復(fù)雜膨脹性圍巖條件下交岔點(diǎn)支護(hù)技術(shù)研究

趙長(zhǎng)紅，呂兆海

(1.寧夏煤炭基本建設(shè)有限公司，寧夏 銀川 750004；2.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750000)

交岔點(diǎn)主要分為兩類(lèi)，第一類(lèi)為井筒或車(chē)場(chǎng)在掘進(jìn)期間按標(biāo)準(zhǔn)道岔布置方式掘進(jìn)甩車(chē)場(chǎng)或繞道而形成的交岔點(diǎn)，這類(lèi)交岔點(diǎn)通常按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)行支護(hù)，通常由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)斷面、一個(gè)漸變斷面及柱墩組成；第二類(lèi)交岔點(diǎn)通常是為解決巷道通風(fēng)、行人、運(yùn)料等問(wèn)題而連通兩條已有的巷道形成的“十字”或“丁字”形交岔點(diǎn)。交岔點(diǎn)處巷道頂板懸露面積較大，應(yīng)力集中程度較高，極易造成頂板圍巖的變形和破壞，尤其是二次開(kāi)挖擾動(dòng)造成圍巖應(yīng)力重新分布與疊加，進(jìn)一步加劇了巷道變形失穩(wěn)。交岔點(diǎn)支護(hù)范圍內(nèi)受力復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定性差，如何有效控制交岔點(diǎn)大斷面圍巖穩(wěn)定性引起了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家高度關(guān)注，許多學(xué)者對(duì)不同巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究。張偉等[1]提出在應(yīng)力集中作用下，巷道交岔點(diǎn)圍巖破壞區(qū)域范圍較大，圍巖穩(wěn)定性最差，為達(dá)到有效控制圍巖可采用整體錨固支護(hù)原則；王景義等[2]提出采用錨索改棚技術(shù)提高圍巖整體性，充分調(diào)動(dòng)圍巖承載能力的設(shè)計(jì)思路，可有效控制圍巖的變形破壞；王炯等[3]認(rèn)為受淺部支護(hù)理論及支護(hù)技術(shù)水平的限制，傳統(tǒng)錨網(wǎng)索支護(hù)下的大斷面交岔點(diǎn)處局部支護(hù)狀況惡化，關(guān)鍵部位產(chǎn)生破壞，采用錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)交岔點(diǎn)變形得到有效控制；謝文兵等[4]提出錨注加固軟巖硐室支護(hù)方案能使圍巖由塑性變形的極限平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定平衡狀態(tài)；林惠立[5]認(rèn)為地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、膨脹型黏土礦物和應(yīng)力集中是大斷面硐室群變形破壞的主要原因；黎勁東等[6]提出了全斷面封閉抗壓是吸水膨脹性軟巖巷道支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)；呂兆海等[7]提出了交岔點(diǎn)分區(qū)加固支護(hù)工藝。但是針對(duì)復(fù)雜膨脹性圍巖條件下交岔點(diǎn)的變形破壞及支護(hù)研究相對(duì)較少，設(shè)計(jì)和支護(hù)技術(shù)還不太成熟。關(guān)于復(fù)雜膨脹性圍巖條件下交岔點(diǎn)的支護(hù)機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

根據(jù)清水營(yíng)煤礦主斜井與二號(hào)檢修聯(lián)絡(luò)巷貫通形成的“丁字形”交岔點(diǎn)的實(shí)際情況，結(jié)合主斜井圍巖特性，巷道圍巖遇水膨脹擴(kuò)容導(dǎo)致原支護(hù)結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)的演化特征，提出了復(fù)雜膨脹性圍巖條件下交岔點(diǎn)采用“柔性支護(hù)+異形、支撐支架+全斷面封閉抗壓”方式，有效控制了圍巖變形，確保了交岔點(diǎn)圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定。

1 工程概況

清水營(yíng)煤礦主斜井主體沿二煤底板布置，二煤厚度5.25m，煤層傾向角度23°～30°，頂?shù)装迕簬r體節(jié)理裂隙發(fā)育，頂板為砂巖含水層，巖石易軟化、強(qiáng)度低、堅(jiān)固性差；底板主要成分為高膨脹性的伊利石、綠泥石，其中伊利石40.4%，綠泥石29.8%，石英29.8%，伊利石、綠泥石為膨脹性礦物，占底板成分的70%以上。主斜井?dāng)嗝嫘螤顬榘雸A拱形，凈寬4.2m、凈高3.4m、坡度25°。維修過(guò)程中主體采用“錨網(wǎng)索噴+29#U鋼支架”全斷面封閉支護(hù)，局部采用鋼管混凝土支護(hù)。二號(hào)檢修聯(lián)絡(luò)巷下口為矩形斷面，凈寬4.2m、凈高3.0m，與主斜井斜交貫通，交叉點(diǎn)平面布置如圖1所示。交岔點(diǎn)處原支護(hù)采用“錨網(wǎng)噴+錨索梁”進(jìn)行支護(hù)，受地質(zhì)條件及地下水的影響巷道整體變形嚴(yán)重。

2 交岔點(diǎn)圍巖變形因素及特性分析

2.1 交岔點(diǎn)變形特點(diǎn)

原有支護(hù)條件下交岔點(diǎn)范圍內(nèi)受?chē)鷰r疊加應(yīng)力及圍巖吸水膨脹擴(kuò)容壓力的影響，巷道底鼓、幫部?jī)?nèi)斂失穩(wěn)誘發(fā)巷道整體來(lái)壓，漿皮開(kāi)裂，頂板下沉，造成交岔點(diǎn)局部失穩(wěn)。

圖1 交岔點(diǎn)平面布置圖(mm)

2.2 交岔點(diǎn)變形原因分析

交岔點(diǎn)受巷道圍巖應(yīng)力、二次擾動(dòng)應(yīng)力等影響，應(yīng)力場(chǎng)分布復(fù)雜，更易發(fā)生變形破壞，交岔點(diǎn)附近圍巖產(chǎn)生較大變形的主要原因表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)形式。在吸水膨脹性軟巖巷道中，一般要求采用全斷面封閉抗壓的支護(hù)方式提高圍巖穩(wěn)定性。但在交岔點(diǎn)的支護(hù)過(guò)程中一般采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合柔性支護(hù)，支護(hù)系統(tǒng)的承載能力達(dá)不到圍巖變形所要求的強(qiáng)度。另外交岔點(diǎn)底板支護(hù)強(qiáng)度有限，導(dǎo)致了巷道底板圍巖吸水膨脹持續(xù)變形，從而誘發(fā)兩幫收斂破壞，最終導(dǎo)致交岔點(diǎn)整體變形失穩(wěn)。

2)圍巖性質(zhì)。交岔點(diǎn)所處巖層的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)其穩(wěn)定性起著決定性作用[8-11]。由于主斜井及聯(lián)絡(luò)巷形成的交岔點(diǎn)整體布置在強(qiáng)度較低、膨脹性較高的巖層中，其圍巖巖性軟弱，圍巖原始含水率高，圍巖載荷-強(qiáng)度比大，自身的承載能力存在一定的局限性。

3)應(yīng)力場(chǎng)分布。交岔點(diǎn)開(kāi)挖為巷道相互交岔的空間問(wèn)題，聯(lián)絡(luò)巷在貫通形成交岔點(diǎn)的過(guò)程中造成應(yīng)力疊加，擴(kuò)大了圍巖的擾動(dòng)范圍，受二次開(kāi)挖擾動(dòng)及圍巖吸水膨脹應(yīng)力的影響，應(yīng)力場(chǎng)分布更加復(fù)雜。地應(yīng)力重新分布后，易在巷道交岔點(diǎn)的角點(diǎn)處產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且巷道開(kāi)挖與施工相互擾動(dòng)，增加了圍巖變形控制難度。

4)地下水。由于巷道圍巖以高膨脹性的伊利石、綠泥石為主，巷道圍巖長(zhǎng)期受地下水的滲透、侵蝕作用，巷道圍巖吸水膨脹擴(kuò)容，導(dǎo)致膨脹的圍巖強(qiáng)度降低，同時(shí)圍巖膨脹擴(kuò)容產(chǎn)生的壓力加劇了支護(hù)體的破壞。

2.3 交岔點(diǎn)支護(hù)難點(diǎn)

1)受應(yīng)力場(chǎng)重新分布的影響，交岔點(diǎn)圍巖發(fā)生塑性變形的范圍廣，圍巖變形速度快，支護(hù)體短時(shí)間內(nèi)需承受較大荷載[12-14]。

2)吸水膨脹性軟巖，一般采用全斷面封閉的可縮性鋼支架進(jìn)行抗壓支護(hù)，但是受交岔點(diǎn)空間及斷面的影響，難以架設(shè)全斷面封閉的可縮性鋼支架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)[15-17]。

3)與巷道相比，交岔點(diǎn)的開(kāi)挖空間更大，圍巖應(yīng)力更為復(fù)雜，支護(hù)體結(jié)構(gòu)與施工工藝設(shè)計(jì)更為繁瑣。

3 復(fù)雜膨脹性圍巖交岔點(diǎn)控制技術(shù)

3.1 復(fù)雜膨脹性圍巖交岔點(diǎn)變形控制理論

1)水理作用是導(dǎo)致復(fù)雜膨脹性圍巖巷道變形的主要因素，在巷道的支護(hù)過(guò)程中加強(qiáng)巷道淋水及滲水的治理，盡早封閉巷道圍巖，避免地下水與巷道圍巖直接接觸，可有效控制圍巖吸水膨脹產(chǎn)生膨脹應(yīng)力并防止膨脹性圍巖自承能力的降低。

2)若要維持復(fù)雜膨脹性圍巖巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定，就必須控制膨脹性圍巖巷道的蠕變變形。文獻(xiàn)[18，19]研究表明圍巖蠕變速度與圍巖內(nèi)徑向應(yīng)力梯度成正比，當(dāng)徑向應(yīng)力梯度下降到一定數(shù)值時(shí)，蠕變速度為0，巷道可達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定。圍巖蠕變速度與徑向應(yīng)力關(guān)系為：

式中，V為圍巖蠕變速度，mm；λ為圍巖蠕變系數(shù)；σr為距巷道中心r處深部圍巖徑向應(yīng)力，MPa；σr0為巷道周邊圍巖徑向應(yīng)力，MPa；r為巷道深部圍巖距巷道中心的距離，mm；r0為巷道等效半徑，mm。

由式(1)可知，在巷道圍巖蠕變系數(shù)λ一定時(shí)，可以通過(guò)增大支護(hù)體對(duì)圍巖的支護(hù)反力以提高巷道周邊圍巖的徑向應(yīng)力從而降低圍巖徑向應(yīng)力梯度，保持巷道圍巖的穩(wěn)定。

因此，在復(fù)雜膨脹性圍巖交岔點(diǎn)的支護(hù)中，前期必須盡快封閉圍巖防止圍巖吸水膨脹并采用強(qiáng)度較高的柔性支護(hù)防止其產(chǎn)生較大蠕變變形；后期采用強(qiáng)度較高的支護(hù)體提高圍巖徑向應(yīng)力。針對(duì)以上特點(diǎn)在復(fù)雜膨脹性圍巖交岔點(diǎn)支護(hù)中采取“有限讓壓+全斷面封閉抗壓”的支護(hù)思路。“有限讓壓”就是通過(guò)錨網(wǎng)索支護(hù)實(shí)現(xiàn)有限度的柔性讓壓技術(shù)，進(jìn)而有效控制膨脹性巷道圍巖的蠕變，使圍巖內(nèi)切向應(yīng)力峰值點(diǎn)向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移?！叭珨嗝娣忾]抗壓”就是通過(guò)噴漿封閉隔絕圍巖繼續(xù)吸水膨脹，保持圍巖相對(duì)較高的自承能力，并通過(guò)架設(shè)全斷面封閉的剛性支架限制巷道圍巖的蠕變進(jìn)而控制巷道圍巖內(nèi)徑向應(yīng)力，降低圍巖徑向應(yīng)力梯度，使巷道圍巖達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.2 膨脹性軟巖交岔點(diǎn)變形控制技術(shù)

在膨脹性復(fù)雜圍巖條件下，采用合理的支護(hù)方式既可以保證巷道圍巖應(yīng)力的有效釋放，也可對(duì)巷道圍巖采取強(qiáng)有力的支護(hù)方式限制其蠕變破壞，保持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3.2.1 柔性有限讓壓支護(hù)技術(shù)

交岔點(diǎn)整體采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)，為有效控制巷道圍巖變形，采用“有限讓壓”的柔性支護(hù)思想。在交岔點(diǎn)支護(hù)過(guò)程中全斷面采用Φ22mm×2500mm的BHRB400高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距800mm×800mm，每根錨桿采用2節(jié)MSK23/70型樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固，預(yù)緊力矩200kN·m，錨索采用Φ21.98mm×7300mm鋼絞線(xiàn)，每根錨索采用4節(jié)MSK23/70型樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固，錨索梁采用29#U型鋼，錨索間排距1600mm×2400mm，采用強(qiáng)度C20、厚度50mm的噴漿層進(jìn)行初次封閉，隔離巷道圍巖與地下水的接觸；高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)發(fā)揮了主動(dòng)支護(hù)特點(diǎn)，有效控制巷道圍巖變形。

3.2.2 剛性全斷面封閉抗壓支護(hù)技術(shù)

為保證支護(hù)效果，交岔點(diǎn)剛性支護(hù)采用“鋼管混凝土支架+鋼筋網(wǎng)+400mm厚混凝土噴漿層”，鋼管內(nèi)注C30混凝土。交岔點(diǎn)支架分為異形支架和支撐架。異形支架為非封閉支架，呈“C”形；支撐架為封閉式支架，形狀為近圓形。支撐架與異形支架之間以擋板對(duì)接，非封閉式的異形支架與封閉式的支撐架共同組合形成封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖2、圖3所示。

其中，支撐架采用Φ245mm×10mm無(wú)縫鋼管制作，搭接架共計(jì)5架為1-5號(hào)，異形支架主體采用194mm×10mm的無(wú)縫鋼管制作，搭接架間距700mm，支架均加焊Φ40mm的抗彎圓鋼。

圖2 鋼管混凝土支撐支架圖(mm)

圖3 鋼管混凝土異形支架圖(mm)

4 施工工藝及效果分析

4.1 交岔點(diǎn)支護(hù)工藝

4.1.1 支護(hù)工藝流程

交岔點(diǎn)鋼管混凝土支架的安裝順序：支撐架→異形支架底梁→異形支架立柱→異形支架頂梁。交岔點(diǎn)支架施工工藝：①首先拆除交岔點(diǎn)原支護(hù)材料，對(duì)巷道進(jìn)行挑頂、擴(kuò)幫后進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)；②在二號(hào)檢修聯(lián)絡(luò)巷口安裝支撐架。通過(guò)鎖腿錨桿進(jìn)行固定，然后將異形支架底梁按照支撐架已焊接的卡槽位置進(jìn)行安裝；③安裝異形支架立柱；④最后安裝異形架頂梁，對(duì)支架進(jìn)行調(diào)整；⑤支架位置微調(diào)，確保架設(shè)位置及迎山角符合要求；⑥采用鎖腿錨桿進(jìn)行固定，逐架安裝完成后，對(duì)支架壁后空隙以木板背實(shí)；⑦預(yù)留注漿孔及排氣孔，對(duì)鋼管混凝土支架外側(cè)掛鋼筋網(wǎng)進(jìn)行噴漿封閉，防止在注漿過(guò)程中由于受力不均導(dǎo)致倒架；⑧連接管路使用混凝土輸送泵向支架內(nèi)灌注 C30混凝土；⑨地坪以下采用 C30混凝土澆筑底板，地坪以上支架內(nèi)側(cè)掛鋼筋網(wǎng)，施工400mm 厚混凝土噴漿層。

4.1.2 支護(hù)工藝控制重點(diǎn)

1)在傾斜區(qū)域施工鋼管混凝土支架過(guò)程中，對(duì)整個(gè)支架預(yù)留注漿、排氣孔后應(yīng)進(jìn)行噴漿封閉，防止在注漿過(guò)程中因受力不均導(dǎo)致鋼管混凝土支架傾倒或迎山角發(fā)生變化，影響支護(hù)質(zhì)量。

2)在注漿過(guò)程中要注意排氣孔中漿液連續(xù)外流，確保鋼管混凝土支架內(nèi)混凝土充填飽滿(mǎn)，以頂部排氣孔流出約5kg混凝土作為標(biāo)志。

3)注漿過(guò)程中要嚴(yán)格控制混凝土配合比及碎石粒徑，河砂粒徑0.35～0.5mm，碎石粒徑≤20mm，混凝土攪拌均勻。確保混凝土坍落度滿(mǎn)足施工要求，防止因配合比不當(dāng)或碎石粒徑偏大造成堵管。

4.1.3 鋼管混凝土支架架設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

鋼管混凝土支架架設(shè)標(biāo)準(zhǔn)：①鋼管頂弧段與立柱對(duì)接齊整，使套管底端準(zhǔn)確滑落至定位卡銷(xiāo)處，誤差不大于5mm，最后安裝頂桿并緊固螺栓；②鋼管混凝土支架安設(shè)迎山角符合設(shè)計(jì)要求，迎山角5°；③鋼管混凝土支架安裝完成后，支架壁后空隙以木板背實(shí)，防止支架滑動(dòng)；④鋼管混凝土支架的連接板、撐拉桿齊全有效，防止發(fā)生倒架；⑤混凝土輸送泵向支架內(nèi)灌注C30混凝土，混凝土充填飽滿(mǎn)、密實(shí)；⑥噴漿層密封鋼管混凝土表面，防治鋼管混凝土支架銹蝕，保護(hù)層厚度不小于50mm。

4.2 效果分析

清水營(yíng)煤礦主斜井與二號(hào)檢修聯(lián)絡(luò)巷交岔點(diǎn)于2018年6月施工完畢，通過(guò)近半年的觀(guān)測(cè)，巷道表面混凝土噴層沒(méi)有開(kāi)裂跡象，巷道收斂量低于30mm，交岔點(diǎn)圍巖變形及支護(hù)效果如圖4所示。

圖4 交岔點(diǎn)支護(hù)效果圖

5 結(jié) 論

1)在復(fù)雜膨脹性圍巖條件下，交岔點(diǎn)支護(hù)的重點(diǎn)是通過(guò)采用非封閉異形支架和封閉式支撐架，形成全封閉抗壓支護(hù)體系，達(dá)到全斷面抗壓支護(hù)效果。

2)在復(fù)雜膨脹性圍巖條件下，采用有限讓壓的柔性支護(hù)是基礎(chǔ)，采用全斷面封閉的剛性支護(hù)是關(guān)鍵。

3)在交岔點(diǎn)施工期間，支撐架與異形支架共同形成的支護(hù)系統(tǒng)確保了圍巖穩(wěn)定性。其中支撐架的強(qiáng)度及剛度是保證交岔點(diǎn)支護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

4)在傾斜區(qū)域中架設(shè)鋼管混凝土支架，應(yīng)在預(yù)留注漿、排氣孔的前提下進(jìn)行噴漿封閉，防止支架在注漿過(guò)程中因受力不均導(dǎo)致傾倒或錯(cuò)動(dòng)，影響支護(hù)質(zhì)量。