機械化礦山高應力軟巖巷道支護實踐

陳建新，胡亞飛，汪鳳偉，陳 偶，王能躍

(1.貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州 貞豐 562400；2.北京科技大學，北京 100083)

粉砂巖、泥質(zhì)巖、頁巖等低強度巖石是典型的工程軟巖，在工程力作用下會產(chǎn)生顯著塑性變形；在工程開挖后多表現(xiàn)出松軟破碎或風化膨脹特征[1]，相關支護問題一直是礦山、隧道等地下工程的難題?；谛聤W法、松動圈、錨桿作用原理等成熟理論以及數(shù)值模擬技術(shù)的不斷進步，礦山軟巖巷道支護目前涌現(xiàn)出多種新的措施、理念和思路。陳義軍等[2]提出以“卸荷法”和“應力轉(zhuǎn)移法”為主要方式的主動調(diào)整巷道應力支護思路。黃慶顯等[3]提出耦合支護理論和薄弱結(jié)構(gòu)加強支護理念，采用錨網(wǎng)索噴、注漿錨桿、注漿錨索及組合砂漿錨索取得成功；王軍等[4]提出了軟巖巷道應力場穩(wěn)定理論，分析了軟巖巷道變形與圍巖徑線方向的剪應力曲線增長率的關系。李彥斌等[5]的“置孔釋壓剛?cè)狁詈弦淮纬上锛夹g(shù)”在北京長溝裕礦成功實施。王懷偉等[6]提出了“深部高應力軟巖巷道控制原則”。明世祥教授提出的“圍壓恢復加固理論”強調(diào)通過及時支護恢復圍壓以提高圍巖自承力的思路，并提出以錨桿系統(tǒng)+護表結(jié)構(gòu)為主的支護措施，在多家礦山實踐取得成功[7-11]?？傮w來說，錨網(wǎng)索、底板注漿、主動被動聯(lián)合支護、全封閉強化支護、鋼纖維混凝土、長短錨桿聯(lián)合錨網(wǎng)噴等成為當前運用較多的軟巖支護方式。每種支護方式都源于礦山實際，與礦山基本狀況相適應。

本文以某礦深部開拓掘進期間遇到的支護難題為背景，探討了以砂巖泥巖互層為主的軟巖巷道變形破壞特征和失穩(wěn)機理，并基于松動圈理論、組合拱理論和礦山機械設備配套狀況對原支護方案進行優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 基本概況

礦區(qū)位于貴州省黔西南州境內(nèi)，礦區(qū)范圍內(nèi)發(fā)育褶皺、斷層，褶皺主要以北西向為主，斷層是礦區(qū)內(nèi)主要的控礦構(gòu)造[12]。礦區(qū)巖體主要為砂巖、泥巖及砂巖泥巖互層，整體強度較低，f系數(shù)2～5，屬于Ⅳ、Ⅴ類圍巖。

井下采用上向充填采礦法，鑿巖及錨網(wǎng)支護采用boomer282鑿巖臺車、出礦/渣采用卡特45 t礦用卡車、濕噴支護采用諾曼特混凝土運輸車及噴漿車，采掘、運輸、支護實現(xiàn)了全機械化，生產(chǎn)效率較高。為了適應大型設備通行需求，井下巷道斷面較大，脈外巷道斷面5.0 m×5.5 m，采礦進路斷面為4.5 m×5 m(均為三心拱)。

所述變形區(qū)段處在150 m水平以下，埋深約510 m。礦山延深掘進過程中，采用與淺部同類的支護方式(頂板每排5根Φ25 mm，2 400 mm樹脂錨桿，間排距1 200×1 500 mm；兩幫各3根Φ47.5 mm×2 400 mm管縫式錨桿，間排距1 200 mm×1 200 mm；全斷面噴厚度75 mm纖維混凝土，腰線1.2 m以上掛鋼網(wǎng)區(qū)域再噴25 mm)，巷道開裂變形嚴重，與淺部巷道穩(wěn)定狀況差異較大，被迫停工返修，原方案已無法維護深部巷道的穩(wěn)定。

1.2 巷道變形特征

掘進工程自150 m水平開始向下施工，巷道變形自130 m標高往下大面積發(fā)生，地壓顯現(xiàn)特征明顯；總體看來東側(cè)大巷變形破壞在先，底鼓不明顯，西側(cè)大巷變形在后，且后期底鼓明顯。開挖后直觀典型特征是松散破碎，多以黑色泥巖為主的砂巖泥巖互層，爆破后大塊極少，發(fā)生冒頂或片幫的頻次增多，開挖輪廓范圍內(nèi)的巖體呈碎塊狀居多，遇水即軟化，人手可捏碎，強度極低?？傮w而言，所有巷道變形有如下特點：

1)兩側(cè)幫變形最先發(fā)生，支護鋼網(wǎng)、錨桿扭曲變形，噴砼體整體裂縫，縫隙方向無規(guī)則。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，巷道兩幫位移量多在超過約50 mm以后，開裂變化明顯。如圖1(a)所示，當巷道幫部圍巖開裂失穩(wěn)后，圍巖的變形速度有明顯加快的趨勢。

2)拱頂?shù)钠茐男螒B(tài)總體呈“尖頂”狀，自起拱線至頂部軸線位置都不同程度出現(xiàn)錨網(wǎng)噴支護體開裂和脫落，分析認為是在兩幫不斷向內(nèi)擠壓造成的拱部“斷裂”。見圖1(b)。

3)不對稱的變形破壞

巷道側(cè)幫的不對稱變形表現(xiàn)最為突出，整體為北側(cè)幫變形破壞嚴重，南側(cè)幫變形小(或者后發(fā)生變形)，但最終南側(cè)幫同樣發(fā)生破壞，破壞的時間相比北側(cè)幫滯后。分析認為地應力釋放過程中的應力偏差和應力轉(zhuǎn)移是主要原因。

4)巷道底鼓發(fā)生在上述變形最后，集中在110 m分段和90 m分段平巷的西側(cè)變形最為明顯，且在岔口處的底鼓量相對更大；底鼓發(fā)生的地段，拱頂部位變形破壞相對較小。底鼓時機發(fā)生在開挖后約6個月左右，底鼓量最大將近1.5 m；這是本礦山自始極少發(fā)生的巷道變形特征。

圖1 巷道變形特征Fig.1 Roadway deformation characteristics

2 巷道失穩(wěn)機理分析

地下巷道的變形失穩(wěn)因素眾多，大致有巖性、地下水、地應力、地質(zhì)構(gòu)造、爆破震動、支護不當?shù)取５叵鹿こ汰h(huán)境復雜，每種巷道變形都是各類影響因素綜合作用的結(jié)果。所述巷道巖體與礦山淺部巖性同類，但節(jié)理裂隙及破碎帶更加發(fā)育(多為層狀碎裂結(jié)構(gòu))，地壓顯現(xiàn)特征明顯，巷道失穩(wěn)表觀狀態(tài)與淺部有明顯差異。在地質(zhì)資料、節(jié)理裂隙統(tǒng)計分析的基礎上從巖體膨脹性、地應力、松動圈、錨桿錨固力測試等方面研究顯示：

1)淺部和深部巖石樣品的自由膨脹率均小于40%，參考膨脹土的分級標準，膨脹率小于40%應歸為非膨脹土；且淺部和深部的巖石自由膨脹率差別不大，差異率8.6%；深部裂隙水并不普遍，因此可以判斷巖石的膨脹性對礦山深部巷道開裂破壞變形影響不大，并非是巷道開裂破壞的主要因素。自由膨脹率試驗結(jié)果見表1。

表1 自由膨脹率試驗結(jié)果

注：Q—淺部巖石；S—深部巖石。

2)為研究深部地應力特征，由中科院地質(zhì)研究所自158 m標高至-59 m標高分別采用DCDA巖芯直徑變形分析法和空芯包體應力解除法開展地應力測試。結(jié)果表明，深部最大主應力自90 m水平向下，逐漸變?yōu)橐运綐?gòu)造應力為主；整體應力水平隨深部下降增勢明顯，90 m處最大主應力為17.3 MPa，至-59 m達到27.49 MPa；同時各水平的最大最小應力相差較大，說明應力剪切作用強烈；而礦區(qū)最大水平主應力優(yōu)勢方向(北東向)與分段平巷、斜坡道均呈斜交狀，對巷道穩(wěn)定極為不利。蔡美峰院士認為，軟巖處于高應力時，巖石骨架中的基質(zhì)(黏質(zhì)礦物)發(fā)生滑移和擴容，此后再接著發(fā)生缺陷或裂紋的擴容和滑移塑性變形[1]；由此可見，區(qū)域內(nèi)地應力增大或是深部巖體失穩(wěn)的主要因素。

3)根據(jù)礦區(qū)前期對淺部巖體質(zhì)量分級調(diào)查和圍巖松動圈測試結(jié)果顯示，淺部巖體主要為Ⅲ、Ⅳ類巖體；松動圈范圍1.51～1.73 m[13]。而深部巖體質(zhì)量調(diào)查顯示，130 m標高以下巖體已經(jīng)屬于Ⅳ、Ⅴ類圍巖，根據(jù)圍巖松動圈分類表[14]，Ⅳ類圍巖松動圈厚度約1.5～2.0 m，Ⅴ類圍巖松動圈厚度約2～3 m；由此推斷深部巖體松動圈相對淺部必然有增大趨勢。依據(jù)松動圈理論錨桿間排距的計算公式：

(1)

式中：N—設計錨固力，kN；n—每排錨桿根數(shù)；k—安全系數(shù)；γ—巖體容重，kN/m3；bh—等于1/2巷道寬度，m；L—松動圈理論厚度，m。

可見隨著L增大，錨桿間排距b必然要縮小，才能滿足錨固強度。因此推斷原錨桿間排距已經(jīng)不再適應深部的圍巖狀態(tài)。

4)對施工期間所使用的樹脂錨桿和管縫錨桿進行錨固力拉拔測試顯示，樹脂錨桿拉拔力尚好，可達到設計要求150 kN；而管縫錨桿由于深部圍巖軟弱破碎，導致拉拔力降低，拉拔力約40 kN居多，最低20.2 kN，遠未達到60 kN的設計值。由此可見在深部軟弱破碎巖體狀態(tài)下采用管縫錨桿存在支護強度不足的問題。

由上述各類試驗探索及分析可知，造成深部巷道失穩(wěn)的主要因素除巖性和地質(zhì)構(gòu)造外，地應力影響、錨固支護參數(shù)不匹配是主要因素。在破碎帶和地應力的雙重影響下，支護結(jié)構(gòu)不能有效限制松動圈破碎巖石的繼續(xù)擴容變形，圍巖自承載能力急劇下降，最終造成巷道失穩(wěn)變形。

3 控制措施

3.1 錨桿優(yōu)選分析

巷道高強度的支護措施眾多，對于一個具體礦山而言，經(jīng)濟性和可操作性是重要的考量因素。該礦支護作業(yè)使用鑿巖臺車和噴漿臺車，效率極高；因此支護方式既要滿足技術(shù)要求又必須兼顧與設備匹配。管縫錨桿、樹脂錨桿、長錨索是多年來該礦山運用比較成熟的錨固類型，但在具體使用過程中又各有特點。

1)管縫錨桿施工安裝方便，配合鑿巖臺車機械臂掛鋼網(wǎng)非常便捷，施工效率高，但如前所述深部巖體狀態(tài)下錨固力嚴重不足。為解決這一問題，考慮通過管縫錨桿內(nèi)注漿的方式提高其錨固力。現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)顯示管縫錨桿注漿后其錨固力不小于106.2 kN，比不注漿管縫錨桿的錨固力提高3倍以上。不足之處是注漿工藝相對復雜，人工勞動強度大，大面積推廣會影響施工效率和工期進度。

2)樹脂錨桿具有錨固力大的顯著優(yōu)勢，且工藝成熟，工人操作熟練。不足之處是對于特別破碎巖體，塌孔現(xiàn)象頻發(fā)(以巷道側(cè)幫中下部和底角處較為突出)，錨桿難以將錨固劑順利送至孔內(nèi)，經(jīng)過臺車的多次透孔、洗孔，其孔徑遠大于設計值，造成錨桿桿體無法充分破壞及攪拌錨固劑材料，導致樹脂錨桿錨固力低于正常值。

3)傳統(tǒng)的砂漿錨桿比較適用于破碎巖體支護，對于孔的直徑?jīng)]有嚴格的要求，錨固力較高，試驗數(shù)據(jù)平均為160 kN，且總體價格相對便宜，是國內(nèi)最常用的一種錨桿。但砂漿錨桿施工需要邊注砂漿邊安裝錨桿，人員設備應機動靈活，所以一般均為人工操作，勞動強度大，機械化程度低。

經(jīng)多次開展錨桿拉拔力測試發(fā)現(xiàn)，樹脂錨桿、砂漿錨桿、管縫注漿錨桿、管縫錨桿的錨固強度依次降低。而為了最大限度適應機械化施工，充分發(fā)揮設備優(yōu)勢，同時又要滿足現(xiàn)場支護技術(shù)要求，認為樹脂錨桿仍然要作為該礦深部巷道支護的主要錨桿類型，樹脂錨桿施工存在困難的區(qū)段，需要考慮采用加密管縫注漿錨桿來補強。整體支護強度的提高，將通過調(diào)整現(xiàn)有錨桿支護參數(shù)并改善支護工藝來實現(xiàn)。

3.2 巷道支護方案設計

以5 m×5.5 m的三心拱斷面為準進行設計，采用不同錨桿參數(shù)搭配+鋼網(wǎng)+濕噴混凝土的聯(lián)合支護方式形成三種不同方案，來實現(xiàn)支護強度的提高。其中濕噴工藝技術(shù)在該礦山應用比較成熟，且使用效果良好，聯(lián)合支護設計中予以保留。

基于松動圈及組合拱理論[13-14]，相關計算如下：

1)根據(jù)破碎帶高度計算松動圈厚度

(2)

L=RP-R

(3)

式中：RP—破碎帶高度，m；L—松動圈厚度，m；R—等效圓掘進半徑，根據(jù)礦山實際取值2.5 m；C、φ—巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；其中C為3.16 MPa=31.6 t/m2；γ—巖石密度；2.7 t/m3；H—巷道埋深，以70 m標高為準，地表標高580 m，則H=580-70=510 m。計算得破碎帶高度RP=4.83 m，松動圈厚度L=2.33 m。

2)錨桿排距計算

(4)

(5)

式中：N—錨固力，kN；b—錨桿排距，m；n—每排錨桿數(shù)量，取為7；k—安全系數(shù)，本次取為3；γ—巖石容重，27 kN/m3；σ—樹脂錨桿桿體材料的屈服極限，Φ25 mm螺紋鋼為33 5 MPa；d—桿體直徑，25 mm；R、L同上。

計算得N=164 kN；b=1.21 m，安全起見取值1.1 m。

3)根據(jù)組合拱厚度t計算錨桿有效長度L2

(6)

L2=t+a

(7)

式中：t—組合拱厚度；a—錨桿間距，根據(jù)巷道狀況取值1.1 m；F—安全系數(shù)，參考經(jīng)驗取值3；qn—組合拱上方破碎帶巖層的作用力kg/cm2，qn=γRP= 2.7×4.83=13.04 kg/cm2；λ—側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/(1-μ)=0.282；b—錨桿排距，1.1 m；δb—巖石抗拉強度，δb=3.53 MPa=35.3 t/m2；計算得t≥1.23 m；取1.23；則錨桿有效長度L2=t+a=1.23+1.1=2.33 m。

4)計算錨桿總長度

Lt=L1+L2+L3

(8)

式中：Lt—錨桿長度；L1—錨桿外露長度，取0.1 m；L2—錨桿有效長度，L3—錨桿的錨固端長度；取0.3 m；計算得錨桿長度為2.73 m；取值2.8 m。

根據(jù)上述計算，結(jié)合礦山實際，形成如下兩種方案，見表2。

表2 支護方案設計(僅列示錨桿設計，鋼網(wǎng)及濕噴各方案參數(shù)一致)

其中方案②作為方案①的補充設計，當巷道側(cè)幫下部因巖石過于破碎發(fā)生塌孔(實際頻發(fā)事件)，造成樹脂錨桿無法發(fā)揮效力的情況下，用間距0.8 m×0.8 m的管縫注漿錨桿代替樹脂錨桿，確保底角支護強度。

詳細支護材料參數(shù)：樹脂錨桿規(guī)格Φ25 mm×2 800 mm，采用中速錨固劑，直徑Φ25 mm，錨固長度2.5 m；樹脂錨桿托盤采用Q235鋼或同等強度鋼材；托盤規(guī)格200 mm×200 mm×10 mm；管縫式錨桿Φ47.5 mm×2 800 mm；托盤規(guī)格300 mm×300 mm×7 mm；匹配鉆頭為Φ43 mm(適用于破碎軟巖)；鋼網(wǎng)采用Φ5 mm圓鋼，規(guī)格2×4 m2，網(wǎng)度100 mm×100 mm；濕噴纖維混凝土設計強度為C30，厚度100 mm。見圖2。

圖2 樹脂錨桿+注漿管縫錨桿+鋼網(wǎng)+ 纖維混凝土支護(單位：mm)Fig.2 Resin bolt+ inside grouting split sets+ steel mesh+ fiber reinforced wet shotcrete measurement

施工順序：掘進出渣結(jié)束后第一時間初噴纖維混凝土，厚度60 mm；間隔不小于2 h后施工樹脂錨桿+管縫錨桿+鋼網(wǎng)支護；結(jié)束后復噴厚度40 mm的纖維混凝土。側(cè)幫底部注漿錨桿孔口插PVC管保護(防止噴漿堵塞孔口)，每掘進20 m整體注漿一次。

4 工程應用效果

上述支護方案在該礦90 m水平脈外大巷支護工程中進行了應用。為檢驗支護效果，判斷支護對策及支護參數(shù)的合理性，對試驗段內(nèi)頂板下沉量、兩幫累積移近量以及底鼓量進行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖3。

圖3 巷道圍巖收斂變形監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Monitoring results of roadway convergent deformation

由圖3可知，巷道支護15～20 d后圍巖變形速度顯著降低， 60 d 后圍巖變形趨于穩(wěn)定，頂板、底板、兩幫圍巖收斂速率均降至1 mm/d 以下，此時頂板最大變形量15 mm左右，兩幫最大變形量為37 mm左右，底板最大變形量為25 mm左右，總體變形量值較小，現(xiàn)場觀測支護體未出現(xiàn)破壞情況，實現(xiàn)了對深部軟弱圍巖巷道的有效控制。

5 結(jié)論

1)分析得到以砂巖-泥巖互層類圍巖為主的軟巖巷道在各因素影響下的變形規(guī)律：以側(cè)幫-拱頂-底板的順序發(fā)生開裂，變形周期長，變形量大，單側(cè)幫最大變形達到50 cm，且有繼續(xù)增長趨勢；拱部破壞呈“尖頂”狀；底鼓變形集中一段時間發(fā)生，在岔口處底鼓量最大，達到1.5 m。

2)通過開展巖體質(zhì)量分級、巖體膨脹性測試、深部地應力測試以及錨桿拉拔力測試等技術(shù)措施，確定引起巷道變形失穩(wěn)的因素除巖性和地質(zhì)構(gòu)造外，地應力影響、錨固支護參數(shù)不匹配是主要因素。

3)以支護強度和設備匹配性為目標，基于松動圈、組合拱相關理論，設計以間排距1.1 m×1.1 m，長度2.8 m的樹脂錨桿+管縫注漿錨桿+鋼網(wǎng)+濕噴纖維混凝土為主的支護方式，通過現(xiàn)場應用并持續(xù)監(jiān)測證明該方案實現(xiàn)了對深部軟弱圍巖巷道的有效控制。同等巖石條件、機械化、高地應力地下礦山可參考使用。