軟巖巷道錨注卸支護(hù)技術(shù)應(yīng)用與優(yōu)化

劉樹弟，劉建莊，楊 拓，李 準(zhǔn)

(1.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063009；2.華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063210)

深井軟巖巷道的支護(hù)難題，長期困擾著我國的煤礦生產(chǎn)建設(shè)，嚴(yán)重制約了我國中東部地區(qū)礦井的采掘正常銜接，一直是巷道支護(hù)技術(shù)的研究熱點[1-3]。針對深井高應(yīng)力、泥質(zhì)軟巖、富水圍巖、水解軟巖等軟巖巷道支護(hù)失穩(wěn)機(jī)制，相關(guān)單位以高強(qiáng)錨桿索[4，5]、恒阻大變形錨索[6-8]、錨架充聯(lián)合、全斷面支架[9，10]等技術(shù)在兩淮礦區(qū)、鐵法礦區(qū)、兗州礦區(qū)等取得部分成功，但針對高應(yīng)力破碎淋水強(qiáng)水解圍巖的巷道大變形和支護(hù)失效的工程難題，尚未有較為成熟的支護(hù)技術(shù)[11-13]。本文通過對開灤礦區(qū)地質(zhì)力學(xué)測試和錨注卸支護(hù)實踐，形成一套錨注卸動態(tài)支護(hù)技術(shù)，制定了關(guān)鍵工序銜接的支護(hù)工法，為復(fù)雜軟巖巷道工程治理提供借鑒。

1 開灤軟巖巷道工程特征

開灤礦區(qū)目前有生產(chǎn)礦井8對，平均采掘深度在-850～-950m間，未來5～10a內(nèi)各礦水平接替接近或超千米，全區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，淋水巷道和涌水巷道普遍，軟巖斷面大(16～20m2)，普遍存在高應(yīng)力、動壓擾動、水解風(fēng)化等不利穩(wěn)定的因素，原支護(hù)技術(shù)與參數(shù)不適應(yīng)深部條件，巷道變形失修、采掘失調(diào)嚴(yán)重制約了可持續(xù)發(fā)展，大量人力、物力消耗在頻繁的后路維護(hù)中，給生產(chǎn)經(jīng)營帶來極大壓力[14-17]。為解決深部支護(hù)難題，先后開展了圍巖工程分級、支護(hù)構(gòu)件升級、配套支護(hù)方案優(yōu)化等工作，形成了支架掛葦簾壁后充填、錨索架聯(lián)合、淺拱底梁、雙層棚子等支護(hù)技術(shù)，在局部工程中取得一定成效，但在強(qiáng)淋水、應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜的灰色和灰白色砂巖區(qū)域、強(qiáng)采動影響區(qū)域、煤巖動力顯現(xiàn)的高冒區(qū)域、活化斷層區(qū)域中，各類支護(hù)方式均告失敗，亟待解決極困難區(qū)域的穩(wěn)定支護(hù)難題。

2 地質(zhì)力學(xué)測試和失穩(wěn)機(jī)制分析

2.1 地應(yīng)力實測

開灤礦區(qū)對淺部地應(yīng)力環(huán)境開展了大量的實測工作，如李熔華測得趙各莊礦952m深處最大主應(yīng)力值為自重應(yīng)力的3.3倍；張宏偉在荊各莊礦、唐山礦、錢家營礦、范各莊礦、呂家坨礦、東歡坨礦的測量表明，礦區(qū)屬水平應(yīng)力場，最大主應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值為1.6～2.7。

為進(jìn)一步掌握深部巷道失穩(wěn)的力學(xué)來源，定量指導(dǎo)支護(hù)選型和參數(shù)優(yōu)化，以KX81型空心包體應(yīng)力計開展了-850水平到-950水平的地應(yīng)力實測，部分結(jié)果見表1，礦區(qū)深部第一主應(yīng)力接近水平，延展方向為煤層走向，屬大巷、工作面巷道工程的最不利穩(wěn)定的方向，按照平均采煤工作面動壓影響系數(shù)1.2～2.0計算，巷道遠(yuǎn)場最大應(yīng)力可達(dá)70.0MPa，大大超出巷道錨固區(qū)內(nèi)的天然狀態(tài)圍巖強(qiáng)度。

2.2 巖石強(qiáng)度測試和微觀測試

礦區(qū)煤系巖層以砂巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖為主，其中風(fēng)化水解作用體現(xiàn)最為明顯的是灰色和灰白色砂巖，開灤礦區(qū)俗稱“白砂矸”，在煤8、煤9和煤11的頂?shù)装寰匈x存，在東歡坨、呂家坨、范各莊、林南倉等礦井深部工程揭露較為普遍。X射線衍射測試表明相對礦物含量構(gòu)成中，中粒白砂矸的粘土礦物成分以高嶺石為主，細(xì)粒白砂矸礦物成分以蒙脫石為主，粘土礦物含量60%～80%，成分以高嶺石為主，顆粒越細(xì)蒙脫石含量漸次增高。其中，煤8底蒙脫石和高嶺石各占約50%，煤11底伊蒙脫混層占61%。掃描電鏡SEM顯示結(jié)果可以看出，顆粒集結(jié)成塊顆粒疏松，呈棉絮狀結(jié)構(gòu)，塊體中間納米和微米孔隙發(fā)育，大顆?；|(zhì)之間有不規(guī)則粒間孔隙。

表1 趙各莊礦、錢家營礦、呂家坨礦深部地應(yīng)力實測結(jié)果

分別選取中粒“白砂矸”(富高嶺石)和細(xì)?！鞍咨绊贰?富蒙脫石)干濕兩種巖樣進(jìn)行0～25MPa圍壓條件下的三軸強(qiáng)度測試，結(jié)果表明：中粒干樣單軸抗壓強(qiáng)度123.4MPa，抗拉強(qiáng)度1.62MPa，彈性模量32.46Pa；中粒飽水濕樣單軸抗壓強(qiáng)度49.7MPa，抗拉強(qiáng)度1.29MPa，彈性模量26.7GPa，軟化系數(shù)為63.5%，水化作用特征為強(qiáng)度弱化和強(qiáng)體積膨脹；細(xì)粒干樣單軸抗壓強(qiáng)度78.8MPa，抗拉強(qiáng)度1.53MPa，彈性模量20.3GPa；細(xì)粒飽水濕樣單軸抗壓強(qiáng)度78.4MPa，抗拉強(qiáng)度1.41MPa，彈性模量27.7GPa，軟化系數(shù)為63.1%，水化作用特征為強(qiáng)烈水解弱化和弱體積膨脹。

2.3 軟巖巷道失穩(wěn)力學(xué)機(jī)制

前述測試和實驗表明，巷道深部所處的應(yīng)力環(huán)境高，較淺部水平的應(yīng)力級別高6～10MPa，而開挖擾動和采動疊加作用下，巷道局部應(yīng)力為2～3倍的原巖應(yīng)力，達(dá)到70～100MPa載荷級別，接近或超出中粒白砂巖和細(xì)粒白砂巖的強(qiáng)度極限。圍巖物理成分中高含量粘土礦物與大量的微孔通道，給水解軟化作用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和浸潤反應(yīng)空間，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)宏觀失穩(wěn)將加速原生微孔通道的拓展，促進(jìn)封閉裂隙向貫通裂隙發(fā)展，巷道后期失穩(wěn)的加速特征恰恰反映了圍巖水解軟化到后期的加速歷程。由此可見，誘發(fā)巷道失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制包括三個方面，一是高應(yīng)力作用下承載區(qū)圍巖自穩(wěn)強(qiáng)度不足；二是常規(guī)支護(hù)不能有效抑制表面有害變形和錨固區(qū)裂隙發(fā)展；三是原生裂隙與擾動裂隙周邊水解軟化長期作用顯著，表現(xiàn)為巷道后期流變失穩(wěn)。

3 軟巖巷道錨注卸支護(hù)技術(shù)

為解決圍巖和支護(hù)強(qiáng)度不足的問題，首選加大支護(hù)密度的方式；為解決常規(guī)支護(hù)控制裂隙效果有限的問題，首選錨桿或錨索強(qiáng)化裂隙圍巖的方式；為解決裂隙發(fā)育、水解軟化問題，采用注漿充填和注漿堵水的方式。因此，在林南倉礦、錢家營礦、東歡坨礦的16～20m2軟巖大斷面巷道中，技術(shù)實踐了多層次錨卸注支護(hù)技術(shù)，“三錨、一卸、二注”支護(hù)斷面如圖1所示，取得了較好的工程效果，已成為在復(fù)雜高粘土礦物圍巖區(qū)域進(jìn)行軟巖巷道初掘和套修治理的主要支護(hù)方式。

圖1 三層次錨注卸支護(hù)(mm)

4 錨卸注支護(hù)數(shù)值模擬分析

為了對錨卸注支護(hù)效能進(jìn)行評價，采用UDEC離散元軟件對多層錨注卸方案進(jìn)行了分階段過程模擬。并以錢家營礦-850主石門為原型進(jìn)行建模。依據(jù)煤巖物理力學(xué)參數(shù)測試報告，結(jié)合實際揭露的巖性和節(jié)理裂隙發(fā)育狀況，綜合選取圍巖巖性和節(jié)理面物理力學(xué)參數(shù)。圍巖彈性模量取30GPa，泊松比為0.3，內(nèi)摩擦角30°，剪脹角5.0°，抗拉強(qiáng)度2.0MPa，粘聚力1.0MPa；節(jié)理面的法向剛度取8.0GPa，切向剛度取6.4GPa，內(nèi)摩擦角為24°，粘聚力為0.8MPa；注漿加固區(qū)僅對節(jié)理參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化，殘余粘聚力和殘余抗拉強(qiáng)度取初始值的0.5倍；多層錨桿材質(zhì)為?20mm的HRB400螺紋鋼，屈服力為130kN，注漿錨桿為常規(guī)直徑20mm的注漿管，屈服力為50kN。模型左右邊界和下邊界滾軸支撐約束，上邊界加載垂直應(yīng)力22.85MPa，初始水平應(yīng)力設(shè)定為37.0MPa，縱向應(yīng)力設(shè)定為19.5MPa。

巷道周邊塊體的塑性區(qū)和位移分布如圖2所示，垂直應(yīng)力云圖如圖3所示，模擬表明，卸壓槽開挖能較快促進(jìn)開挖初應(yīng)力向外圍轉(zhuǎn)移，激勵裂隙拓展，在圍巖位移50～100mm范圍的初掘錨固后，補(bǔ)打二次錨桿(甚至三次錨桿)錨固圍巖，有利于對2.0～2.5m范圍的節(jié)理斷裂滑移位移和塑形剪漲位移的控制，能夠達(dá)到強(qiáng)力促穩(wěn)的目的；而注漿錨桿的錨固和圍巖改性，實現(xiàn)了峰后殘余強(qiáng)度的大幅度提升和原有失效錨桿的二次錨固，有利于充分調(diào)動各類錨桿和各層次錨桿的承載效能。通過多層次錨固和注漿改性，巷道周邊的節(jié)理面滑移區(qū)大幅縮小，主要2.5m錨固區(qū)內(nèi)發(fā)育，穩(wěn)定位移在75～115mm內(nèi)，巷道斷面能夠穩(wěn)定和長期保持。

圖2 塑性區(qū)和位移發(fā)布

圖3 垂直應(yīng)力云圖

5 技術(shù)工法和工程效果

5.1 技術(shù)工法

多層次錨固、分次注漿、底角卸壓槽開挖與回填，各類工序配合較為復(fù)雜，動態(tài)銜接極為關(guān)鍵，經(jīng)過大量工程驗證和技術(shù)實踐，以監(jiān)控表面收斂位移為關(guān)鍵施工節(jié)點，對“錨—卸—注”的施工過程進(jìn)行規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)工法流程如下：掘進(jìn)工作面斜向預(yù)注漿(有條件選用)→毛斷面擴(kuò)刷→噴第一層次漿(80mm)→打第一層次錨桿→掛第一層次繩網(wǎng)→噴第二層次漿(100mm)→打第二層次錨桿→掛第二層次繩網(wǎng)→打第一層次注漿錨桿→噴第三層次漿(80mm)→按腰線臥底與開挖卸壓槽→表面收斂100mm，靜置15～20d→第一層次注漿→表面收斂100mm，靜置15～20d→依據(jù)監(jiān)測打第二層次注漿錨桿→噴第四次漿(60mm)→第二次注漿。

5.2 工程效果

該支護(hù)技術(shù)在開灤各礦應(yīng)用中，綜合開展了十字布線法位移觀測和錨桿托錨力監(jiān)測，結(jié)果表明：三層錨卸注表面收斂在150mm以內(nèi)，四層次錨卸注收斂在250mm以內(nèi)(主要因巷道條件更為復(fù)雜)，各層錨桿軸力普遍在50～80kN，效能發(fā)揮50%～80%，成本核算顯示，永久巷道多次套修總成本可降低0.8～1.5萬元/m，經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果較為顯著。

6 結(jié) 論

1)通過地應(yīng)力實測、微觀測試和巖石力學(xué)強(qiáng)度測試，查明了開灤礦區(qū)深部軟巖的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，第一主應(yīng)力近水平，為大巷、工作面巷道工程的最不利方向，平均值在35.5MPa，其灰色和灰白色砂巖分布多含蒙脫石粘土礦物和富高嶺石粘土礦物，飽水樣的單軸抗壓強(qiáng)度分別為49.7MPa和78.4MPa，前者水化特征為強(qiáng)度弱化和強(qiáng)膨脹，后者為強(qiáng)度弱化和微膨脹。

2)錨卸注支護(hù)能較好應(yīng)對開灤深部軟巖巷道軟化失穩(wěn)的三個關(guān)鍵力學(xué)機(jī)制，UDEC模擬表明，卸壓槽開挖具有應(yīng)力轉(zhuǎn)移和激發(fā)裂隙的關(guān)鍵作用，利于卸壓后動態(tài)注漿的實施，多層次錨桿形成高密支護(hù)層，強(qiáng)度高，利于對2.0～2.5m范圍的節(jié)理斷裂滑移位移和塑形剪漲位移的控制，圍巖裂隙活動主要在2.5m內(nèi)，穩(wěn)定位移在75～115mm內(nèi)。

3)以控制表面收斂位移不超100mm為節(jié)點，控制卸壓后注漿的啟動時機(jī)，可在工程上實現(xiàn)開挖卸壓和充分注漿，技術(shù)工法操作可靠，在多次支護(hù)、分次注漿和底角卸壓技術(shù)實踐中，取得了顯著的工程效果。