂隙探測儀，主要方法為單孔聲波法[2]. 聲波在煤巖體中的傳播速度與巖體受力狀態(tài)及裂隙程度有關(guān)，當(dāng)圍巖裂隙(破裂縫)多時(shí)，波速相對于深部完整無裂隙(未松動(dòng)破壞)巖(煤)體的波速低。此外，影響超聲波在圍巖體中傳播速度的還有圍巖體所在區(qū)域的地應(yīng)力、圍巖體礦物成分、構(gòu)造特性等因素。通過巖石(煤)鉆孔測出聲波縱波速度在圍巖鉆孔中的分布變化曲線或“時(shí)間-孔深”曲線，即可判定圍巖裂隙(松動(dòng))范圍。不同巖石中聲波速度不同，同種巖石隨破裂程度的增加，傳播時(shí)間越長，聲速越低。

1.2 測試方法

為了保證傳感器與孔壁的良好接觸，用水作為耦合劑，沿孔深方向每0.1 m布置一個(gè)測點(diǎn)，對整孔進(jìn)行測試，測試參數(shù)為縱波傳播時(shí)間。巷道兩幫布置鉆孔時(shí)應(yīng)當(dāng)略向下扎3°～5°以便存水，當(dāng)鉆孔仰斜或向上時(shí)，為保證鉆孔內(nèi)注滿水，需采用封孔器。

因在測試中，需利用井下風(fēng)水管路，且用水作為聲波探頭與孔壁的耦合媒介，對水的流量、壓力和水質(zhì)相對要求較高，因此施工鉆孔時(shí)，必須將巖(煤)粉清理干凈。同時(shí)，為了保證孔內(nèi)存滿水，且減少水流動(dòng)性的干擾，注水時(shí)盡量控制水的流速。

2 工程實(shí)踐

2.1 測點(diǎn)布置及測試工序

三交河煤礦11-1042巷頂板為泥巖，兩幫為3.2 m厚的煤?，F(xiàn)場測試時(shí)，在11-1042巷頂板、左幫、右?guī)头謩e布置鉆孔，因測桿(含探頭)2.6 m，故現(xiàn)場施工時(shí)幫部采用d43 mm的煤鉆頭，孔深2.6 m；頂板采用42 mm的合金鋼鉆頭，孔深2.6 m. 根據(jù)地質(zhì)條件不同，探頭無法推進(jìn)孔底時(shí)，可進(jìn)行擴(kuò)孔，為保證測試效果，鉆頭直徑要控制在41～45 mm.

測試工序：1) 鉆孔掃眼，清出孔中巖(煤)粉和碎石(煤)渣，保證孔壁光滑平直，使傳感器順利插入、拔出。2) 將探頭送至孔底，封孔器插入孔口并固定好。3) 注水，測桿尾端有連續(xù)水流出時(shí)，表示水已注滿。4) 測試讀數(shù)，將探頭向外逐次抽動(dòng)10 mm，讀數(shù)計(jì)時(shí)。5) 檢查記錄數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，需關(guān)閉主機(jī)多次讀取數(shù)據(jù)，初步判定圍巖裂隙松動(dòng)范圍。

2.2 測試結(jié)果

聲波速度可通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

V≈l/t×106

式中：

V—聲波速度，m/s；

l—換能器之間的間距，m，取0.14；

t—測試時(shí)間，μs.

因聲波在不同煤巖體中不同力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面上，傳播速度變化較為明顯。故通過建立“時(shí)間-孔深”或“速度-孔深”變化曲線均能測試出圍巖裂隙范圍。

11-1042巷松動(dòng)圈測試結(jié)果部分圖見圖1,2,3,4，5，6.

圖1 右?guī)退蓜?dòng)圈測試結(jié)果圖

圖2 右?guī)豌@孔0.8 m處窺視結(jié)果圖

圖3 左幫松動(dòng)圈測試結(jié)果圖

圖4 左幫鉆孔1.0 m處窺視結(jié)果圖

圖5 頂板松動(dòng)圈測試結(jié)果圖

圖6 頂板鉆孔1.7 m處窺視結(jié)果圖

右?guī)驮?.8～0.9 m處，左幫在0.9～1.0 m處，聲波傳播時(shí)間急劇變短，說明波速變大，右?guī)推扑閰^(qū)在0.8～0.9 m，左幫破碎區(qū)在0.9～1.0 m. 因頂板右高左低，所以左幫承受壓力較大，故破碎程度較右?guī)痛蟆?/p>

頂板在1.7～1.8 m處，聲波傳播時(shí)間急劇變小，說明波速變大，得到頂板破碎區(qū)在1.7～1.8 m.

為進(jìn)一步確定巷道圍巖破碎程度及范圍，采用鉆孔窺視法對鉆孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行窺視[3]. 窺視結(jié)果與聲波法測試結(jié)果基本一致。

通過現(xiàn)場測試，結(jié)合圍巖松動(dòng)圈分類(具體分類見表1)可知，頂板松動(dòng)圈厚度為1.7～1.8 m，屬于大松動(dòng)圈Ⅳ類圍巖(軟巖)；兩幫松動(dòng)圈厚度在0.8～1.0 m，屬于中松動(dòng)圈Ⅱ類圍巖。

表1 巷道支護(hù)圍巖松動(dòng)圈分類表

3 支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)松動(dòng)圈支護(hù)理論，按照測得的松動(dòng)圈值進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。其中，頂板松動(dòng)圈厚度為1.7～1.8 m，采用錨桿組合拱理論進(jìn)行設(shè)計(jì)；兩幫松動(dòng)圈厚度在0.8～1.0 m，采用錨桿懸吊支護(hù)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 支護(hù)參數(shù)選取

1) 頂板支護(hù)參數(shù)選取。

a) 錨桿間排距的確定。根據(jù)工程實(shí)踐可知，軟巖巷道支護(hù)錨桿的間排距一般不小于0.5 m，不大于0.8 m. 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，確定錨桿間排距為0.8 m.

b) 錨桿長度的計(jì)算。根據(jù)組合拱理論可知，錨桿長度L按下式計(jì)算：

L=b+a+L2

式中：

b—組合拱厚度，m，根據(jù)組合拱理論，大松動(dòng)圈Ⅳ類圍巖組合拱厚度為1.0～1.1，實(shí)取1.1；

a—錨桿間排距，m，取0.8；

L2—錨桿無效長度，m，取0.1.

通過計(jì)算，錨桿支護(hù)長度為2.0 m，實(shí)際支護(hù)時(shí)取值2.5 m.

2) 幫部支護(hù)參數(shù)選取。

a) 錨桿長度的計(jì)算。根據(jù)懸吊理論可知，錨桿長度L按下式計(jì)算：

L=L1+L2+LP

式中：

L1—錨桿外露長度，m，取0.1；

L2—錨桿錨固深度，m，一般取0.3～0.4，實(shí)取0.4；

LP—錨桿有效長度，m，不小于圍巖松動(dòng)圈的厚度，實(shí)取1.0.

通過計(jì)算，錨桿支護(hù)長度為1.5 m，實(shí)際支護(hù)時(shí)取值2.0 m.

b) 錨桿間排距的確定。

當(dāng)錨桿間排距相等時(shí)，可按下式計(jì)算：

式中：

a—錨桿間排距，m；

Q—錨桿錨固力，kN，現(xiàn)場選用d20 mm的錨桿，錨固力取105；

K—安全系數(shù)，一般取1.5～2，實(shí)取2；

γ—不穩(wěn)定巖層平均重力密度， kN/m3，取30；

L2—松動(dòng)圈厚度，m，取1.0；

通過計(jì)算，錨桿間排距為1.32 m，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，支護(hù)時(shí)取值1.2 m.

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)巷道沿11#煤層頂板掘進(jìn)，巷高4.5 m×巷寬3.2 m，巷道斷面14.4 m2. 根據(jù)松動(dòng)圈探測結(jié)果，確定支護(hù)方式為：頂板支護(hù)采用錨網(wǎng)、錨桿、錨索、鋼帶聯(lián)合支護(hù)方式，頂錨桿選用d20 mm×2 500 mm的高強(qiáng)錨桿，“六·六”布置，間排距800 mm×800 mm，頂板肩角錨桿距幫250 mm；頂錨索選用d21.6 mm×7 200 mm鋼絞線，“二·二”布置，間排距1 800 mm×2 400 mm，錨索施工在兩排頂錨桿正中，頂板肩角錨索距幫1 350 mm；幫錨桿選用d20 mm×2 000 mm的高強(qiáng)錨桿，“三·三”布置，間排距1 200 mm×1 200 mm，第一根幫錨距頂板300 mm. 巷道斷面支護(hù)圖見圖7.

圖7 巷道斷面支護(hù)圖

4 效果監(jiān)測

4.1 頂板監(jiān)測

現(xiàn)場采用該支護(hù)后，安設(shè)頂板離層儀對頂板進(jìn)行監(jiān)測，巷道掘進(jìn)期間，頂板未發(fā)現(xiàn)離層現(xiàn)象，說明頂板穩(wěn)定。分別在幫錨桿、頂錨桿、頂錨索上安設(shè)測力計(jì)對錨桿/索受力情況進(jìn)行監(jiān)測，通過監(jiān)測分析，巷道在掘進(jìn)期間，前8 m受力變化最大，之后變化速度趨緩，在掘進(jìn)50 m后錨桿、錨索受力穩(wěn)定，其中幫錨桿變化值為21 kN，頂錨桿變化值為15 kN，頂錨索變化值為33 kN，均未超過屈服載荷，說明支護(hù)設(shè)計(jì)合理、可靠有效。頂板離層儀變化曲線見圖8，錨桿/索受力變化曲線見圖9.

4.2 現(xiàn)場反饋

通過現(xiàn)場觀測可知，巷道圍巖淺部局部破碎現(xiàn)象明顯改善，說明能夠阻止松動(dòng)圈內(nèi)巖石的進(jìn)一步軟化，并對圍巖強(qiáng)度進(jìn)行恢復(fù)，至少使一部分恢復(fù)到彈性狀態(tài)，以提高其殘余強(qiáng)度，提高巷道穩(wěn)定性，提高承載能力，阻止圍巖變形。

圖8 頂板離層儀變化曲線圖

圖9 錨桿/索受力變化曲線圖

5 結(jié) 論

1) 通過聲波探測及頂板窺視，頂板松動(dòng)圈厚度為1.7～1.8 m，屬于大松動(dòng)圈Ⅳ類圍巖；兩幫松動(dòng)圈厚度在0.8～1.0 m，屬于中松動(dòng)圈Ⅲ類圍巖。

2) 根據(jù)松動(dòng)圈理論，選擇了錨桿支護(hù)參數(shù)，并進(jìn)行合理的支護(hù)設(shè)計(jì)。

3) 通過對支護(hù)效果進(jìn)行監(jiān)測，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式后頂板未發(fā)生離層，錨桿錨索受力變化在合理范圍之內(nèi)，說明支護(hù)有效。

4) 錨桿支護(hù)能夠有效對巷道圍巖進(jìn)行控制，特別是錨桿支護(hù)能夠改善淺部圍巖的破碎現(xiàn)象，提高完整性及承載能力。