圍巖變形機(jī)理及控制研究

荊俊杰

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045008）

引言

近年來，隨著煤礦開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，已經(jīng)從炮采、普采發(fā)展到了綜采，其中綜采也實現(xiàn)了綜放開采、大采高以及大采高綜放開采，技術(shù)逐漸成熟，伴隨著開采工藝的不斷進(jìn)步，設(shè)備的選用也向大型機(jī)型轉(zhuǎn)變，為了滿足大型設(shè)備的運輸、通風(fēng)等要求，也在不斷增大巷道斷面，由此帶來了巷道圍巖穩(wěn)定性的問題[1]。

巷道圍巖變形始終是困擾礦井高效生產(chǎn)的難題，隨著開采強(qiáng)度的增加，圍巖控制愈加困難，其中高地應(yīng)力、采動影響、巖石性質(zhì)等均是圍巖產(chǎn)生變形的主要因素[2]，因此，通過對上述影響因素進(jìn)行分析，掌握其變化規(guī)律，對于現(xiàn)場控制圍巖變形具有重要意義[3]。

新景礦位于陽泉市西部，距離市中心18 km，瀕臨石太鐵路和太舊高速公路，主采3 號、8 號、15 號煤層。中條帶軌道西大巷傾角1°～3°，采用直墻半圓拱形斷面，掘進(jìn)寬度4 800 mm、高度3 100 mm，巷道破壞段長度為152.3 m，圍巖應(yīng)力大，變形明顯，且呈現(xiàn)不均勻性，每年進(jìn)行2 次返修，對生產(chǎn)效率產(chǎn)生較大影響，原支護(hù)采用U 型支架支護(hù)，但均已變形，目前通過擴(kuò)幫拉底，更換U 型支架進(jìn)行維護(hù)，但效果并不明顯[4-5]。

因此，結(jié)合新景礦實際地質(zhì)情況，根據(jù)“極限自穩(wěn)平衡拱”理論，提出圍巖環(huán)形支護(hù)方案，通過對“頂-幫-底”聯(lián)合支護(hù)，最大限度發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，提高圍巖整體支護(hù)強(qiáng)度[6-8]。

1 中條帶軌道西大巷地質(zhì)條件

對現(xiàn)場地質(zhì)條件進(jìn)行取樣實測，可知圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育，強(qiáng)度較低，底板主要為泥巖，遇水易軟化，容易產(chǎn)生強(qiáng)烈變形，通過檢測圍巖成分，測得黏土礦物成分含量為20%～32%，其中，蒙脫石含量2%～5%，高嶺石含量11%～23%，伊利石含量3%～5%，軟化系數(shù)達(dá)到0.25～0.43，表明巷道圍巖強(qiáng)度較低，不易維護(hù)。

2 原支護(hù)方案分析

巷道斷面形狀為直墻半拱形，掘進(jìn)寬度4.8 m，高度3.1 m，采用錨噴支護(hù)，頂板及兩幫錨桿長度2.4 m，間排距0.8 m，頂板錨索長度5 m，間排距1.2 m，全斷面金屬網(wǎng)噴漿封閉，厚度為100 mm。

2.1 支護(hù)效果

在原支護(hù)方案下，底板底鼓量達(dá)到392 mm，頂板下沉量達(dá)到519 mm，兩幫移近量達(dá)到665 mm，巷道頂板、兩幫及底板變形均向中心線運動，兩幫腳發(fā)生破壞，幫腳內(nèi)移，底鼓增大，圍巖變形破壞嚴(yán)重。

通過對現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)底板底鼓的原因一方面由于未采取支護(hù)措施；另一方面由于底板遇水易膨脹。頂板下沉量較大，主要原因在于錨索長度設(shè)計不合理，根據(jù)后文“極限平衡拱原理”計算可知，錨索長度為5 m 時，錨固端無法全部布置于極限自穩(wěn)平衡圈范圍外，造成錨索支護(hù)效果無法完全發(fā)揮。兩幫未采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，因此移近量較大。

2.2 圍巖變形破壞影響因素

通過對中條帶軌道西大巷圍巖變形特征觀察可知頂板下沉較為嚴(yán)重，雖然巷道開挖后具有一定自穩(wěn)性，但在冒落拱內(nèi)巖石自重的作用下，開挖后圍巖塑性區(qū)的形成，以及支護(hù)方式滯后無法及時承載的特點，導(dǎo)致頂板下沉嚴(yán)重。

在地應(yīng)力的作用下，巷道圍巖松動圈的范圍隨著時間推移不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致圍巖變形不斷增加，原支護(hù)方案下簡單的錨噴支護(hù)已然無法適應(yīng)要求，對于阻止圍巖松動變形效果不明顯，圍巖破裂塊體在集中應(yīng)力的作用下發(fā)生滑移錯動，另外巖石在強(qiáng)應(yīng)力的作用下易導(dǎo)致擴(kuò)容，越靠近圍巖表面，裂隙擴(kuò)張越明顯，變形程度越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致巷道穩(wěn)定性的大幅降低。

中條帶軌道西大巷位于斜軸部附近，因此會受到水平構(gòu)造應(yīng)力的影響作用，在此作用下底板巖石向巷道內(nèi)部擠出，底板產(chǎn)生失穩(wěn)，發(fā)生底鼓，另外底板主要由泥巖組成，易風(fēng)化破碎，遇水易膨脹變形，而巷道在白堊系含水層等水系涌水的影響下，持續(xù)發(fā)生變形破壞。

3 巷道支護(hù)的優(yōu)化及效果分析

3.1 圍巖極限平衡圈分析計算

巷道圍巖是由頂板、底板和兩幫組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，而巷道支護(hù)的直接對象為圍巖，目的在于控制危險巖體，危險巖體主要分布于極限平衡圈內(nèi)，根據(jù)圍巖極限自穩(wěn)平衡圈理論，為抵抗巷道頂部潛在的危險，巖體存在的拉應(yīng)力與防止兩幫危險巖體達(dá)到極限剪切狀態(tài)，需要進(jìn)行合理的支護(hù)，即錨索長度應(yīng)設(shè)計合理，錨固端應(yīng)布置于極限自穩(wěn)平衡圈外；錨桿垂直巖面打設(shè)，呈放射均布狀。

為有效控制圍巖變形，頂部平衡拱高度的減小是關(guān)鍵，而通過對巷道兩幫及底板的加固均可以實現(xiàn)頂部平衡拱高度的減小，而頂部平衡拱高度的確定則需要依據(jù)“極限平衡圈”理論進(jìn)行計算分析，如圖1 所示。

圖1 圍巖極限平衡圈分析示意圖（單位：mm）

依據(jù)極限平衡圈理論，首先對巷道底板最大破壞深度h 進(jìn)行計算：

式中：巷道寬度W0=5.0 m；內(nèi)摩擦角ω=35°。

計算得h=3.57 m。

巷道兩幫破壞深度L：

代入數(shù)據(jù)計算得L=1.86 m。

極限平衡拱高度H 為：

式中：頂板抗拉強(qiáng)度σt=1.92 MPa；L'為巷幫等效寬度，通常取為巷幫破壞深度的0.25 倍，L'=0.25 L=0.465 m；P0為原巖應(yīng)力，取值13.02 MPa。

代入數(shù)據(jù)計算得H=4.28 m。

考慮到錨索長度和錨固端處于極限平衡圈外的因素，結(jié)合錨固端長度為1 m，因此將錨索長度設(shè)計取值6 m；兩幫最大破壞深度為1.86 m，因此將錨桿長度設(shè)計取值2.4 m。

3.2 優(yōu)化方案

由于中條帶軌道西大巷頂?shù)装逡平枯^大，底鼓嚴(yán)重，為適應(yīng)兩幫變形，對巷道兩側(cè)進(jìn)行擴(kuò)幫，寬度由4 800 mm 提高到5 000 mm；直墻與頂拱保持不變，直墻高度1.6 m，頂拱高1.4 m；對底板實施反底拱，深度為0.6 m。

通過對原支護(hù)方案變形機(jī)理的分析，決定對巷道采用環(huán)形支護(hù)，即采用“全斷面錨桿（索）全長錨固注漿+金屬網(wǎng)錨噴補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)+反底拱+36U 型鋼噴澆筑混凝土”支護(hù)方案。

兩幫錨桿長度2.4 m，間距為0.5 m，排距0.6 m；兩幫補(bǔ)打長度為4.0 m 的錨索，排距1.2 m，間距與普通錨桿間隔布置；頂板錨桿長度2.4 m，間排距為0.6 m；兩底腳及底板處布置注漿錨桿，長度為1.5 m，間距0.8 m，排距0.6 m；頂板錨索長度為6.0 m，間距1 m，排距1.2 m，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；全斷面金屬網(wǎng)噴漿封閉，厚度為100 mm。優(yōu)化支護(hù)方案如圖2 所示。

圖2 巷道優(yōu)化支護(hù)方案布置圖（未標(biāo)單位：mm）

3.3 優(yōu)化方案支護(hù)效果分析

新景礦中條帶軌道西大巷在采用“全斷面錨桿（索）全長錨固注漿+金屬網(wǎng)錨噴補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)+反底拱+36U 型鋼噴澆筑混凝土”支護(hù)方案后，能夠?qū)鷰r形成有效的壓應(yīng)力，將分散的巖體通過注漿的形式形成穩(wěn)定的聯(lián)結(jié)體，噴射混凝土隔絕空氣與水的接觸，通過錨桿（索）的支護(hù)作用，提高圍巖整體承載能力，迫使圍巖形成擠壓狀態(tài)，改善圍巖受力狀態(tài)，防止圍巖松動發(fā)展，圍巖能夠在中高應(yīng)力區(qū)逐步卸壓，進(jìn)而實現(xiàn)與錨固結(jié)構(gòu)的耦合變形，使得圍巖在松動圈逐漸演化的過程中不斷提高抵抗變形能力，如下頁圖3 所示。

圖3 錨網(wǎng)噴+36U 型鋼支架支護(hù)

對底板實行反底拱，能夠有效增加36U 型鋼支架與反底拱結(jié)構(gòu)的摩擦因數(shù)，尤其對于上覆混凝土與反底拱結(jié)構(gòu)的摩擦力的增大十分明顯，通過施加底角注漿錨桿，能夠有效增加底角內(nèi)聚力，底角內(nèi)聚力的增加對于降低底板支護(hù)要求效果較為有利，因此，底板的控制主要從防止底角發(fā)生剪切破斷、增加底角內(nèi)聚力以及提高36U 型鋼支架與反底拱結(jié)構(gòu)的接觸強(qiáng)度來增強(qiáng)整個環(huán)形結(jié)構(gòu)的支護(hù)強(qiáng)度，進(jìn)而實現(xiàn)“頂-幫-底”聯(lián)合支護(hù)，增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度。

采用優(yōu)化支護(hù)方案后，針對支護(hù)巷道頂板、兩幫及底板進(jìn)行為期45 d 的圍巖變形觀測，根據(jù)所測得的圍巖變形數(shù)據(jù)可以看出，巷道圍巖在初期變形速度較大，隨著時間推移，變形速度逐漸放緩，直至變形速度最終趨于0。

通過對巷道頂板下沉量進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化支護(hù)方案后的巷道最大變形量為92 mm，相比原支護(hù)方案，頂板下沉量最大為519 mm 時，降低了82%；兩幫累計變形量最大為108 mm，相比原支護(hù)方案，兩幫移近量最大為665 mm 時，降低了84%；底鼓量最大為85 mm，相比原支護(hù)方案，底鼓量最大為392 mm 時，降低了78%。中條帶軌道西大巷頂板、兩幫及底板變形量隨觀測時間變化關(guān)系如圖4所示。

從圖4 可以看出，在對巷道采用優(yōu)化支護(hù)方案后的10 d 內(nèi)，巷道變形速度比較快，頂板最大收斂速度達(dá)到5.7 mm/d，兩幫最大收斂速度達(dá)到7.8 mm/d，底板收斂速度達(dá)到4.5 mm/d。隨著觀測時間的延續(xù)，圍巖變形速度有所下降，在第25 d 時，圍巖的收斂速度均在1 mm/d 左右，在第35 d 時圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，此時圍巖變形量變化微乎其微。

依據(jù)“極限平衡圈”理論，對錨桿（索）的長度進(jìn)行合理設(shè)計，能夠充分發(fā)揮其懸吊和組合梁作用，對巷道實施環(huán)形支護(hù)優(yōu)化方案，能夠顯著提高圍巖整體承載能力，使得巷道圍巖應(yīng)力重新分布并趨于均勻，因此，圍巖整體變形得到有效控制。

圖4 中條帶軌道西大巷巷道圍巖變形觀測曲線

4 結(jié)論

1）“極限平衡圈”理論是判斷圍巖穩(wěn)定性以及對巷道進(jìn)行定量化支護(hù)的依據(jù)，能夠從本質(zhì)上為巷道支護(hù)方案提供數(shù)據(jù)支撐，最終通過計算確定選取錨桿長度為2.4 m，錨索長度為6 m，實行全長錨固支護(hù)。

2）增加對底板實行反底拱結(jié)構(gòu)與36U 型鋼支架之間的約束力，增加底板巖層內(nèi)聚力，通過控制底板底鼓，實現(xiàn)“頂—幫—底”聯(lián)合支護(hù)，對于控制圍巖變形效果十分顯著。

3）運用“全斷面錨桿（索）全長錨固注漿+金屬網(wǎng)錨噴補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)+反底拱+36U 型鋼噴澆筑混凝土”支護(hù)方案后，經(jīng)過觀測，巷道頂板下沉量最大為92 mm，兩幫累計變形量最大為108 mm，底鼓量最大為85 mm，變形量均在允許范圍內(nèi)，該優(yōu)化支護(hù)方案對于圍巖變形控制具有顯著效果。