深部高應(yīng)力條件下官地礦中四區(qū)軌道巷返修支護(hù)措施分析

孫 樂(lè)

(山西焦煤集團(tuán)官地礦，山西 太原 030022)

1 工程概況

官地礦中四區(qū)軌道巷位于正前巷道3 150 m，主要為正前巷道中四采區(qū)運(yùn)輸人員及物料。中四區(qū)軌道巷沿8#煤層，老頂為泥巖，直接頂石灰?guī)r，直接底8#煤，老底細(xì)粒砂巖，瓦斯絕對(duì)涌出量0.5 m3/min，煤(礦)塵爆炸指數(shù)23.17%，煤層自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，巷道埋深在820 m～836 m。從巷道掘進(jìn)情況來(lái)看，巷道所處地段的地質(zhì)條件較為多變，設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道在原支護(hù)條件下，出現(xiàn)了較為明顯的變形破壞問(wèn)題，嚴(yán)重影響到巷道使用效果。

2 中四區(qū)軌道巷變形破壞特征

從現(xiàn)場(chǎng)勘查情況來(lái)看，巷道主要變形特征為：

首先，巷道頂板和兩幫變形較為嚴(yán)重。在已經(jīng)掘進(jìn)完成的巷道中礦壓顯現(xiàn)非常劇烈，多數(shù)巷道在掘進(jìn)完成之后的兩周內(nèi)，頂板下沉量均超過(guò)400 mm，兩幫收斂量超過(guò)500 mm，巷道呈現(xiàn)出“Ω”形，全斷面變形破壞明顯。

其次，巷道變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。不論是已經(jīng)掘進(jìn)了較長(zhǎng)時(shí)間的巷道還是剛剛掘進(jìn)的巷道，巷道蠕變就長(zhǎng)期存在，且蠕變速度表現(xiàn)出較大的波動(dòng)性，“時(shí)快時(shí)慢”的特點(diǎn)較為明顯。

第三，底鼓問(wèn)題非常突出。因?yàn)樵谠ёo(hù)的初期，忽略了對(duì)巷道底板的支護(hù)，導(dǎo)致多數(shù)地段的底鼓量超過(guò)了800 mm，底板噴層出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的撕裂，幾乎所有噴漿層均沿著底角或者中軸線抬起，由于底鼓量較大，導(dǎo)致巷道局部斷面出現(xiàn)了明顯的收縮。

3 中四區(qū)軌道巷變形破壞機(jī)理

3.1 巷道所處地段的地應(yīng)力復(fù)雜

在巷道內(nèi)設(shè)置了3個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道所處地段的地應(yīng)力進(jìn)行量測(cè)。得到的測(cè)試結(jié)果見表1所示。通過(guò)表1可知，水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力，最大值達(dá)到了33.25 MPa，與深部開采實(shí)踐相符合，水平應(yīng)力已經(jīng)成為深部圍巖的最大主應(yīng)力； 測(cè)壓系數(shù)平均值達(dá)到了1.34，測(cè)壓系數(shù)較高，巷道所處的地應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜；垂直應(yīng)力平均值達(dá)到24.41 MPa，與根據(jù)上覆巖層容重與厚度計(jì)算的垂直應(yīng)力基本相同。從地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果來(lái)看，巷道屬于較為典型的深部高應(yīng)力巷道，在高應(yīng)力作用下，很多本身較為堅(jiān)硬的巖石，也表現(xiàn)出軟巖的特性，也就是“工程軟巖”，給巷道支護(hù)提出了更高的要求[1-3]。

表1 原巖應(yīng)力量測(cè)結(jié)果 MPa

3.2 圍巖內(nèi)部變形情況與圍巖特性研究

選擇使用X射線衍射儀對(duì)巷道圍巖礦物成分進(jìn)行研究，得到巷道圍巖中包含有較多的云母、高嶺石等膨脹性軟巖成分，這類礦物成分容易出現(xiàn)膨脹風(fēng)化、泥化軟化的問(wèn)題，給巷道穩(wěn)定性帶來(lái)的威脅較為明顯。同時(shí)，對(duì)巷道開展了窺視孔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在兩幫孔口到孔內(nèi)的65 cm～85 cm范圍內(nèi)，巖體較為完整；在65 cm～145 cm范圍內(nèi)巖體極為破碎；在100 cm～300 cm范圍內(nèi)巖石較為破碎；在300 cm～420 cm范圍內(nèi)巖體有明顯的裂隙；超過(guò)了420 cm后，巖體整體較為完整。通過(guò)鉆孔窺探，表明巷道松動(dòng)圈的范圍在4 m左右。

3.3 原支護(hù)方式分析

從深部巷道支護(hù)實(shí)踐來(lái)看，若巷道處于泥巖等地質(zhì)條件下，在巷道開挖后，會(huì)產(chǎn)生較為劇烈的應(yīng)力重新分布，若不能提供出足夠的徑向支護(hù)強(qiáng)度，巷道通常情況下會(huì)出現(xiàn)較大范圍的變形破壞，在原支護(hù)條件下，錨網(wǎng)索支護(hù)所能夠提供的支護(hù)強(qiáng)度非常有限，圍巖應(yīng)力峰值位置較為深入，導(dǎo)致巷道圍巖處于較為不利的二次應(yīng)力分布狀態(tài)，再加上巷道圍巖強(qiáng)度相對(duì)偏低，在高應(yīng)力作用下，極易達(dá)到圍巖屈服極限，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布的范圍逐步向圍巖深部拓展，裂隙進(jìn)入到持續(xù)發(fā)育狀態(tài)，圍巖松動(dòng)圈的范圍更大，原支護(hù)條件下的錨固效果逐步下降甚至錨固失效。因此，巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)不夠科學(xué)是導(dǎo)致巷道出現(xiàn)大面積變形破壞的主要原因之一[4-7]。

4 中四區(qū)軌道巷變形破壞返修支護(hù)分析

4.1 返修支護(hù)機(jī)理

從當(dāng)前巷道穩(wěn)定性控制實(shí)踐來(lái)看，對(duì)于受到高應(yīng)力環(huán)境、支護(hù)設(shè)計(jì)條件、圍巖形式等方面因素而影響到巷道穩(wěn)定性的巷道，特別是對(duì)于底板鼓起量較大的巷道圍巖，在進(jìn)行返修支護(hù)時(shí)，主要可采取圍巖卸壓、優(yōu)化支護(hù)等方式。結(jié)合本次巷道出現(xiàn)的變形破壞問(wèn)題，本次提出“錨網(wǎng)索噴+局部注漿加強(qiáng)+局部卸壓”復(fù)合返修支護(hù)方案，主要支護(hù)機(jī)理[8]為：

首先，在頂板打設(shè)錨索，通過(guò)錨索作用，充分發(fā)揮深部穩(wěn)定圍巖對(duì)淺部圍巖的限制作用，形成淺部頂板圍巖和深部頂板圍巖相互協(xié)同的變形體系，不僅有助于限制頂板淺部圍巖的變形破壞，同時(shí)，對(duì)于淺部圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境也能夠有效改善，從單軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S應(yīng)力狀態(tài)，推動(dòng)淺部圍巖所承受的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，有效保證淺部圍巖的穩(wěn)定性。

其次，在頂板與兩幫仍舊打設(shè)錨桿，更好提升淺部圍巖和錨桿所形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)范圍，頂板錨桿與錨索形成深淺兩個(gè)支護(hù)殼體，有效改善頂板圍巖所處的應(yīng)力條件，增強(qiáng)頂板支護(hù)效果。巷道兩幫錨桿長(zhǎng)度也從原有支護(hù)條件下的2 000 mm增加到2 400 mm，更好發(fā)揮錨桿對(duì)兩幫的支護(hù)限制作用。

第三，在巷道兩底角打設(shè)注漿錨桿?？紤]到巷道底板中包含有較多的膨脹性軟巖成分，同時(shí)也受到了底板水的影響而給巷道整體穩(wěn)定性帶來(lái)較大的威脅。返修設(shè)計(jì)在巷道兩底角打設(shè)注漿錨桿，通過(guò)注漿的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)底板圍巖出現(xiàn)的變形破壞裂縫有效封堵，提升巷道底板圍巖的整體性，增強(qiáng)底板圍巖的極限承載能力。此外，通過(guò)在兩底角打設(shè)錨桿的方式，也有助于在底板形成一個(gè)“錨桿+注漿液+底板圍巖”的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，共同抵抗高應(yīng)力對(duì)巷道底板帶來(lái)的威脅。

第四，在底板開展局部卸壓。通過(guò)設(shè)計(jì)卸壓槽的方式，為巷道圍巖底板變形預(yù)留出一定的變形空間，將底板的高應(yīng)力有效釋放，在巷道底板形成“弱結(jié)構(gòu)”，這個(gè)“弱結(jié)構(gòu)”可實(shí)現(xiàn)對(duì)底板有控制的應(yīng)力釋放，圍巖變形量也可得到有效吸收，對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布情況實(shí)現(xiàn)有效改善，推動(dòng)巷道底板應(yīng)力峰值向深部圍巖轉(zhuǎn)移，讓巷道底板處于應(yīng)力降低的區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道底板的有效保護(hù)。

4.2 返修支護(hù)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合巷道實(shí)際情況，對(duì)巷道進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，具體見圖1所示。

圖1 巷道返修支護(hù)方案(mm)

4.3 返修效果分析

在返修支護(hù)方案實(shí)施后，選擇使用“十字交叉法”對(duì)巷道變形位移情況進(jìn)行了觀察，得到巷道位移曲線見圖2所示。從圖2可知，巷道整體圍巖得到了較好控制，圍巖總體變形量相對(duì)于返修之前有了明顯下降，這表明，返修支護(hù)方案較好滿足了巷道穩(wěn)定性控制要求。

圖2 大巷返修后圍巖位移曲線

5 結(jié)語(yǔ)

1) 深部巷道在“三高一擾動(dòng)”的影響下，表現(xiàn)出相對(duì)于淺部巷道不同的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，在深部巷道支護(hù)過(guò)程中，需充分結(jié)合深部巷道所處地質(zhì)條件，對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2) 在深部巷道支護(hù)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合巷道地質(zhì)條件，對(duì)敏感位置、關(guān)鍵部位進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，不僅有助于提升支護(hù)效果，還有助于控制巷道支護(hù)成本。