金川礦區(qū)深部高地應(yīng)力礦山巷道錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)

李利峰 韓六平 張曉虎 鄧慧琳

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，貴州畢節(jié)551700；2.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院理學(xué)院，貴州畢節(jié)551700）

隨著金川礦區(qū)采礦作業(yè)逐漸向深部拓展，巷道高地應(yīng)力凸顯，導(dǎo)致圍巖完整性及穩(wěn)定性均受到不同程度的破壞。同時(shí)由于該礦區(qū)節(jié)理裂隙較為發(fā)育，礦體巖性復(fù)雜且完整性不佳，加之受深部高水平應(yīng)力的影響，巷道圍巖破壞程度嚴(yán)重。特別是處于礦巖接觸帶位置的巷道，由于巖性差異大，當(dāng)巷道掘進(jìn)施工后，若長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中或巷道開(kāi)挖面積過(guò)大，則容易引發(fā)冒頂、片幫等災(zāi)害。礦山原采用的錨噴支護(hù)方式的不足有：①勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工環(huán)境差及經(jīng)濟(jì)成本高；②不能適應(yīng)深部巷道圍巖大變形要求造成支護(hù)體失效，導(dǎo)致巷道產(chǎn)生失穩(wěn)和破壞。

近年來(lái)，針對(duì)深部巷道顯現(xiàn)的圍巖應(yīng)力狀態(tài)、變形破壞特征，為解決其支護(hù)難題，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。謝和平［1］對(duì)深部巷道開(kāi)采強(qiáng)擾動(dòng)應(yīng)力路徑下煤體損傷規(guī)律及非連續(xù)支承壓力理論進(jìn)行了探索；康紅普等［2］提出了適用于超千米深井巷道的支護(hù)方式：一是U型鋼支架加反底拱、頂板與兩幫錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，二是頂板與兩幫錨桿錨索，底板錨索支護(hù)并注漿的支護(hù)方式；李為騰等［3］對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道錨噴支護(hù)的失效機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為具有一定高強(qiáng)度的剛性支護(hù)對(duì)于維持巷道穩(wěn)定性很有必要；董志宏等［4］根據(jù)高應(yīng)力巷道錨索受力特征，建立了錨索結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)體系，提出了適時(shí)降低錨索鎖定噸位以保障支護(hù)系統(tǒng)安全可靠的對(duì)策；劉曉云等［5］建立了礦巖接觸帶巷道頂板力學(xué)模型，推導(dǎo)了頂板撓度表達(dá)式；孟慶彬等［6-7］提出了“錨注加固體等效層”概念，揭示了等效層的厚度、彈性模量等參數(shù)對(duì)巷道圍巖變形的影響規(guī)律，為錨注支護(hù)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)；文獻(xiàn)［8-13］研究認(rèn)為針對(duì)深部巷道支護(hù)，不僅需要對(duì)支護(hù)材料強(qiáng)度和密度進(jìn)行優(yōu)化，還需要充分發(fā)揮圍巖的自承能力，使圍巖與支護(hù)材料形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)；唐建新［14］等提出了以新型全長(zhǎng)黏結(jié)錨固、全封閉護(hù)面、頂板多拱有序承載和圍巖協(xié)同加固技術(shù)為核心的支護(hù)方案，并應(yīng)用于高應(yīng)力“三軟”煤層回采巷道，有效控制了圍巖變形；文獻(xiàn)［15-18］結(jié)合耦合支護(hù)原理，認(rèn)為采取錨桿、U鋼和錨注有機(jī)組合的支護(hù)方式，可在一定程度上提高巷道圍巖的自承能力。

雖然上述研究對(duì)于提高巷道圍巖穩(wěn)定性具有較好效果，但由于深部巷道圍巖所處的環(huán)境復(fù)雜多樣，導(dǎo)致支護(hù)難題仍然突出，如何根據(jù)圍巖變形破壞特征和機(jī)理因地制宜地選取支護(hù)技術(shù)還有待于進(jìn)一步研究。本研究以金川礦區(qū)某回采巷道為例，在分析其變形破壞特征及機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合原錨噴支護(hù)出現(xiàn)的問(wèn)題及原因，提出了無(wú)噴射混凝土錨桿+TECCO網(wǎng)的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，以改善高應(yīng)力巷道圍巖的力學(xué)性能，提高圍巖的自承能力，確保巷道穩(wěn)定可靠。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)條件

金川礦區(qū)總體地勢(shì)較為平坦，海拔1 500～1 800 m，主要分為4個(gè)區(qū)域，即Ⅰ礦區(qū)、Ⅱ礦區(qū)、Ⅲ礦區(qū)和Ⅳ礦區(qū)。礦區(qū)巖性較為復(fù)雜，主要包含條痕混合巖、大理巖、混合花崗巖、超基性巖體等［19］。在早期成礦過(guò)程中，受強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)影響，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，斷層錯(cuò)綜復(fù)雜，節(jié)理裂隙非常發(fā)育。礦巖主要發(fā)育有3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，節(jié)理平均間距約為0.2 m，裂隙結(jié)構(gòu)面存在低強(qiáng)度礦物質(zhì)，主要包括鈣質(zhì)、綠泥質(zhì)、鐵質(zhì)等。巷道圍巖主要由混合巖、大理巖、片麻巖等構(gòu)成，這些巖石破碎程度較高，整體性較差，同時(shí)遇水易膨脹。礦區(qū)巖（礦）石的主要力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

受多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，金川礦區(qū)逐漸形成了以水平構(gòu)造應(yīng)力為主的高應(yīng)力礦區(qū)。據(jù)已有的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果［19］：當(dāng)巷道埋深為1 000 m時(shí)，水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力、自重應(yīng)力分別達(dá)到50 MPa、20 MPa和25 MPa，水平應(yīng)力為自重應(yīng)力的1.69～2.27倍。在高地應(yīng)力作用下，礦區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體松軟破碎，新開(kāi)挖巷道易發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞，給礦區(qū)安全高效生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)峻考驗(yàn)。

1.2 礦山高應(yīng)力巷道變形破壞特征

針對(duì)金川礦區(qū)巷道頻繁出現(xiàn)的變形、失穩(wěn)、支護(hù)體破壞等問(wèn)題，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)方法對(duì)巷道軟弱巖體特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，將巷道圍巖分為松散巖體、軟弱巖體及破碎巖體（表2）。

（1）松散巖體。該類巖體完整性較差，掌子面開(kāi)挖后，巖體初始平衡狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力將重新分布，直至達(dá)到新的力學(xué)平衡狀態(tài)。在巖體應(yīng)力重新分布的過(guò)程中，圍巖會(huì)逐漸產(chǎn)生變形，當(dāng)變形到一定程度后，會(huì)出現(xiàn)一部分巖石與“母體巖石”分離開(kāi)來(lái)的現(xiàn)象，圍巖表面位移變形監(jiān)測(cè)曲線將表現(xiàn)出“跳躍式”形態(tài)。該類巖體巷道在掘進(jìn)過(guò)程中容易發(fā)生片幫、冒頂?shù)葹?zāi)害。

（2）軟弱巖體。軟弱型巖體在金川礦區(qū)最為常見(jiàn)，發(fā)生失穩(wěn)、破壞的巷道中有60%以上都屬于軟弱性巖體巷道。該類巖體主要表現(xiàn)為綠泥化、鈣化嚴(yán)重，巖石力學(xué)強(qiáng)度較低，易風(fēng)化或水解，掌子面開(kāi)挖后，巷道全斷面塑性擠入，巷道周邊將形成一定范圍的裂隙帶。該類巖體巷道掘進(jìn)后，圍巖變形量大、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、支護(hù)困難。

（3）破碎巖體。由于金川礦區(qū)巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，在礦巖接觸帶位置尤其嚴(yán)重，受高地應(yīng)力影響，巖體呈現(xiàn)出破碎形態(tài)。掌子面開(kāi)挖后，在巖體應(yīng)力不斷調(diào)整的過(guò)程中，一部分巖石將沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移而失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致其它巖體產(chǎn)生連鎖破壞反應(yīng)。該類巖體巷道掘進(jìn)后易出現(xiàn)裂縫、片幫現(xiàn)象。

1.3 礦山巷道原支護(hù)方法分析

1.3.1 礦山原支護(hù)方法

金川三礦區(qū)某回采巷道斷面設(shè)計(jì)為直墻半圓拱型，寬3.2 m，幫部直墻高度為2 m，拱頂半圓半徑R為1.6 m，常采取的支護(hù)方法為錨噴支護(hù)。支護(hù)材料主要為管縫式錨桿（20MnSi鋼）和C30混凝土。支護(hù)參數(shù)錨桿長(zhǎng)度為2.0 m，直徑40 mm，錨桿間排距為1 m×1 m，初噴混凝土厚通常為30～40 mm，二次噴射后噴層厚度達(dá)60～70 mm。巷道原支護(hù)斷面如圖1所示。

1.3.2 礦山原支護(hù)方法存在的問(wèn)題及原因

回采巷道采用原支護(hù)方法施工后，存在如下問(wèn)題：

（1）圍巖變形量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。由于該回采巷道礦巖接觸帶較多，節(jié)理裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面承載力薄弱，在高地應(yīng)力作用下非常容易發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致巖體的力學(xué)性能呈現(xiàn)出非連續(xù)性和不均一性的特點(diǎn)。由于巷道頂板和兩幫處于抗拉強(qiáng)度較低的巖層之中，一旦拉應(yīng)力超過(guò)支護(hù)體的抗拉強(qiáng)度，支護(hù)體的穩(wěn)定性將遭到破壞，從而導(dǎo)致圍巖變形量逐漸增大直至巷道發(fā)生失穩(wěn)、破壞。

（2）巷道噴射混凝土層掉塊、剝落。受到高地應(yīng)力、地下水和爆破震動(dòng)的影響，支護(hù)體的受力狀態(tài)將不斷重新分布和調(diào)整。一旦噴射混凝土與圍巖之間的黏結(jié)力低于噴射混凝土與圍巖自身的強(qiáng)度，就容易造成噴層掉塊、剝落，從而使得錨噴支護(hù)效果大打折扣。

（3）支護(hù)體噴層開(kāi)裂、錨桿錨固力下降。由于混凝土的抗拉強(qiáng)度非常小，僅有抗壓強(qiáng)度的1/10。一旦混凝土層不緊密或不均勻，則容易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致其在彎曲張拉作用下出現(xiàn)裂縫。錨桿作為深入地層的受拉構(gòu)件，若裂縫范圍不斷擴(kuò)散將會(huì)影響錨桿在巖層中錨固段的拉應(yīng)力，長(zhǎng)期如此則會(huì)導(dǎo)致錨桿錨固力下降甚至失效，嚴(yán)重削弱了支護(hù)體的整體性。

2 高應(yīng)力巷道無(wú)噴混凝土錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)

2.1 無(wú)噴混凝土錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)

為有效解決金川礦區(qū)原支護(hù)方法存在的問(wèn)題，確保深部開(kāi)采時(shí)巷道維持穩(wěn)定可靠，一方面需要提高巷道圍巖的強(qiáng)度與剛度，圍巖自承能力大小是影響支護(hù)體充分發(fā)揮作用的一個(gè)關(guān)鍵因素；另一方面要將錨桿間圍巖荷載通過(guò)錨桿逐漸傳遞至原巖，以此改善巷道圍巖的應(yīng)力集中狀態(tài)，防止錨桿間圍巖發(fā)生過(guò)大變形及破壞。為此，本研究提出了無(wú)噴射混凝土錨桿+TECCO網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)體系，以提高巷道圍巖的自穩(wěn)能力，控制圍巖過(guò)大變形。

2.2 無(wú)噴混凝土錨網(wǎng)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及作用機(jī)理

2.2.1 TECCO網(wǎng)

TECCO網(wǎng)由瑞士布魯克集團(tuán)研發(fā)設(shè)計(jì)，采用高強(qiáng)鋼絲精加工編織而成，鋼絲直徑為3 mm，網(wǎng)孔大小為140 mm×80 mm（圖2）。TECCO與傳統(tǒng)礦用金屬網(wǎng)的區(qū)別為：①無(wú)任何焊接點(diǎn)；②動(dòng)力性能好，每平方米可抵擋600 kg的巖石；③抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 770 MPa；④耐腐蝕；⑤制作工藝特殊，不會(huì)因?yàn)橐桓摻z斷裂而影響整張網(wǎng)的效果；⑥質(zhì)量輕，易于運(yùn)輸且鋪設(shè)勞動(dòng)強(qiáng)度低。目前，TECCO網(wǎng)主要應(yīng)用于公路、鐵路、電站及臨山建筑物等的邊坡防護(hù)中，防止坡面發(fā)生落石、坍落、崩塌、危巖等地質(zhì)災(zāi)害。TECCO網(wǎng)在邊坡防護(hù)中取得了良好效果，但在巷道支護(hù)中的應(yīng)用較少。

2.2.2 錨網(wǎng)支護(hù)作用機(jī)理

針對(duì)金川礦區(qū)松散型、軟弱型和破裂型巖體，本研究錨桿+TECCO網(wǎng)復(fù)合支護(hù)的主要作用有：

（1）針對(duì)松散型巖體巷道，由于TECCO網(wǎng)具有高達(dá)1 770 MPa的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)巷道圍巖產(chǎn)生變形后，支護(hù)體逐漸與其形成一個(gè)緊密的整體結(jié)構(gòu)，可大大提高圍巖的自承能力，使巖體在結(jié)構(gòu)面上由兩向受力轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰Γ淇箟耗芰?、抗剪能力、抗拉能力及殘余?qiáng)度都將得到提升，從而能夠有效控制圍巖變形。

（2）針對(duì)軟弱型巖體巷道，錨桿能將淺部軟弱圍巖懸吊于深部穩(wěn)定巖層之中，充分發(fā)揮圍巖的自承能力；還可通過(guò)次擠壓作用將錨桿桿體附近的破碎圍巖加固成承壓拱，來(lái)承受深部巖體施加的徑向載荷。同時(shí)錨網(wǎng)支護(hù)體可使松動(dòng)圈內(nèi)的節(jié)理裂隙、破裂面得以聯(lián)接，增加巖層間的摩擦力及抗剪強(qiáng)度，從而限制軟弱巖層相互錯(cuò)動(dòng)，形成環(huán)形加固帶，增大錨固區(qū)圍巖強(qiáng)度，提高巷道圍巖的承載能力。

（3）針對(duì)破裂型巖體巷道，具有杰出動(dòng)力性能的TECCO網(wǎng)在一定程度上能夠抵抗頂板冒落的破碎巖石，將破碎狀態(tài)圍巖轉(zhuǎn)為鑲嵌結(jié)構(gòu)，提高圍巖的整體性，最大限度地發(fā)揮支護(hù)體的承載作用。同時(shí)TECCO網(wǎng)既能將單根錨桿聯(lián)接成為一種錨桿群，將點(diǎn)支護(hù)轉(zhuǎn)換為面支護(hù)，提高支護(hù)體的作用效果；又能將作用在其上的載荷傳遞到錨桿及深部穩(wěn)定巖層中，改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。

2.3 無(wú)噴混凝土錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）錨桿長(zhǎng)度。錨桿長(zhǎng)度可進(jìn)行如下計(jì)算：

式中，L為錨桿總長(zhǎng)度，m；L1為錨桿外露長(zhǎng)度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，取0.1 m；L2為錨固段長(zhǎng)度，取0.2～0.3 m；L3為錨桿的有效錨固長(zhǎng)度，要求大于巷道不穩(wěn)定巖層厚度，根據(jù)巷道聲波法圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，取1.65 m。經(jīng)計(jì)算：L=1.95～2.05 m，取2.1 m。

（2）錨桿間排距。由懸吊理論可知，錨桿間排距可根據(jù)每根錨桿懸吊的巖石質(zhì)量確定［20-21］，即錨桿懸吊的巖石質(zhì)量視同與錨桿的錨固力一致，即：

式中，Q為錨桿錨固力，根據(jù)錨桿抗拔力試驗(yàn)結(jié)果，取75 kN ；K1為錨桿安全系數(shù)，一般取1.5～2.0；Sl為錨桿間距，m；Sc為錨桿排距，m；γ為巖石體積力，取28 kN。

通常情況下，錨桿根據(jù)等間距排列原則有下式成立：

經(jīng)計(jì)算，可得Sl=Sc=0.90～1.03 m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，取1 m。

采用本研究方法支護(hù)的巷道斷面如圖3所示。

3 錨網(wǎng)支護(hù)圍巖變形監(jiān)測(cè)與分析

3.1 圍巖變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

為充分驗(yàn)證錨桿+TECCO網(wǎng)的支護(hù)效果，選取金川三礦區(qū)1 474 m水平11行采場(chǎng)某進(jìn)路中間部位同時(shí)施工長(zhǎng)200 m的錨網(wǎng)支護(hù)與長(zhǎng)200 m的原始支護(hù)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比研究，兩支護(hù)段間距為80 m。支護(hù)完成后立即分別設(shè)置3個(gè)測(cè)站對(duì)兩個(gè)支護(hù)段的圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)站間距均為50 m，支護(hù)段分布及監(jiān)測(cè)站布置如圖4所示。

3.2 圍巖變形監(jiān)測(cè)分析

通過(guò)定期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析，得出90 d內(nèi)各斷面的圍巖變形變化情況，錨網(wǎng)支護(hù)段2#斷面及原始支護(hù)段2'#斷面的圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

結(jié)合圖5分析可知：

（1）兩幫收斂。錨網(wǎng)支護(hù)和原始支護(hù)完成后的20 d內(nèi)，兩者所處巷道段的圍巖變形均較為活躍，但由圖5可知，在錨網(wǎng)支護(hù)段巷道變形“活躍期”內(nèi)，其兩幫收斂速率比原始支護(hù)段的兩幫收斂速率小。在支護(hù)完成的21 d后，錨網(wǎng)支護(hù)段巷道變形速率持續(xù)降低，至40 d時(shí)變形速率約為0.07 mm/d，圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終兩幫收斂量為51.88 mm。原始支護(hù)段巷道圍巖持續(xù)發(fā)生變形，至第56 d時(shí)兩幫出現(xiàn)噴層開(kāi)裂現(xiàn)象，至90 d時(shí)兩幫收斂量已達(dá)207.55 mm，兩幫發(fā)生了嚴(yán)重變形?？傮w上，錨網(wǎng)支護(hù)段巷道兩幫最終收斂量較原始支護(hù)段巷道兩幫收斂量降低了75%左右。

（2）拱頂沉降。兩種支護(hù)方式巷道在支護(hù)完成后20 d內(nèi)圍巖變形均較為活躍，但錨網(wǎng)支護(hù)段巷道變形速率仍然較原始支護(hù)段緩慢。21 d后錨網(wǎng)支護(hù)段巷道變形速率持續(xù)降低，至40 d時(shí)變形速率約為0.098 mm/d，圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終拱頂沉降量為85.58 mm。原始支護(hù)段巷道圍巖變形速率持續(xù)增大，至40 d時(shí)變形速率約為4.92 mm/d，第60 d時(shí)頂板部位逐漸出現(xiàn)噴層開(kāi)裂現(xiàn)象，第75 d發(fā)現(xiàn)巷道頂板有掉塊現(xiàn)象，至90 d時(shí)拱頂沉降量已達(dá)407.88 mm，此時(shí)嚴(yán)重的頂板離層現(xiàn)象已導(dǎo)致支護(hù)體部分失效?？傮w上，錨網(wǎng)支護(hù)段巷道最終拱頂沉降量較原始支護(hù)段巷道降低了79.01%?？梢?jiàn)，本研究提出的無(wú)噴混凝土錨桿+TECCO網(wǎng)支護(hù)方式有效抑制了巷道冒頂現(xiàn)象的發(fā)生。

綜上所述，錨網(wǎng)支護(hù)段巷道在支護(hù)完成40 d后便趨于穩(wěn)定，而原始支護(hù)段巷道圍巖變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在支護(hù)完成90 d后仍沒(méi)有減緩趨勢(shì)，且錨網(wǎng)支護(hù)段巷道較原始支護(hù)段巷道的變形量更小、變形速率更緩。由此可以認(rèn)為：對(duì)金川礦區(qū)高應(yīng)力巷道采用無(wú)噴混凝土錨網(wǎng)支護(hù)方式，可以有效控制圍巖變形。

4 結(jié) 語(yǔ)

金川礦區(qū)三礦區(qū)1 474 m水平11行采場(chǎng)某進(jìn)路屬于典型的高應(yīng)力軟弱巖體巷道，通過(guò)對(duì)巷道圍巖變形破壞特征的分析，提出了錨桿+TECCO網(wǎng)的耦合支護(hù)技術(shù)。研究表明：該技術(shù)具有施工工藝簡(jiǎn)單、作業(yè)速度快、粉塵濃度小等特點(diǎn)，相對(duì)于該礦原采用的錨噴支護(hù)方法具有顯著優(yōu)勢(shì)，可以適應(yīng)圍巖大變形要求，確保巷道處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。