耦合支護(hù)在深部巷道穩(wěn)定性控制中的應(yīng)用

張 杰

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

太原煤氣化集團(tuán)華勝煤礦北運(yùn)輸大巷埋深在790～805m 之間，巷道圍巖以粉砂巖為主，伴有泥巖夾層，也含有少量的菱鐵礦結(jié)核。從巷道開挖情況來看，該地層中包含有較多的植物根莖化石，節(jié)理發(fā)育也相對(duì)較多。北運(yùn)輸大巷原支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿為Φ18mm×1800mm，錨索為Φ17.8mm×4800mm。在北大巷開掘之后，巷道出現(xiàn)明顯變形破壞，雖進(jìn)行了兩次拓幫、挑頂、挖底修復(fù)，但巷道整體仍在較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大破壞。

2 北運(yùn)輸大巷變形破壞特征及機(jī)理

2.1 變形破壞特征

（1）巷道圍巖整體變形量較大，變形的速度也相對(duì)較快。從現(xiàn)場(chǎng)勘查情況來看，巷道掘進(jìn)之后，其收斂的速度超過了55mm/d。其中，頂板下沉量最大的位置超過了1100mm，底鼓量最大超過了550mm，兩幫整體相對(duì)移近明顯，收斂量在1500mm 左右，巷道底板的軌道多數(shù)區(qū)段已經(jīng)被掀翻，運(yùn)輸大巷已經(jīng)不能使用。巷道變形破壞圖如圖1 所示。

圖1 北運(yùn)輸大巷變形破壞圖

（2）巷道圍巖遇水膨脹明顯。巷道圍巖出現(xiàn)了明顯的遇水膨脹泥化的情況，分析導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的原因與巷道中包含有較多的菱鐵礦、蒙脫石等膨脹性軟巖成分有關(guān)，在遇水的情況下，出現(xiàn)了明顯的泥化、軟化[1]。

（3）巷道原支護(hù)構(gòu)件出現(xiàn)大范圍失效。巷道頂板、兩幫錨桿、錨索出現(xiàn)的外移情況較多，這說明在巷道圍巖變形的過程中，錨桿、錨索支護(hù)體已經(jīng)失去原有的支護(hù)效能，隨著巷道變形量的不斷增加，錨桿、錨索被拉斷，應(yīng)有的支護(hù)作用不能有效發(fā)揮出來。

2.2 巷道圍巖變形破壞機(jī)理分析

（1）圍巖強(qiáng)度相對(duì)較低，整體自穩(wěn)能力較差。通過從現(xiàn)場(chǎng)取樣，在實(shí)驗(yàn)室選擇使用panalytical 多功能粉末X 射線衍射儀對(duì)本次采樣的巖樣進(jìn)行了分析，得到了粉砂巖、泥巖、粉細(xì)砂巖中主要成分以石英為主，同時(shí)，菱鐵礦、蒙脫石、鈉長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石等黏土礦物所含的比例相對(duì)較高，遇水容易出現(xiàn)明顯的膨脹，產(chǎn)生的膨脹壓力進(jìn)一步加劇了巷道的變形破壞[2]。節(jié)理與裂隙發(fā)育明顯，導(dǎo)致圍巖整體呈現(xiàn)出松散破壞，極限承載能力較低。

（2）周邊工作面采動(dòng)影響明顯存在，北運(yùn)輸大巷所處的應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜。從工作面分布情況來看，距離北運(yùn)輸大巷較近的煤層有9#、10#、11#煤層，這些煤層群的開采，再加上北運(yùn)輸大巷周邊的硐室、聯(lián)絡(luò)巷、石門交叉點(diǎn)等開掘，形成非常復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致北運(yùn)輸大巷在開掘和使用的過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。

（3）支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不夠合理。從原支護(hù)方式來看，錨桿支護(hù)長(zhǎng)度為1.8m，錨索支護(hù)長(zhǎng)度為4.8m。而通過現(xiàn)場(chǎng)使用圍巖松動(dòng)圈探測(cè)儀測(cè)量得到巷道圍巖松動(dòng)圈的范圍已經(jīng)平均超過了5m，這說明錨桿支護(hù)并不能有效在巷道的淺部形成一個(gè)完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨索支護(hù)也沒有將深部穩(wěn)定圍巖對(duì)淺部圍巖的懸吊作用發(fā)揮出來。同時(shí)，巷道底板未進(jìn)行支護(hù)，導(dǎo)致底板成為了巷道應(yīng)力釋放的空間，底板的大變形破壞也直接影響到巷道兩幫、頂板的穩(wěn)定性。從現(xiàn)場(chǎng)勘查情況來看，巷道底板也存在涌水的情況，進(jìn)一步降低了巷道底板及兩幫圍巖的極限承載能力。

3 巷道返修支護(hù)

3.1 返修支護(hù)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選擇使用“錨網(wǎng)索+U型鋼+關(guān)鍵位置注漿”的耦合支護(hù)方式。

（1）錨網(wǎng)索支護(hù)。針對(duì)原支護(hù)方式中錨桿、錨索支護(hù)并沒有真正發(fā)揮作用的實(shí)際，本次返修選擇使用錨桿Φ22mm×2800mm，錨索Φ22mm×6300mm，進(jìn)行掛網(wǎng)噴漿，確保在巷道淺層形成“錨桿+金屬網(wǎng)+噴漿”初次支護(hù)結(jié)構(gòu)，限定巷道圍巖變形，充分調(diào)動(dòng)淺層圍巖的自穩(wěn)能力。錨索長(zhǎng)度的加長(zhǎng)更好調(diào)動(dòng)深部穩(wěn)定巷道對(duì)淺層巷道的穩(wěn)定作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道淺層圍巖的有效懸吊。此外，考慮到巷道底板底鼓明顯的情況，選擇使用錨桿進(jìn)行針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)[3-4]。

（2）考慮到北運(yùn)輸大巷所處位置整體應(yīng)力場(chǎng)較為復(fù)雜的實(shí)際，設(shè)計(jì)選用U36 型鋼組成一個(gè)外部支護(hù)結(jié)構(gòu)。各個(gè)鋼支架之間選擇使用鋼條帶連接，更好提升支護(hù)體的整體支護(hù)效能。隨著巷道變形的不斷增加，U 型鋼支架實(shí)現(xiàn)“高阻讓壓”的效果，與錨網(wǎng)索噴之間和巷道圍巖自承載之間形成明顯的強(qiáng)度和剛度的耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道整體變形的有效控制。

（3）考慮到巷道底板涌水給巷道圍巖穩(wěn)定性帶來的影響，設(shè)計(jì)選用注漿錨桿對(duì)巷道底板進(jìn)行注漿加固，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道底板及兩幫圍巖下部裂隙的有效封堵，更好提升巷道底板和兩幫圍巖的極限承載能力[5]。

具體支護(hù)示意圖如圖2 所示。

圖2 巷道返修支護(hù)示意圖

3.2 返修支護(hù)效果

采用“十字交叉法”對(duì)北運(yùn)輸大巷返修后的巷道穩(wěn)定情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得到了巷道變形情況，如圖3 所示。

圖3 巷道返修后變形監(jiān)測(cè)圖

從圖3 可知，巷道整體變形得到了較好的控制，在返修后巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量在120mm 左右，巷道兩幫的收斂量在60mm 左右，表明返修支護(hù)方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的有效控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）深部巷道支護(hù)相對(duì)于傳統(tǒng)的淺部巷道支護(hù)表現(xiàn)出較大的不同，傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)理念已經(jīng)不能滿足深部巷道支護(hù)需求。在深部巷道支護(hù)時(shí)，需充分考慮各個(gè)支護(hù)體之間的耦合性，全面提升支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的整體性才能更好滿足深部巷道支護(hù)需求。

（2）在深部巷道支護(hù)時(shí)，整體的應(yīng)力場(chǎng)較為復(fù)雜，水平主應(yīng)力已經(jīng)成為了多數(shù)巷道的主應(yīng)力，在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，需盡量保持巷道走向與主應(yīng)力方向一致，這對(duì)于降低巷道支護(hù)難度非常有利。