含軟泥夾層灰?guī)r頂板巷道“錨-架-噴”協(xié)同控制技術(shù)

王俊紅，焦建康

（1.晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司 成莊礦，山西 晉城 048000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013）

我國西北、西南、華北、東北、華東等區(qū)域的中石炭系、奧陶系、二疊系、三疊系地層中普遍覆存有灰?guī)r巖層[1]。一般情況下，灰?guī)r巖層強(qiáng)度大、承載能力強(qiáng)，對于完整性好、厚度大的灰?guī)r頂板甚至可以不支護(hù)[2]。但是由于煤層賦存條件所限，我國許多礦區(qū)都不同程度地分布有含軟泥夾層灰?guī)r巖層[3-4]。這些灰?guī)r頂板在原生裂隙發(fā)育階段會有軟泥入侵，軟泥流變性強(qiáng)、強(qiáng)度低，導(dǎo)致巷道支護(hù)時錨桿、錨索黏結(jié)力低或無法有效錨固[5]。當(dāng)僅采用被動架棚支護(hù)時，圍巖和支架難以形成有效的承載體，巷道在掘進(jìn)或回采階段經(jīng)常出現(xiàn)大面積垮落現(xiàn)象[6]。因此，如何有效提升含軟泥夾層灰?guī)r頂板巷道的穩(wěn)定性是目前迫切需要解決的技術(shù)難題。

李本奎等[6-7]提出采用錨桿錨索和29U型鋼及高強(qiáng)度鋼纖混凝土聯(lián)合支護(hù)，能夠有效的控制含有軟泥入侵的多溶洞型頂板巷道圍巖的變形與破壞。針對極弱膠結(jié)地層煤巷圍巖，孟慶彬等[8]提出切圓拱形斷面煤巷成型較好、受力均勻，有利于巷道圍巖的整體穩(wěn)定。為解決弱膠結(jié)砂巖巷道變形量大的難題，范明建等[9]提出了強(qiáng)力承壓拱、全斷面及時支護(hù)、全長預(yù)應(yīng)力錨固、強(qiáng)力護(hù)表及預(yù)應(yīng)力有效擴(kuò)散等巷道支護(hù)措施。李廷春等[10]提出在我國西部礦區(qū)泥化弱膠結(jié)軟巖地層，應(yīng)當(dāng)從改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)和提高整個支護(hù)體系的整體性和封閉性2方面著手，以實現(xiàn)泥化弱膠結(jié)軟巖地層中矩形巷道的長久穩(wěn)定。我國學(xué)者針對復(fù)雜地質(zhì)條件巷道斷面形狀[11-12]的選擇及支護(hù)難題[13-15]進(jìn)行了一定的理論探索和工程實踐，解決了一些工程難題。但是，總的來說，目前對含軟泥夾層灰?guī)r頂板巷道煤巷支護(hù)理論與技術(shù)相關(guān)研究較少，基本處于探索階段。

以山西某礦含軟泥夾層灰?guī)r頂板巷道支護(hù)工程為研究背景，通過現(xiàn)場地質(zhì)力學(xué)實測、物理力學(xué)參數(shù)實驗室測試分析，揭示含軟泥夾層灰?guī)r頂板巷道的圍巖結(jié)構(gòu)特性；以現(xiàn)場巷道圍巖條件為地質(zhì)原型，建立數(shù)值模型，理論分析含軟泥夾層灰?guī)r頂板巷道變形破壞的內(nèi)在原因，提出合理的加固原理及控制技術(shù)，以期為類似地質(zhì)條件巷道圍巖穩(wěn)定性控制提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

山西某礦15102回風(fēng)巷位于15#煤一采區(qū)，巷道埋深88.02～123.40 m，沿15#頂板掘進(jìn)，設(shè)計掘進(jìn)長度1 548 m，矩形斷面，凈寬4.2 m，凈高4.0 m，凈斷面積16.8 m2。15#煤層平均厚度4.03 m，直接頂為8.0 m左右的K2灰?guī)r，往上依次為泥巖、石灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖，直接底為4.5 m左右的鋁質(zhì)泥巖。含黃泥夾層灰?guī)r頂板示意圖如圖1。

根據(jù)相鄰巷道掘進(jìn)揭露的圍巖情況，15102回風(fēng)巷掘進(jìn)期間會穿越地質(zhì)異常區(qū)，頂板灰?guī)r破碎，黃泥入侵巖溶裂隙，頂板巖層含軟泥夾層，同時兩幫煤體變軟。巷道在掘進(jìn)期間就發(fā)生明顯變形，具體表現(xiàn)為兩幫收縮，其中工作面?zhèn)葞筒Ａт撳^桿托盤大面積破壞，個別玻璃鋼錨桿桿體破斷，失去對煤幫支護(hù)作用，局部地段煤體片幫，兩幫移近量最大處達(dá)930 mm。頂板巖層破碎，形成墜包，底板局部地段發(fā)生輕微底鼓及開裂，最大頂?shù)装逡平窟_(dá)550 mm。

1.2 地質(zhì)力學(xué)特性測試

1）地應(yīng)力測試。水壓致裂地應(yīng)力測試結(jié)果顯示，測點處水平主應(yīng)力σH量值為3.23 MPa，最小水平應(yīng)力σh量值為1.95 MPa，垂直應(yīng)力σV為3.08 MPa。測試區(qū)域應(yīng)力場類型為σH＞σV＞σh型應(yīng)力場。

2）圍巖結(jié)構(gòu)。軟泥充填段頂板鉆孔窺視圖如圖2。與正常段相比，軟泥充填段頂板完整性下降，其中2.2～2.6 m段圍巖較為破碎，3.1 m處有橫向裂隙發(fā)育，3.9～4.4 m段圍巖較為破碎，且在1.1～1.2 m、1.5～1.6 m、2.2～2.3 m、2.7～2.8 m、3.8～3.9 m等處有黃泥夾層。

圖2 含黃泥夾層段頂板窺視圖Fig.2 View of the roof of the section with yellow mud interlayer

3）圍巖強(qiáng)度。巷幫煤體現(xiàn)場原位強(qiáng)度測試結(jié)果如圖3。其中工作面幫煤體強(qiáng)度平均值為13.82 MPa，實體煤幫煤體強(qiáng)度平均值為15.45 MPa，局部地段兩幫煤體含有夾矸和黃泥，強(qiáng)度降低，錨桿、錨索托盤隨著預(yù)緊力的施加不斷陷入后方煤體，導(dǎo)致錨桿索預(yù)緊力不足甚至難以施加。

圖3 煤體強(qiáng)度測試曲線圖Fig.3 Curves of coal strength test

4）礦物成分。利用X射線衍射分析方法，對頂板和煤層黃泥礦物成分進(jìn)行測試分析，礦物X射線衍射分析結(jié)果見表1。頂板和煤層黃泥夾層段黏土礦物分別占63.1%和58.2%。由于黏土礦物顆粒細(xì)?。?0.01 mm），比表面積大，對水分的侵入極為敏感，當(dāng)與水體相接觸時，黏土礦物往往會發(fā)生膨脹，從而使巖層產(chǎn)生裂隙，甚至崩解，降低巖層的承載力。

表1 礦物X射線衍射分析結(jié)果Table 1 Analysis results of mineral X-ray diffraction

2 含軟泥充填巖溶裂隙巷道圍巖變形破壞原因

2.1 數(shù)值模型

以該礦15102回風(fēng)巷為地質(zhì)原型，建立的平面應(yīng)變數(shù)值模型方案如圖4。模型左右側(cè)面為位移邊界，底部為固定邊界。根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果，模型上部邊界施加初始自重應(yīng)力3 MPa，初始水平應(yīng)力3.2 MPa。

圖4 模擬方案Fig.4 Simulation scheme

共模擬2種方案：方案1頂板為完整的石灰?guī)r；方案2為含黃泥夾層頂板，主要表現(xiàn)為灰?guī)r頂板裂隙發(fā)育，且含軟泥夾層。根據(jù)實驗室測定，選取的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 模型物理力學(xué)參數(shù)取值Table 2 Values of physical and mechanical parameters of the model

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 應(yīng)力場分布特征

不同地質(zhì)條件下的巷道圍巖垂直應(yīng)力、巷道圍水平水平應(yīng)力和巷道圍巖最大主應(yīng)力分布如圖5～圖7。

圖5 垂直應(yīng)力分布云圖Fig.5 Vertical stress distribution nephogram

圖6 水平應(yīng)力云圖Fig.6 Horizontal stress distribution nephogram

圖7 最大主應(yīng)力云圖Fig.7 Maximum principal stress nephogram

由圖7可以看出，由于巷道埋深較淺，在巷道掘進(jìn)過程中，2種地質(zhì)條件下的巷幫支承壓力峰值分別為4.1 MPa和4.2 MPa，兩者差別不大。但水平應(yīng)力和最大主應(yīng)力分布卻明顯不同，主要表現(xiàn)在應(yīng)力量值和分布特征上。對于完整頂板，頂?shù)装逅綉?yīng)力核區(qū)呈對稱分布，最大水平應(yīng)力量值為4.5 MPa，最大主應(yīng)力在巷道肩角處產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力量值為5.6 MPa。對于含黃泥夾層頂板，由于裂隙的擾動，使得頂板應(yīng)力分布極其復(fù)雜，局部應(yīng)力集中，最大水平應(yīng)力量值為7.1 MPa，最大主應(yīng)力量值為7.6 MPa，且在巷道肩角處最為明顯。

2.2.2 塑性區(qū)分布特征

2種地質(zhì)條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖8。

圖8 塑性區(qū)分布Fig.8 Plastic zone distribution

由圖8可以看出，對于完整頂板，由于巷道埋深較小，巷道頂板強(qiáng)度高，原有支護(hù)方式下，巷道破壞區(qū)范圍較小，范圍在0.5～1.5 m之間，最大破壞范圍處在巷道肩角，破壞區(qū)范圍在錨桿（索）錨固范圍內(nèi)，巷道穩(wěn)定性較好。對于含黃泥夾層頂板，由于巷道頂板巖層裂隙發(fā)育，含黃泥夾層，承載能力低，頂板破碎范圍已超過了頂板錨桿的錨固范圍，使得錨桿支護(hù)能力大幅減低甚至脫黏失效，巷道圍巖破壞形式主要為拉、剪破壞，巷道頂板破壞深度2.5～4.5 m，巷道兩幫破壞深度3.0 m，底板破壞深度2.5 m。

2.3 巷道變形破壞原因

經(jīng)前述地質(zhì)力學(xué)測試、實驗室試驗和現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合數(shù)值模擬分析，含軟泥夾層灰?guī)r頂板巷道圍巖變形破壞的主要原因為：

1）含軟泥夾層灰?guī)r頂板巷道圍巖裂隙分布雜亂無章，無規(guī)律性可言，裂隙性頂板圍巖受地質(zhì)構(gòu)造作用的影響嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)面縱橫交錯，結(jié)構(gòu)較為松散，黏聚力低，開挖后圍巖松動早、來壓快、易出現(xiàn)大面積垮落。

2）頂板富含軟弱黃泥，黃泥強(qiáng)度較低，黏土礦物含量高，遇水易發(fā)生膨脹，從而使巖層產(chǎn)生裂隙，甚至崩解，降低了錨桿（索）錨固力和巖層的承載力。

3）兩幫煤體強(qiáng)度低，局部含有夾矸和黃泥，錨桿（索）托盤隨著預(yù)緊力的施加不斷陷入后方煤體，導(dǎo)致錨桿索預(yù)緊力不足甚至難以施加。

4）巷道斷面不合理。巷道采用矩形斷面，巷道受力不均衡，頂板應(yīng)力集中相互疊加，受剪切拉伸破壞嚴(yán)重；兩幫煤體壓力大，造成大面積凸出，兩幫明顯收縮，巷道肩角部位易出現(xiàn)剪切滑移變形。

3 “錨-架-噴”協(xié)同控制技術(shù)

3.1“雙層承載拱”加固機(jī)理

針對含軟泥夾層灰?guī)r頂板巷道承載能力弱、自穩(wěn)時間短、圍巖變形劇烈的特點，提出“雙層承載拱”加固機(jī)理。首先在掘進(jìn)煤巷時，將矩形斷面巷道優(yōu)化為拱形斷面，采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，形成組合拱結(jié)構(gòu)，配合使用錨索加固巷道頂板、幫部，并通過錨桿與錨索在剛度、強(qiáng)度上的耦合，將錨桿淺部組合拱與錨索深部承組合拱有效地組合在一起，形成“深部承載拱”結(jié)構(gòu)[16-18]；其次是在巷道中架設(shè)U型鋼可縮性支架，在U型鋼支架之間安設(shè)拉桿充分發(fā)揮了支架的整體效應(yīng)，然后在巷道表面進(jìn)行混凝土噴層，使其在巷道表面形成“淺部承載拱”結(jié)構(gòu)。“雙層承載拱”結(jié)構(gòu)示意圖如圖9。

3.2“錨-架-噴”協(xié)同控制技術(shù)

基于“雙層承載拱”加固機(jī)理，提出“錨-架-噴”協(xié)同控制技術(shù)。即在高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)的基礎(chǔ)上，架設(shè)U型鋼可縮性支架，配合混凝土噴層，各種支護(hù)優(yōu)勢協(xié)同互補。

1）高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索一次支護(hù)到位。掘進(jìn)巷道后，為確保圍巖的完整性，及時安裝高預(yù)應(yīng)力錨桿（錨索）。高預(yù)應(yīng)力錨桿及時主動支護(hù)可降低圍巖的應(yīng)力梯度、差應(yīng)力及集中系數(shù)，改善圍巖受力狀態(tài)，利于形成壓力拱承載結(jié)構(gòu)[19]。有效的錨固承載結(jié)構(gòu)可以防止軟泥夾層離層的進(jìn)一步擴(kuò)展。

2）U型鋼可縮性支架防護(hù)巷道空間。將具有較高強(qiáng)度的拉桿安裝于2個U型鋼可縮性支架之間，能夠提升支護(hù)體系的整體承載能力[20]。可縮式U型鋼支架的支護(hù)剛度較為明顯，在U型鋼可縮支架的配合下，錨桿、錨索支護(hù)能克服剛度不足的缺陷，實現(xiàn)主動支護(hù)。同時，在錨網(wǎng)噴支護(hù)作用下，有效地緩解了圍巖對U型鋼支架的擠壓作用。通過圍巖、U型鋼支架之間的相互協(xié)調(diào)，形成具有較強(qiáng)承載能力的整體。

3）混凝土噴層防止圍巖風(fēng)化和遇水軟化。采用混凝土噴層，封閉巷道表面，避免巷道圍巖與空氣、水的接觸，防止含軟泥圍巖的風(fēng)化和和遇水的軟化，充分發(fā)揮“雙層承載拱”結(jié)構(gòu)的承載能力，實現(xiàn)含軟泥巷道圍巖的長期穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場實踐

4.1“錨-架-噴”支護(hù)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)前述“雙層承載拱”加固機(jī)理以及“錨-架-噴”協(xié)同控制技術(shù)，對該礦15102回風(fēng)巷控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化?？傮w思路為：將巷道斷面由矩形改為拱形，大幅提高錨桿索的初始預(yù)緊力，縮減頂板錨桿索排距，增加支護(hù)強(qiáng)度。同時，為了使幫部錨桿托盤后陷，預(yù)緊力不強(qiáng)等問題能有效解決，選用W鋼護(hù)板作為組合構(gòu)件。在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上架設(shè)29U型鋼可縮性支架，最后對圍巖進(jìn)行混凝土噴層封閉。巷道支護(hù)斷面圖如圖10。

圖10 巷道支護(hù)斷面圖Fig.10 Cross section of roadway support

1）錨桿支護(hù)參數(shù)。頂板錨桿采用MSGLW-400、直徑準(zhǔn)20 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，排距1.2 m，錨桿間距1.2 m，預(yù)緊力矩300～500 N·m，樹脂加長錨固。頂板錨索索體采用直徑17.8 mm、長度為5 300 mm鋼絞線，排距2.4 m，間距2.0 m，樹脂加長錨固，初始預(yù)緊力不低于200 kN。巷幫錨桿采用MSGLW400、直徑準(zhǔn)20 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.2 m，錨桿排距1.2 m，間距1.0 m。煤柱側(cè)采用錨索加強(qiáng)支護(hù)，索體直徑為17.8 mm，長度為4.3 m，每排打設(shè)兩根，排距為1.2 m，間距2.2 m。

2）架棚支護(hù)參數(shù)。29U型鋼可縮性支架，架棚距為1 000 mm，支架之間安設(shè)拉桿，拉桿長1 000 mm。

3）噴漿參數(shù)。采用強(qiáng)度C25的混凝土進(jìn)行噴漿，噴漿厚度100 mm，所用水泥標(biāo)號不低于425。

4.2 礦壓監(jiān)測

巷道掘進(jìn)期間，在15102回風(fēng)巷350 m處安裝了2組位移測站，巷道掘進(jìn)期間表面位移監(jiān)測曲線如圖11。從巷道掘進(jìn)期間表面位移監(jiān)測曲線可以看出：巷道位移在巷道掘進(jìn)期間逐漸升高，大約在工作面后方40～50 m趨于平緩，巷道變形趨于穩(wěn)定，巷道變形以兩幫變形為主，頂?shù)装遄冃屋^小，這與兩幫較為軟弱有關(guān)；總體來看，巷幫最大移近量92 mm，頂?shù)鬃畲笠平?9 mm，與原方案相比巷道圍巖變形量量降低90%以上。

圖11 巷道表面位移監(jiān)測曲線Fig.11 Monitoring curves of surface displacement

5 結(jié)語

1）受裂隙弱化及黏土類軟泥充填的影響，含軟泥夾層灰?guī)r頂板巷道黏結(jié)強(qiáng)度降低、整體強(qiáng)度減小、自穩(wěn)能力變差，加上巷道斷面形狀不合理，引起局部應(yīng)力集中，巷道圍巖無穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。

2）將矩形斷面巷道優(yōu)化為拱形斷面，通過提高錨桿（索）的強(qiáng)度和剛度、施加高預(yù)緊力，在圍巖體內(nèi)部形成“深部承載拱”結(jié)構(gòu)；同時在巷道中架設(shè)U型鋼可縮性支架，在支架之間安設(shè)拉桿，充分發(fā)揮支架的整體效應(yīng)，使其在巷道表面形成“淺部承載拱”結(jié)構(gòu)；最后采用混凝土噴層，封閉巷道表面，防止圍巖風(fēng)化和和遇水軟化，充分發(fā)揮“雙層承載拱”結(jié)構(gòu)的承載能力，實現(xiàn)巷道圍巖的長期穩(wěn)定。

3）現(xiàn)場實踐表明，采用以“錨-架-噴”為基礎(chǔ)的協(xié)同控制技術(shù)，巷道圍巖變形量降低90%以上，顯著提高了含軟泥夾層灰?guī)r頂板巷道的可靠性。