特殊地質(zhì)條件下巷道修復(fù)加固技術(shù)適配性研究與應(yīng)用

劉尊杰 王義勇

（1.山東省能源局，山東 濟(jì)南 250000；2.山東方大工程有限責(zé)任公司，山東 淄博 255100）

松軟破碎巷道的修復(fù)是煤礦巷道施工與安全生產(chǎn)的一大難題。井下大量巷道處于泥巖、頁巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖及煤層等特殊地質(zhì)條件下，巷道失修嚴(yán)重。為解決特殊地質(zhì)條件下的巷道修復(fù)與支護(hù)問題，對巷道修復(fù)支護(hù)進(jìn)行體系性研究具有重要意義。

1 概況

新河礦-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井技改延伸工程，設(shè)計為直墻半圓拱形巷道，原設(shè)計采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)方式，巷道凈寬4.3 m，凈高3.75 m，坡度為-18°。巷道施工及使用過程中多處巷道頂板有噴漿層開裂、下沉、鼓出、脫落現(xiàn)象，并伴有地板嚴(yán)重底鼓。結(jié)合井下現(xiàn)場條件，確定對-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井進(jìn)行巷修加固。

2 巷道圍巖物理力學(xué)性能與礦物成分分析

本次圍巖應(yīng)力測試鉆孔巖樣送交國土資源部濟(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進(jìn)行巖石力學(xué)試驗，檢測項目為天然抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、塊體密度和吸水率，同時現(xiàn)場采取泥巖試樣還進(jìn)行了礦物成分分析。

試驗檢測結(jié)果見表1、表2。

表1 巖石物理力學(xué)指標(biāo)測試結(jié)果

表2 巷道圍巖礦物組成試驗結(jié)果

得出結(jié)論如下：鉆孔采取的巖樣主要有中砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及砂質(zhì)泥巖，單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的大小符合：中砂巖＞粉砂巖＞細(xì)砂巖＞砂質(zhì)泥巖；單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度大的中砂巖，彈性模量也比較大，而泊松比相對較?。粏屋S抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度小的泥巖彈性模量比較小，而泊松比相對較大；四種巖性粘聚力大小符合：粉砂巖＞中砂巖＞細(xì)砂巖＞砂質(zhì)泥巖；內(nèi)摩擦角大小符合：中砂巖＞粉砂巖＞細(xì)砂巖＞砂質(zhì)泥巖；泥巖由于含較多親水性粘土礦物，吸水率大于2.0%，其他巖性吸水率規(guī)律如下：砂質(zhì)泥巖＞粉砂巖＞細(xì)砂巖＞中砂巖。根據(jù)泥巖試驗結(jié)果，可以看出修復(fù)巷道所穿越的巖層為多種類巖性疊合巖層，性能指標(biāo)差異性大，造成修復(fù)支護(hù)方案必須根據(jù)巖性不同進(jìn)行及時調(diào)整。

3 特殊地質(zhì)條件下巷道巷修支護(hù)加固技術(shù)

3.1 圍巖及巷道建模

建立的模型寬×高×厚40 m×40 m×1.6 m，巷道形狀為直墻半圓形，半徑2.3 m，墻高1.7 m。模型剖分采用六面體單元，劃分完成的網(wǎng)格見圖1（a）。模型圍巖采用SVISIC 蠕變模型進(jìn)行模擬[1]，力學(xué)參數(shù)在表3 實(shí)測圍巖力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)驗和數(shù)值反演最終確定。開挖過程一次完成，開挖完成后即進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)。噴砼層按照摩爾庫倫模型模擬[2]，厚度150 mm，緊貼巷道開挖斷面，模型見圖1（b）。考慮本工程地質(zhì)埋深條件特點(diǎn)，模型受力加載按地應(yīng)力測試實(shí)測荷載，豎向地應(yīng)力取25.6 MPa，水平地應(yīng)力取31 MPa 和20 MPa（巷道軸向方向）。噴砼力學(xué)參數(shù)見表3，巖性參數(shù)見表4。

圖1 試驗方案巷道、噴層及錨桿數(shù)值模型

表3 噴砼力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計

為了闡明錨注加固支護(hù)效果，本次分析選用多方案對比法，共包括5 個方案，分別為原支護(hù)方案R1，復(fù)修方案R2～R5。通過受力分析和研究，進(jìn)行復(fù)修方案比選。各方案詳見表5。

3.3 復(fù)修方案綜合分析比選

-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井在原支護(hù)方案下，圍巖變形量較大，尤其拱頂沉降達(dá)到800 mm 左右。為解決這一問題，進(jìn)行了原支護(hù)方案以及4 種復(fù)修方案數(shù)值模擬，并對其進(jìn)行分析比選，數(shù)值模擬所得部分結(jié)果見表6。

表4 巖石流變力學(xué)參數(shù)

表5 數(shù)值模擬方案

表6 數(shù)值模擬部分結(jié)果

（1）在圍巖變形控制方面，復(fù)修方案R2～R5均強(qiáng)于原始方案。復(fù)修方案R2、R3 將頂板沉降控制在45 mm 左右，遠(yuǎn)小于原支護(hù)方案的806 mm，且小于其他支護(hù)方案；在底鼓量、巷幫內(nèi)移量控制方面，復(fù)修方案R1、R2 也明顯優(yōu)于其他方案。

（2）在控制塑性區(qū)發(fā)展方面，復(fù)修方案R2、R3 基本相似，塑性區(qū)體積較原始方案下降142%，塑性區(qū)發(fā)展深度為3～4 m，比原始方案小2 m 左右，比其他復(fù)修方案小1 m 左右。

（3）綜合來看，修復(fù)方案R4、R5 頂、幫、地板變形均大于修復(fù)方案R2，不予采用；復(fù)修方案R3 圍巖控制效果約等于復(fù)修方案R2，但復(fù)修方案R2 的錨桿錨索間距大于復(fù)修方案R3，支護(hù)成本及速度高，因此復(fù)修方案R2 更為可取。

4 工程應(yīng)用及效益說明

4.1 修復(fù)設(shè)計參數(shù)

在-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井預(yù)注漿短管：采用Ф20 mm×1500 mm，設(shè)計注漿孔間距1500 mm，每排3 個孔，孔排距2000 mm。注漿漿液：采用水泥水玻璃雙液漿，漿液凝固時間為20 s。錨桿：Ф22 mm×2400 mm 的全螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1600 mm，托盤為100 mm×100 mm×10 mm。注漿錨索：頂板錨索長度6200 mm，幫部錨索長度4200 mm，間排距1000 mm×1600 mm，與錨桿隔排布置，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，巷修區(qū)域頂板及幫部錨索鋼帶規(guī)格均為1400 mm×140 mm×10 mm（2 孔）的T 型鋼帶，錨索鋼帶沿巷道橫向布置，錨索托盤壓在鋼帶上。錨索注漿采用P042.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比0.65，摻加0.8%的高效早強(qiáng)減水劑，注漿壓力2 MPa。

4.2 巷道礦壓監(jiān)測分析

巷道按照新的修復(fù)方案修復(fù)后，對錨桿錨索受力、巷道表面收斂變形進(jìn)行觀測測量。對本巷道礦壓測試自2019 年4 月14 日開始，測點(diǎn)布置如下：

（1）2019 年4 月14 日在-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井安設(shè)兩個巷道表面收斂變形觀測點(diǎn)（兩幫測點(diǎn)）。

（2）2019 年4 月15 日在-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井安裝1 個錨桿測力計觀測測點(diǎn)（5 根錨桿）、1 個錨索測力計觀測測點(diǎn)（2 根錨索）、1 個測力錨桿觀測測點(diǎn)（3 根測力錨桿）。

通過對-980 m 二節(jié)膠帶暗斜井巷道圍巖變形和錨桿軸力實(shí)際量測的數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

（1）錨索軸力的測試表明，錨索安裝初期，測力計數(shù)值變化較快，隨著巷道的變形錨索所受的拉力不斷增大，軸力呈現(xiàn)不斷上升趨勢。30 d 之后，由于錨索的支護(hù)作用，巷道的整體變形趨于穩(wěn)定，所以錨索的軸力也趨于穩(wěn)定且具有一定的安全儲備。

（2）錨桿軸力的測試表明，錨桿受力幫部大于拱頂，淺部大于深部，錨桿能夠承受圍巖的拉力，且具有較大的安全儲備。

（3）巷道修復(fù)初次錨網(wǎng)支護(hù)后，變形增長速度較快也較大，但在錨注支護(hù)后，變形穩(wěn)定，說明注漿加固可以增強(qiáng)圍巖自身承載力和穩(wěn)定性。

同時在730 膠帶集中巷開幫修復(fù)中推廣此技術(shù)，效果同樣明顯。

5 結(jié)論

本工程形成的巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)組合——“三錨一帶”動態(tài)疊加支護(hù)技術(shù)，減少了圍巖變形終值，但在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)圍巖性質(zhì)不同，準(zhǔn)確判定支護(hù)參數(shù)疊加時間和空間關(guān)系，方可達(dá)到較好的預(yù)期效果。