弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)設(shè)計優(yōu)化及現(xiàn)場監(jiān)測研究

周建樹，程樺，2，姚直書，黎明鏡，鄧昕

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

0 引言

近年來，隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，煤炭資源開采強(qiáng)度不斷增大，淺層資源難以為繼，不少煤礦開始投入到深部煤層的開采狀態(tài)[1-3]。以內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)為例，進(jìn)入2010 年以來，新開發(fā)的多數(shù)大型礦井開采深度已由原先的300 m 以淺，逐漸延深至400 m 以深。與我國中東部礦區(qū)不同，該地區(qū)的白堊-侏羅系地層為連續(xù)沉積巖，具有遇水砂化、泥化，且抗壓、抗剪強(qiáng)度低等特點[4-5]。在該類的巖層開挖巷道后，圍巖不斷產(chǎn)生變形并嚴(yán)重破壞，傳統(tǒng)的錨網(wǎng)噴支護(hù)方案難以滿足巷道圍巖的穩(wěn)定安全要求；特別是在含水砂性巖層中，因圍巖發(fā)生軟化，導(dǎo)致錨桿、錨索等主動支護(hù)結(jié)構(gòu)所施預(yù)緊力松弛，發(fā)生失穩(wěn)破壞。

近年來，針對弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)的相關(guān)問題，國內(nèi)有關(guān)學(xué)者開展了大量研究并取得了系列成果。為解決軟巖巷道支護(hù)困難問題，趙增輝等[6]通過正交試驗與有限元法得出圍巖參數(shù)對巷道穩(wěn)定性的影響曲線；王渭明等[7]通過支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提出了錨網(wǎng)索協(xié)同支護(hù)。為了解決軟巖巷道變形大、表層開裂問題，李學(xué)彬等[8]通過室內(nèi)材料配比實驗研發(fā)了可以適應(yīng)大變形的新型噴層，張偉等[9]提出了沿底掘進(jìn)留托頂煤錨網(wǎng)支護(hù)方案。為了優(yōu)化弱膠結(jié)軟巖支護(hù)措施，亓榮強(qiáng)[10]確定了最優(yōu)支護(hù)時間和弱膠結(jié)軟巖支護(hù)的遵守原則；孟慶彬等[11]通過軟巖巷道圍巖松動圈范圍，分析巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與變形破壞機(jī)理并給出巷道優(yōu)化布置與支護(hù)對策。綜上可見，國內(nèi)研究主要集中在軟巖巷道支護(hù)設(shè)計方案方面，對該類軟巖軟化對錨桿(索)受力影響研究較少。

本文以泊江海孜礦+803.5 m 水平輔助運輸石門為研究對象，基于原巷道支護(hù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，分析其受力變形特點、存在問題及其致因；提出弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)設(shè)計原則及其優(yōu)化方案；為驗證優(yōu)化支護(hù)方案的可行性，采用軟件FLAC3D模擬分析，探究優(yōu)化后巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與受力特性，并通過現(xiàn)場監(jiān)測，驗證了優(yōu)化后支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性和有效性，確保了該巷道施工與運行安全，為今后軟巖巷道支護(hù)提供了有益參考。

1 工程背景

1.1 礦井水文與工程地質(zhì)條件

泊江海子礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)，設(shè)計年產(chǎn)量3.0 Mt/a，此輪煤礦新井建設(shè)開采深度較大(300 m 以深)，采用立井開拓方式。由井筒檢查孔勘探得知，該井礦的地質(zhì)由侏羅系、第四系、白堊系、三疊系地層組成，其主要地質(zhì)侏羅系地層以砂層和礫石層為主。水文勘測結(jié)果表明各井位處均有含水層，以巖石裂隙水、礫石隔水層為主，第一個含水層以巖屑間裂隙、巖體縫隙間的承壓水為主，含水量較大，位于地層平均厚度為320 m；第二個含水層位于3 號煤層與頂部礫石巖層間的隔水層，隔水層平均厚度、深度分別為21.09 m、323.62 m，第三含水層位于3 號煤層底部泥巖層至6 號煤層含水層，3 號煤層底深550 m。其中巷井施工中在第一、二含水層可能發(fā)生管涌現(xiàn)象。分別在礦井主立井、副立井、回風(fēng)立井井筒計算日涌水量為405 m3、475 m3、403 m3。

1.2 巷道圍巖特征

該礦+803.5 m 輔助運輸石門(圖1(a))圍巖以砂質(zhì)泥巖、細(xì)致砂巖、粉質(zhì)砂巖為主，巷道頂板直接接觸圍巖以粉質(zhì)砂巖為主，底板直接接觸圍巖以砂質(zhì)泥巖為主，巖層穩(wěn)定，無斷層，巖體質(zhì)量評價較差，易遇水軟化；巷道圍巖揭露的巖性如圖1(b)所示。

圖1 +803.5 m輔助運輸石門

根據(jù)水文地質(zhì)資料及實驗室?guī)r芯樣實驗，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)巷道開挖掘進(jìn)得到的巖石顆粒知：巖層中含水量較高，巖石間多以巖屑與水混合物存在，巖粒間以膠結(jié)物連接，巖粒以砂巖為主，黏土礦物次之，巖性特點為遇水發(fā)生膨脹，暴露在空氣中已發(fā)生氧化反應(yīng)(從砂質(zhì)泥巖放大圖2 可以看出)；從表1 可以看出，揭露圍巖的強(qiáng)度隨著含水率的增加而明顯下降。

圖3 +803.5 m水平輔助運輸石門支護(hù)

圖2 砂質(zhì)泥巖和煤層表面放大圖

2 巷道支護(hù)設(shè)計與監(jiān)測

2.1 巷道支護(hù)設(shè)計

考慮到該石門巷道穿越巖層多，且具有弱膠結(jié)富水性弱、遇水軟化的特性，故采用錨梁網(wǎng)噴索主動支護(hù)設(shè)計，并要求在施工時及時施工噴層封閉圍巖[2]。

巷道支護(hù)主要參數(shù)為：錨桿采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿索：長度為2500 mm，直徑為φ22 mm，間排距為800 mm×800 mm；錨索直徑為Φ17.8 mm，長度為7300 mm；布置方式為4-3-4 布置(圖3)。

2.2 巷道支護(hù)監(jiān)測及分析

2.2.1 監(jiān)測內(nèi)容及元件

在巷道施工時先后分2 次，在6 個斷面埋設(shè)了相應(yīng)的監(jiān)測元件。其中，輔助運輸石門向里60 m處設(shè)置測量站用于監(jiān)測優(yōu)化前巷道支護(hù)的受力變形；在輔運石門560 m 左右設(shè)置3 個監(jiān)測斷面，以驗證優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計合理性(圖1、圖3)。監(jiān)測內(nèi)容：錨桿、錨索受力與巷道收斂變形。

2.2.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

由圖4(a)可知，在監(jiān)測周期內(nèi)，B2 斷面錨桿平均拉力為45.67 kN，巷道左、右肩部錨桿拉力分別為68.54 kN、22.41 kN。錨桿受力過程可分為快速增長、穩(wěn)定和緩慢衰減三個階段。快速增長階段為錨桿安裝后30 天左右內(nèi)，由于巷道開挖卸載引發(fā)的圍巖變形速率較大，導(dǎo)致錨桿受力急劇增大。其后，在支護(hù)體系的抑制作用下，巷道圍巖變形逐漸穩(wěn)定，錨桿受力隨之進(jìn)入時長約70 天左右的相對穩(wěn)定階段。由于該巷道位于弱膠結(jié)軟巖，且為富水性弱的孔隙性含水層，巷道圍巖出現(xiàn)松動圈后，巖層中孔隙水緩慢滲出軟化圍巖，在上述2 個因素作用下，錨桿受力出現(xiàn)了緩慢衰減階段。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)表

由圖4(b)可知，在監(jiān)測周期內(nèi)，B2 斷面錨索平均拉力為29.98 kN，巷道左、右肩部錨索拉力分別為51.7 kN、2.3 kN。錨索受力可分為快速上升和緩慢下降2 個階段?？焖僭鲩L階段為錨索安裝施加預(yù)緊力后10 天內(nèi)，如左肩上部錨索拉力平均每天增加0.95 kN；其后，各部位錨索受力變化率均以小于0.03 kN/d。造成上述現(xiàn)象，主要是因為錨索長度較短(7300 mm)，索頭位于弱膠結(jié)軟巖中，加之施工質(zhì)量等原因，導(dǎo)致預(yù)緊力均沒達(dá)到設(shè)計要求，特別是右側(cè)拱肩及其上方2 根錨索力最大拉力僅分別為25.0 kN、15 kN，遠(yuǎn)沒達(dá)到設(shè)計要求。

圖4(c)顯示，頂板下沉及兩幫收斂值均很小，且變化不大，說明巷道處于較好的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 監(jiān)測斷面曲線圖

綜上監(jiān)測分析可見，由于+803.5 m 輔助運輸石門穿越的不同巖層多為弱膠結(jié)軟巖，且構(gòu)造較為簡單，采用錨噴索聯(lián)合支護(hù)雖可以滿足巷道穩(wěn)定性要求，但是圍巖軟弱以及遇水軟化的特性，導(dǎo)致錨索預(yù)拉力不足，且錨桿和錨索所受拉力較小，并出現(xiàn)后期衰減以及混凝土噴層受壓應(yīng)力水平較高的現(xiàn)象。由此表明，錨桿和錨索的作用沒有得到充分發(fā)揮，支護(hù)體系與圍巖結(jié)構(gòu)受力變形耦合度不足，不利于巷道的長期穩(wěn)定性，需根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對該巷道支護(hù)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

3 巷道支護(hù)設(shè)計優(yōu)化

3.1 設(shè)計優(yōu)化原則

(1)錨桿與圍巖強(qiáng)度、變形匹配，充分調(diào)動錨桿群聯(lián)動作用，促使圍巖應(yīng)力場和位移場均勻分布，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)[12]。

(2)錨索與圍巖結(jié)構(gòu)耦合，有足夠的錨鎖力充分調(diào)動深部圍巖的承載能力，使應(yīng)力集中區(qū)向縱深轉(zhuǎn)移，有效衰減巷道周邊圍巖應(yīng)力集中度[1，13]。

(3)疏堵結(jié)合，強(qiáng)化錨桿、錨索鎖頭錨固力，以期扼制軟弱圍巖以及遇水軟化引起的錨桿(索)失效。

(4)形成錨梁網(wǎng)噴索協(xié)同支護(hù)體系，約束圍巖松動圈發(fā)展，實現(xiàn)圍巖與支護(hù)共同作用。

3.2 巷道支護(hù)優(yōu)化方案

基于巷道支護(hù)優(yōu)化原則，提出采用錨梁網(wǎng)噴索聯(lián)合支護(hù)方案(圖5)。

(1)沿巷頂向兩側(cè)對稱布置13 根長度2500 mm的錨桿，錨桿材料選用直徑為Φ20 mm 無縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼；極限設(shè)計強(qiáng)度為325 MPa，排間距為1000×1000 (單位：mm)。錨固劑選擇錨固設(shè)計強(qiáng)度150 kN，錨固長度選擇1300 mm。

(2)沿巷頂向兩側(cè)對稱布置3 根長度6300 mm的錨索，錨索材料選用直徑為Φ17.8 mm 高強(qiáng)度螺紋鋼；極限設(shè)計強(qiáng)度為325 MPa，排間距為2000×2000 (單位：mm)。錨固劑選擇錨固設(shè)計強(qiáng)度250 kN，錨固長度選擇1600 mm。

(3)鋼筋網(wǎng)選用Φ6 mm 鋼筋，網(wǎng)孔100×100(單位：mm)，規(guī)格為2000×800 (單位：mm)。

(4)鋼筋托梁選用Φ12 mm 圓形鋼筋，間距1000 mm，規(guī)格為Φ12×1800×70 (單位：mm)。

(5)噴層混凝土采用C20，噴層厚度為150 mm，底板采用C30 強(qiáng)度的混凝土鋪設(shè)。

(6)在巷道墻體下部沿縱向每隔15 m 設(shè)置1個泄水孔，及時疏排巖層中的孔隙水，防止圍巖遇水軟化。

圖5 優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)

3.3 設(shè)計優(yōu)化數(shù)值分析

采用FLAC3D模擬軟件建立三維實體的模型，考慮到實際結(jié)構(gòu)所掘巷道圍巖以粉砂巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，巷道圍巖巖層分布按實際巖層劃分，巖層力學(xué)參數(shù)取表1 平均數(shù)。模型尺寸X、Y、Z方向分別為60 m、120 m 和60 m，巖石的破壞準(zhǔn)則按Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，建立模型共168 000 個單元，174 747 個節(jié)點。采用該礦試驗1#聯(lián)絡(luò)巷地應(yīng)力測試結(jié)果(以正北為y 向，以正東為x 向)，沿模型y 軸方向布置，將最大/小水平應(yīng)力分解至x，y 軸方向(表2)。計算至平衡狀態(tài)后，對模型的位移場和速度場進(jìn)行清零。

表2 地應(yīng)力參數(shù)

3.3.1 圍巖位移對比分析

由圖6 可知：巷道模型開挖后，隨著巷道支護(hù)穩(wěn)定，圍巖變形不再增加，巷道拱頂與拱底出現(xiàn)位移集中，其中拱頂處圍巖收斂變形相對較大，優(yōu)化前后最大下沉量分別為24.86 mm、51.67 mm；根據(jù)特征點發(fā)現(xiàn)巷道拱肩處圍巖收斂變形最大，優(yōu)化前后的最大變形量分別為33.0 mm、66.02 mm，由于為充分調(diào)動錨錨桿作用，優(yōu)化后的錨桿間排距由原設(shè)計800×800 (單位：mm)調(diào)整到1000×1000 (單位：mm)，故此出現(xiàn)優(yōu)化后的巷道收斂值大于優(yōu)化前的現(xiàn)象。由圖6(b)可知，優(yōu)化后的拱頂與拱肩位移雖然變大，可滿足巷道支護(hù)安全要求。

圖6 位移曲線圖

3.3.2 錨桿與錨索對比分析

由圖7 可以看出優(yōu)化前錨桿及錨索在巷道圍巖結(jié)構(gòu)中受力較小，且受力分布不均，頂部最大受力為71.11 kN，錨索受力較小，總體未得到充分利用，而優(yōu)化后錨桿及錨索在支護(hù)中受力均勻，頂部受力最大值為95.64 kN，從受力曲線圖中看出錨桿索受力變化不大且受力均勻，同時也要滿足巷道的安全性、穩(wěn)定性等使用要求。

4 優(yōu)化前后巷道監(jiān)測分析

在輔運石門560 m 左右設(shè)置了3 個監(jiān)測斷面，實測優(yōu)化后巷道錨桿和錨索受力變化情況，其監(jiān)測結(jié)果見圖8(a)、圖8(b)。

由圖8(a)可見，由于采取了疏水、加強(qiáng)錨桿端頭錨固，以及及時噴錨等措施，優(yōu)化后的錨桿受力可分為快速增長和穩(wěn)定受力2 個階段。優(yōu)化前后斷面所監(jiān)測的錨桿平均受力分別為44.18 kN、53.08 kN，左肩上部錨桿最大值分別為68.5 kN、108.75 kN，錨桿的作用得到了較好發(fā)揮，避免了錨桿因圍巖軟化和錨固力不足出現(xiàn)的所受拉力的松弛現(xiàn)象。

圖7 錨桿索受力曲線圖

圖8 錨桿(索)受力變化圖

由圖8(b)可知，優(yōu)化后的錨索在安裝張拉后，所受拉力歷經(jīng)快速增長和逐漸穩(wěn)定2 個階段，雖然因巷道周邊沒有堅硬巖層，張拉力未能達(dá)到設(shè)計要求，但沒出現(xiàn)優(yōu)化前錨索拉力松弛現(xiàn)象。

綜上分析，說明優(yōu)化后的錨梁網(wǎng)噴索聯(lián)合支護(hù)體系，有效改善了支護(hù)體系與圍巖協(xié)同作用，避免了支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿和錨索因錨固力不足出現(xiàn)的功能衰退，確保了巷道支護(hù)長期穩(wěn)定安全。

但是，需要指出的是，在弱膠結(jié)巖層中采用常規(guī)錨桿或錨索的端頭錨固結(jié)構(gòu)方式，難以適應(yīng)其強(qiáng)度低、遇水軟化的特性，如對錨索難以施加高張拉力、錨桿(索)受力過程中出現(xiàn)拉力松弛現(xiàn)象等。因此，研發(fā)適應(yīng)該類地層的新型錨桿、錨索將是今后需要關(guān)注的問題。

5 結(jié)論

以泊江海子礦弱膠結(jié)地層+803.5 m 水平輔助運輸石門為研究對象，根據(jù)巷道支護(hù)實測結(jié)果，提出優(yōu)化設(shè)計方案，通過對優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測與分析，得出以下主要結(jié)論。

(1)現(xiàn)場監(jiān)測表明，在弱膠結(jié)巖層中采用常規(guī)錨桿或錨索的端頭錨固結(jié)構(gòu)方式，難以適應(yīng)其強(qiáng)度低、遇水軟化的特性，導(dǎo)致施加至錨索上的預(yù)緊力難以達(dá)到設(shè)計要求，且錨桿(索)在受力過程中出現(xiàn)拉力松弛現(xiàn)象。

(2)研究提出的巷道支護(hù)設(shè)計優(yōu)化原則，以及錨梁網(wǎng)噴索協(xié)同支護(hù)設(shè)計優(yōu)化方案，有效改善了支護(hù)體系與圍巖的協(xié)同作用，避免了支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿和錨索因錨固力不足出現(xiàn)的功能衰退，并得到現(xiàn)場監(jiān)測驗證。為今后類似條件巷道支護(hù)提供了有益借鑒。