軟巖巷道圍巖變形機(jī)理及控制研究

張浩

【摘 要】 文章針對(duì)潞寧軟巖巷道圍巖存在的變形大以及巷道圍巖支護(hù)困難，現(xiàn)支護(hù)形式不能有效控制軟巖巷道圍巖變形，提出了“錨+網(wǎng)+索+工字鋼棚”新的聯(lián)合支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：采用“錨+網(wǎng)+索+工字鋼棚”新的聯(lián)合支護(hù)方案后，巷道圍巖頂板下沉量減少了13.52mm，巷道兩幫橫向變形量減少了11.24mm，同時(shí)巷道頂板內(nèi)部離層值相對(duì)原支護(hù)方案下的較小，新的支護(hù)方案更能有效提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】 軟巖巷道;圍巖變形;聯(lián)合支護(hù);現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

【中圖分類號(hào)】 TD32 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）01-0016-03

目前軟巖巷道在我國(guó)煤系地層中分布較為廣泛，由于軟巖巷道圍巖變形較大且支護(hù)較為困難，其對(duì)煤礦的安全高效生產(chǎn)起著制約作用。隨著巷道支護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多專家學(xué)者在軟巖巷道中進(jìn)行了廣泛研究，李建民等研究泥質(zhì)軟巖巷道圍巖變形的機(jī)理，對(duì)此提出了相應(yīng)的支護(hù)方案，并驗(yàn)證其合理性。楊曉杰等研究了軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制，并將提出的恒阻大變形錨桿耦合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用到了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。王勝等針對(duì)松軟破碎巷道圍巖控制進(jìn)行了研究，并優(yōu)化了原支護(hù)方案?；谝酝鶎＜覍W(xué)者對(duì)該方面的大量研究成果，本文針對(duì)某礦工作面軟巖巷道圍巖變形較大等問(wèn)題，確定了“錨+網(wǎng)+索+工字鋼棚”新的巷道圍巖支護(hù)方式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，證明了該聯(lián)合支護(hù)方式的可行性。此支護(hù)方式可為軟巖巷道圍巖支護(hù)技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)和借鑒。

1工程概況

工作面主采15號(hào)煤層，平均厚度為3.5m，平均傾角6°。工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度約7.6m，基本頂巖層為粉砂巖，平均厚度約6.3m，屬堅(jiān)硬巖層，直接底為泥巖，平均厚度約為2.3m，基本底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度約為4.3m。工作面頂?shù)装迕簬r柱狀圖如圖1所示。

工作面軟巖巷道位于-376m水平四三采區(qū)，平均埋深大約380m，巷道凈斷面斷面尺寸為4.0m×2.6m。煤層的平均傾角大約4°，平均厚度大約1.1m。巷道圍巖支護(hù)方式采用“錨+網(wǎng)+索”，在巷道的頂板打設(shè)五根錨桿，錨桿長(zhǎng)為2m，直徑為20mm，錨桿的間排距為800×800mm，同時(shí)每隔三排錨桿打設(shè)一排錨索，錨索長(zhǎng)為7.4m，直徑為15.24mm，錨索的間排距為2100×2400mm;在巷道的兩幫每排打設(shè)三根錨桿，錨桿長(zhǎng)為1.8m，直徑為18mm，錨桿的間排距為900×800mm，巷道圍巖支護(hù)方式如圖2所示。

2軟巖巷道圍巖變形機(jī)理及支護(hù)方案

軟巖巷道圍巖發(fā)生變形破壞的原因主要有三種：巷道圍巖的應(yīng)力擴(kuò)張，其中包括地應(yīng)力擴(kuò)張、工程偏應(yīng)力擴(kuò)張以及構(gòu)造應(yīng)力擴(kuò)張等。巷道圍巖的化學(xué)膨脹，其中包括毛細(xì)膨脹和分子膨脹等。巷道圍巖結(jié)構(gòu)變形，其中包括斷層型、節(jié)理型、層理型等。

-376m水平四三采區(qū)巷道底板由泥巖組成，在遇水后極易誘發(fā)巖體發(fā)生應(yīng)變軟化及膨脹，同時(shí)該巷道圍巖具有十分明顯的層狀特征，在巷道兩幫煤柱巖層滑面效應(yīng)以及壓模效應(yīng)的共同作用下，巷道底板開始向巷道內(nèi)側(cè)發(fā)生變形。影響軟巖巷道圍巖的穩(wěn)定性主要取決于巷道開挖斷面的大小以及巷道圍巖的力學(xué)特性。在控制軟巖巷道圍巖變形設(shè)計(jì)時(shí)，要優(yōu)先考慮圍巖自承載的作用，把巷道圍巖和支護(hù)體考慮為一個(gè)整體。

由于軟弱圍巖具有非常強(qiáng)的殘余強(qiáng)度，在巷道圍巖發(fā)生變形以后其依然存在較大的承載能力。與此同時(shí)對(duì)于軟巖巷道圍巖發(fā)生變形后所具有的膨脹性以及非對(duì)稱性的特性，要求在軟巖巷道圍巖進(jìn)行控制時(shí)必須有效控制軟巖巷道圍巖的初期變形，同時(shí)還要控制軟巖巷道圍巖最終變形在合理的范圍之內(nèi)。控制軟巖巷道圍巖變形的方法主要有：

在選用錨桿時(shí)，盡量選擇錨桿延伸性和強(qiáng)度較大的錨桿，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加錨桿的預(yù)緊力。在一定范圍內(nèi)，提高支護(hù)錨桿的延伸率，可以使錨桿更好地適應(yīng)圍巖的變形，避免巷道圍巖變形導(dǎo)致支護(hù)錨桿過(guò)早發(fā)生拉伸斷裂破壞，影響圍巖的支護(hù)效果。

對(duì)軟巖巷道圍巖易變形、難支護(hù)的區(qū)域進(jìn)行有針對(duì)性的特殊加強(qiáng)設(shè)計(jì)。軟巖巷道圍巖的變形、破壞往往都是從巷道圍巖最脆弱的部位開始，對(duì)該部位進(jìn)行針對(duì)性的特殊加強(qiáng)設(shè)計(jì)，可有效控制巷道圍巖過(guò)早發(fā)生變形破壞，有效控制軟巖巷道的變形破壞。

在一定范圍內(nèi)，可以適當(dāng)?shù)卦龃笙锏绹鷰r的支護(hù)參數(shù)，加強(qiáng)巷道圍巖的支護(hù)設(shè)施控制圍巖的變形。

3支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)時(shí)選用“錨+網(wǎng)+索”的支護(hù)形式，巷道頂板選用長(zhǎng)2m，直徑20mm，預(yù)緊力大小為150kN的錨桿，錨桿的間排距設(shè)計(jì)為800mm×800mm;巷道兩幫選用長(zhǎng)1.8m，直徑18mm，預(yù)緊力大小為110kN的錨桿，錨桿的間排距設(shè)計(jì)為900mm×800mm;頂板選用長(zhǎng)6.4m，直徑15mm的錨索，且錨索采用非對(duì)稱的布設(shè)形式，錨索梁的軸線方向與巷道的軸線方向相互平行。其具體布設(shè)如圖3所示。

為加強(qiáng)軟巖巷道圍巖的穩(wěn)定性，在巷道內(nèi)架設(shè)I12的長(zhǎng)4m，棚腿長(zhǎng)2.7m的工字鋼棚梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。同時(shí)采用方木進(jìn)行背幫背頂，以保證工字鋼棚梁貼近巷道圍巖，與巷道圍巖共同變形，確保有效控制巷道圍巖的變形。

4巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)

在距回采工作面50米、100米處布置JSS30A數(shù)顯收斂計(jì)監(jiān)測(cè)巷道圍巖的變形，并根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)的平均值繪制錨桿錨索施工前后圍巖變形速率和變形量曲線圖，如圖4、圖5所示。

從圖4、圖5可以看出，在同段時(shí)間內(nèi)錨桿錨索施加后比施加前的圍巖位移總量以及變形速率要小很多，巷道兩幫圍巖最大變形量減少了13.52mm，巷道頂板最大下降量減少了11.24mm，且在50天后，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，不再變化，可以看出采用“錨+網(wǎng)+索+工字鋼棚”聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)可有效控制圍巖的變形。

為監(jiān)測(cè)軟巖巷道頂板圍巖內(nèi)部離層情況，在距離工作面30米以及60米位置處布設(shè)裝有LBTY-1型的頂板離層指示儀的兩個(gè)測(cè)站，并將所測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，在軟巖巷道頂板圍巖內(nèi)部離層監(jiān)測(cè)的整個(gè)過(guò)程中，圍巖內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)與表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比較，圍巖變形量差別較小，且在13天左右頂板離層趨于穩(wěn)定，說(shuō)明“錨+網(wǎng)+索+工字鋼棚”聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)在該軟巖巷道中充分發(fā)揮了其組合拱以及錨索懸吊的作用，有效地控制了軟巖巷道圍巖的變形。

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)軟巖巷道的圍巖變形，本文提出了“錨+網(wǎng)+索+工字鋼棚”新的聯(lián)合支護(hù)方案。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比原支護(hù)方案及新支護(hù)方案下圍巖變形控制的效果，得出新支護(hù)方案下巷道圍巖量及巷道頂板圍巖內(nèi)部離層量較小，均在合理變形范圍內(nèi)，驗(yàn)證了新支護(hù)方案在軟巖巷道圍巖控制中的適用性及合理性。

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