深埋軟巖巷道恒阻耦合支護技術研究及應用

孫曉明張 勇李思標趙成偉

（1.中國礦業(yè)大學（北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京100083;2.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京，100083；3.昭通金寰礦業(yè)有限公司云南昭通657000）

0 引言

淺部煤炭資源的日趨減少，使得煤炭資源的開采深度不斷增加。然而，隨著資源開采深度的增加，地應力增大、涌水量加大、地溫升高等深部不良地質環(huán)境愈加復雜，勢必給深部煤炭資源的安全高效開采帶來極大的安全隱患。其中，深部軟巖工程災害問題尤為突出[1]。為此，國內(nèi)外學者針對深部軟巖工程穩(wěn)定性控制技術開展了大量研究，如李海燕[2]等提出了新型高預應力錨索和注漿錨桿為核心的聯(lián)合控制技術；李為騰[3]等提出了方形鋼管約束混凝土拱架支護體系，以解決原有錨網(wǎng)索支護強度和剛度不足的難題；何滿潮院士等提出以恒阻大變形錨桿為核心的錨網(wǎng)索支護技術、錨網(wǎng)索-桁架耦合支護技術及錨索-鋼架耦合支護技術等一系列軟巖巷道支護技術。

本文基于上述研究，以石埡口煤礦為工程背景，分析并確定了深埋軟巖巷道軟巖類型，確定了其穩(wěn)定性力學轉化機制，提出恒阻大變形錨網(wǎng)索耦合支護技術。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

石埡口煤礦位于昭通市昭陽區(qū)東北部與彝良縣鄰接。井田范圍呈南北展布，北部寬，南部窄，北起陡坡；井田為單斜構造，緩傾斜地層，傾角變化不明顯。斷裂構造較發(fā)育，地質報告顯示該區(qū)構造復雜程度應為中等類型。

石埡口煤礦軌道石門圍巖位于石炭系下統(tǒng)萬壽山組上段，穿過的巖層厚度約136 m（偽厚）左右，揭露巖層巖性依次為：粉砂巖、灰色泥質粉砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖及黑色煤層，屬于典型深埋軟巖巷道。

1.2 原支護下圍巖破壞特征

軌道石門主要采用錨網(wǎng)索噴、錨網(wǎng)噴+U型棚等聯(lián)合支護形式，然而巷道在新開后不久就出現(xiàn)圍巖大變形現(xiàn)象，其破壞特征如下：

（1）圍巖整體變形量大且呈現(xiàn)出四周內(nèi)縮的變形特征；

（2）巷道底臌量顯著，在采用錨網(wǎng)索噴+U型棚+反底拱聯(lián)合支護雖能夠初步控制圍巖變形，但30～40 天后即出現(xiàn)鋼架壓彎、底板鋼梁臌出等破壞現(xiàn)象，需要及時的臥底方可進行掘進作業(yè)；

（3）現(xiàn)場監(jiān)測顯示圍巖變形具有顯著的流變效應，隨著迎頭的不斷掘進，往往需要不斷對巷道進行返修，才能開展掘進作業(yè)。

盡管采用多種支護措施，仍不能有效控制圍巖的變形。不僅支護成本高，而且施工進尺慢。

圖1 圍巖變形破壞特征

2 軌道石門圍巖變形力學機制

2.1 軟巖類型的確定

以軟巖工程力學為理論指導，結合現(xiàn)場實際調(diào)研結果，對軌道石門軟巖類型和變形力學機制進行核定。

軌道石門埋深約770 m，自重應力約為20 MPa；現(xiàn)場調(diào)研可知，圍巖遇水極易軟化，巷道底板在水的作用下發(fā)生顯著變形，且根據(jù)礦井地質報告可知圍巖強度低（單軸抗壓強度約20 MPa），將其歸為強膨脹型軟巖（低強度強膨脹型軟巖）；圍巖層理、節(jié)理極其發(fā)育（如圖3），現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)巖石沿層理、節(jié)理等結構面產(chǎn)生顯著滑移、掉落等塑性變形，故可將其歸納為節(jié)理化軟巖。

綜上所述，可將軌道石門巷道圍巖劃分為高應力-節(jié)理化-膨脹型復合型軟巖，即HJS型軟巖。

2.2 軌道石門圍巖變形力學機制

現(xiàn)場調(diào)研可知，巷道掘進層位巖石為以泥巖為主的泥質類巖石，且圍巖遇水極易軟化，根據(jù)相關工程經(jīng)驗，可將其變形歸為Ⅰ型（物化膨脹型）中的ⅠAB機制，即分子吸水+膠體膨脹；軌道石門所處水平埋深約770 m，埋深大、自重應力高，可將其歸為Ⅱ型（應力擴容型）中的ⅡB機制，即重力機制，根據(jù)相鄰巷道運輸石門掘進期間巷道圍巖變形具有兩幫變形頗為明顯的特征，可將其歸為ⅡC機制，即構造應力機制；巷道掘進期間發(fā)現(xiàn)斷層，在與地質科確認后，初步確定巷道走向與揭露斷層成55°夾角，且層理走向與巷道走向亦成約57°夾角，揭露斷面內(nèi)圍巖節(jié)理成隨機布置狀態(tài)，因而將其歸為Ⅲ型（結構變形型）中的ⅢABⅢCBⅢE機制。

可將軌道石門變形力學機制歸納為ⅠABⅡBCⅢABⅢCBⅢE型復合變形力學機制。

圖2 圍巖層理、節(jié)理發(fā)育

3 軟巖巷道穩(wěn)定性控制軟化對策

由上述可知，軌道石門圍巖屬于HJS復合型軟巖，其變形力學機制為ⅠABⅡBCⅢABⅢCBⅢE型復合變形力學機制[6]，根據(jù)軟巖工程力學理論，可通過以下技術將其轉化為穩(wěn)定的ⅡB型，進而實現(xiàn)軌道石門軟巖工程的順利實施。具體轉化過程如下：

根據(jù)現(xiàn)有資料，針對HJS 復合型軟巖的復合變形力學機制，首先采用噴漿封閉圍巖，減小圍巖的暴露時間，同時通過巷道斷面優(yōu)化預留出變形量釋放圍巖變形能，隨后施加恒阻大變形耦合支護控制體系配合錨桿三維優(yōu)化技術，進一步轉化其復雜的變形力學機制，最后通過關鍵部位支護和底臌三級控制技術實現(xiàn)其轉為穩(wěn)定的ⅡB型變形力學機制。

4 軌道石門恒阻大變形耦合支護設計

4.1 軟巖巷道恒阻大變形耦合支護機理

巷道掘進后及時對斷面進行噴漿封閉，減少圍巖與空氣接觸時間，快速鋪設鋼筋網(wǎng)并安設恒阻大變形錨桿/索，通過錨桿/索的高預應力對圍巖進行加固，考慮到圍巖內(nèi)部巨大塑性能的釋放將會以變形的形式釋放，圍巖的變形首先作用于恒阻大變形錨桿/索，此時恒阻大變形錨桿/索的受力將會不斷增大，當其達到設計恒阻值時，錨桿/索依靠自身的恒阻吸能裝置在保證高恒阻值時產(chǎn)生相對位移，隨著相對位移的不斷增加，圍巖中的塑性能將以自身變形和恒阻大變形錨桿/索的變形的形式釋放，隨著塑性能的不斷釋放，作用于圍巖和支護體的能量將會逐漸減小，此時，恒阻大變形支護體將保證恒阻耦合支護狀態(tài)，同時實現(xiàn)了對圍巖塑性能的層次性控制釋放，進而保證了圍巖的穩(wěn)定性。

4.2 軌道石門恒阻大變形耦合支護設計

根據(jù)上述分析，結合以往工程經(jīng)驗，確定石埡口礦軌道石門軟巖巷道支護形式為：恒阻大變形錨網(wǎng)索噴+鋼筋梯+W 型鋼帶+底角注漿錨管耦合支護，其支護設計如圖4，支護參數(shù)如下：

（1）恒阻大變形錨桿：采用HMG-300-2.5 型恒阻大變形錨桿，頂幫錨桿間排距均為800 mm×800 mm，平行布置；

（2）恒阻大變形錨索：采用HMS-300-6.3 型恒阻大變形錨索，頂板錨索間排距800 mm×1 200 mm，幫部恒阻大變形錨索排距1 600 mm，平行布置；

（3）底角錨管：采用無縫鋼管，尺寸為外徑32 mm、內(nèi)徑24 mm、長4 000 mm，內(nèi)插直徑14 mm、長3 500 mm 鋼筋，鋼管桿體上均勻開鑿12 個? 6 mm 圓孔，孔縱向間距500 mm，三花布置；

（4）鋼筋梯：由直徑? 14 mm 鋼筋焊接而成，兩根鋼筋間距不大于60 mm，連接點間距600 mm，使用12#鋼筋扎箍焊接；

（5）W型鋼帶：采用寬度280 mm，厚度4 mm，材質Q235，孔間距1 600 mm；

（6）金屬網(wǎng)：采用? 8.0 mm鋼筋焊接而成，網(wǎng)片尺寸為1 000 mm×2 000 mm，網(wǎng)格尺寸100 mm×100 mm，網(wǎng)片搭接100 mm～200 mm，網(wǎng)與網(wǎng)之間通過專用聯(lián)網(wǎng)器工具，鉤扣聯(lián)結，連接點間距不大于200 mm；

（7）混凝土：噴射混凝土強度等級為C20，澆筑混凝土強度等級為C25，水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，內(nèi)摻防水劑。

圖4 軌道石門恒阻耦合支護設計圖（單位：mm）

5 工程應用

為精準監(jiān)測圍巖的動態(tài)變形，采用米字型網(wǎng)格對圍巖變形量進行監(jiān)測，重點監(jiān)測圍巖頂板、左右肩窩處、左右?guī)筒考暗装逄幈砻孀冃瘟俊，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖5）顯示：

（1）經(jīng)過110天的監(jiān)測圍巖變形量最終趨于穩(wěn)定，其中最大變形量出現(xiàn)在左幫及左肩窩處，約為210 mm。

（2）監(jiān)測點在滯后迎頭20天范圍內(nèi)變形處于加速增長階段；在滯后迎頭20～60 天范圍內(nèi)變形處于緩慢變形階段；在滯后迎頭約60 天后，變形開始進入穩(wěn)定階段。

（3）恒阻大變形錨索受力隨著時間的變化，其受力變化亦分為三個階段：緩慢增壓、劇烈增壓和壓力穩(wěn)定階段，其變化范圍與圍巖變形量的發(fā)展規(guī)律具有良好的相似性。

圖5 圍巖變形量監(jiān)測

圖6 恒阻大變形錨桿受力監(jiān)測

6 結論

（1）石埡口礦軌道石門屬于典型的深埋軟巖巷道，其破壞具有變形量大、流變效應顯著、穩(wěn)定性差及返修量大等特點；理論和現(xiàn)場分析可知該巷道圍巖屬于HJS 復合型軟巖；分析并確定了軌道石門圍巖其變形力學機制：ⅠABⅡBCⅢABⅢCBⅢE。

（2）制定了行之有效的復合型軟巖變形力學機制轉換對策：初噴封閉圍巖，NPR 錨網(wǎng)索耦合支護限制圍巖大變形，底角注漿錨管切斷底板應力傳遞路徑以控制底臌。

（3）提出了以恒阻大變形錨桿/索為核心的穩(wěn)定性控制技術，即恒阻大變形錨網(wǎng)索噴+鋼筋梯+W 型鋼帶+底角注漿錨管耦合支護技術。

（4）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示圍巖在滯后迎頭60 天（或滯后迎頭70 m）后，其變形及受力逐步趨于穩(wěn)定。