深部巷道承壓環(huán)強化復合支護技術與應用

王軍盧文巖董曉莉毛慶福劉杰

(1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南250101；2.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南250101；3.山東建筑大學 建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，山東 濟南250101；4.山東省調水工程運行維護中心 膠州管理站，山東 青島266300；5.山東濟礦魯能煤電股份有限公司 陽城煤礦，山東 濟寧272502)

0 引言

隨著煤礦進入深部開采，巷道埋深加大，巷道圍巖地質構造愈加復雜。受圍巖軟弱破碎和局部斷層影響，巖體強度大幅度降低，導致巷道圍巖變形顯著增加，甚至出現(xiàn)大范圍冒頂，直接影響煤礦安全生產。因此，對深部巷道進行有效支護，是深部開采亟待解決的技術難題。

經過多年的理論探索和技術研發(fā)，深部巷道支護理論與技術研究已經取得了許多有益的成果?？导t普等[1-2]建立了中國煤礦井下地應力數(shù)據(jù)庫，分析了井下地應力分布特征，得到埋深和巖石彈性模量是影響煤礦井下地應力分布的重要因素，總結了影響規(guī)律；并針對千米深井、軟巖、強采動巷道提出了支護—改性—卸壓支護方案，有效地控制了巷道的大變形。李術才等[3]結合深部高地應力厚頂煤巷道的支護特點，以“先抗后讓再抗”支護理念為指導，研制了具有預緊力損失小、定量讓壓、支護力傳遞效果好、護表面積大等特點的高強讓壓型錨索箱梁支護系統(tǒng)。王衛(wèi)軍等[4]認為巷道圍巖支護理念應由變形控制向穩(wěn)定控制轉變，對于深部高應力巷道，可在巷道掘進時預留一定的變形空間以容納圍巖部分“給定變形”，同時支護結構應具有一定的連續(xù)性變形能力和較高的持續(xù)性支護阻力。楊仁樹等[5]通過對深部高應力軟巖巷道變形破壞原因的分析，提出了以協(xié)調圍巖非均勻變形、控制擠壓流動底鼓、強化圍巖承載結構為核心的聯(lián)合支護方案。侯朝炯[6]對巷道圍巖控制中的底鼓和蠕變兩個突出難點，針對性地提出了采用合理的一次和二次支護來實現(xiàn)巷道穩(wěn)定的相應控制技術。孟慶彬等[7]依托工程實際提出了“錨網索噴＋U型鋼支架＋注漿＋底板錨注”的聯(lián)合支護方案，揭示了深部高應力軟巖巷道支護結構的受力演化規(guī)律。劉泉聲等[8]通過模擬研究了深部巷道軟弱圍巖破裂碎脹過程，表明錨噴和錨噴—注漿加固能夠有效控制圍巖變形。上述研究在分析深部巷道圍巖應力狀態(tài)和變形破壞原因的基礎上，提出了基于錨網(索)噴、注漿加固、型鋼拱架和鋼筋混凝土碹的不同組合支護技術，取得了良好的支護效果。但隨著巷道埋深進一步增大和圍巖軟弱破碎程度加劇，巷道收斂變形量大、底鼓嚴重、返修率高、支護成本增加等問題依然普遍存在，深部支護技術仍需深入研究和繼續(xù)創(chuàng)新。

以陽城煤礦北三深部猴車下山支護為依托，分析了深部巷道承壓環(huán)力學模型，建立了其穩(wěn)定性判據(jù)，提出了基于承壓環(huán)強化的鋼管混凝土支架復合支護技術，并進行了理論分析和工程應用。

1 工程概況

陽城煤礦位于魯西南地區(qū)，礦井采用立井—暗斜井開拓，布置主、副、風3個井筒，采用中央并列式通風、綜采放頂煤回采工藝，主要生產采區(qū)為北一采區(qū)和北三采區(qū)，北三采區(qū)深度超過千米。主要可采煤層為3煤，其厚度為6.5~8.3 m，平均厚度為7.5 m，其為穩(wěn)定的厚煤層。陽城煤礦斷層構造多、采深大、煤巖層傾角大、地質條件復雜，三采區(qū)主要服務巷道有北三深部猴車下山、北三深部皮帶下山、北三深部軌道下山，巷道布置如圖1所示。

圖1 北三深部猴車下山布置圖

1.1 地質條件分析

北三深部猴車下山基本沿3煤頂板掘進，部分段穿過3煤，埋深為920~1 100 m，圍巖以泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖和煤為主，泥巖強度最低，單軸抗壓強度為8.6~26.2 MPa，黏土礦物含量為52.55%~95.50%，吸水泥化，強度嚴重下降，受斷層影響，部分泥巖段原始含水率較高。砂巖類巖石單軸抗壓強度值為41.2~55.8 MPa，受斷層影響，巖體較破碎，遇水有崩解特征。北三深部猴車下山圍巖整體屬于軟巖特性。

地應力測試表明:礦區(qū)的宏觀地應力場屬于水平構造應力場，中間主應力與垂直應力較為接近，隨埋深的增加垂直應力相應增大。北三深部猴車下山開拓方向與最大水平主應力方向近似平行，大小與垂向地應力相當，垂向地應力大小為24~29.75 MPa，最小主應力沿垂直掘進方向，其大小約為19.7 MPa?？傮w而言巷道圍巖應力較大，以垂向地應力為主，主要受大埋深影響。

1.2 原支護變形破壞分析

北三深部猴車下山原有支護采用錨網索噴支護方案。具體支護參數(shù)為:錨桿采用全螺紋鋼錨桿，直徑為22 mm、長度為2 200 mm、間排距為1 000 mm×1 000 mm；錨索直徑為21.8 mm、長度為8 000 mm，間排距為1 000 mm×1 000 mm，梅花形布置；金屬網采用網格為100 mm×100 mm的Ф6 mm鋼筋網，噴層采用C20混凝土、厚度為200 mm。

采用以上方案支護，1年內巷道變形持續(xù)發(fā)展，兩幫變形嚴重、移近量＞1 000 mm，底鼓較為明顯、底鼓量＞800 mm，頂板錨索拉斷，混凝土噴層多處開裂，變形破壞如圖2所示。

圖2 圍巖變形破壞圖

結合北三深部猴車下山的地質條件分析了巷道圍巖破壞因素，發(fā)現(xiàn)導致其變形破壞的主要原因包括:

(1)巷道埋深較大，地應力高，且部分穿越斷層，因此受斷層及采動影響較大，造成圍巖破碎，完整性差。同時，巷道圍巖處于泥巖附近，受斷層裂隙水作用，遇水泥化，導致圍巖強度大幅降低，自承載能力差。

(2)巷道原支護方式為錨網索噴支護，僅依靠主動支護來調動圍巖自承載力，支護結構整體性不強。主動支護下圍巖自承載力不足以抵抗高地壓作用。同時，支護結構無反底拱，不能解決底鼓問題，導致底板變形大。

綜上，深埋巷道地應力高且?guī)r石破碎，錨網索噴支護承載力不足，是導致巷道變形破壞的主要因素。為提高巷道圍巖穩(wěn)定性，需進行支護優(yōu)化，因此采用承壓環(huán)強化理論對北三深部猴車下山進行支護設計分析。

2 深部巷道承壓環(huán)強化支護方法

針對深井軟巖巷道支護問題，高延法等[9]提出了承壓環(huán)強化支護理論。該理論認為深井軟巖巷道支護中原巖應力接近或超過巖石單軸抗壓強度，常規(guī)支護狀態(tài)下圍巖不能自穩(wěn)，所以必須在巷道周邊一定寬度的巖體范圍內建立承壓環(huán)并對其強化，使承壓環(huán)內巖體具有更高的承載能力，達到自穩(wěn)狀態(tài)，同時對其外部圍巖提供足夠的徑向支護力以控制外部圍巖的穩(wěn)定，最終達到巷道整體穩(wěn)定的目的。

巷道開挖導致圍巖應力重分布，不同條件下應力分布如圖3所示。在有支護條件下塑性區(qū)內側圍巖受錨網噴與型鋼支架等支護體作用會形成一個環(huán)狀擠密區(qū)，如圖3(c)所示，擠密區(qū)內圍巖應力升高，圍巖強度增大，可以保證擠密區(qū)外部圍巖穩(wěn)定，稱這一環(huán)狀擠密區(qū)為承壓環(huán)。圖中，σθ為巷道表層切向應力，MPa；σr為巷道表層徑向應力，MPa；σn為支護結構的支護力，即承壓環(huán)內邊界作用力，MPa；P0為圍巖初始應力，MPa；RP1為無支護條件下塑性區(qū)寬度，mm；RP2為有支護條件下塑性區(qū)寬度，mm；R為巷道開挖半徑，mm；R′為無支護條件下巷道變形后半徑，mm。

圖3 巷道開挖后圍巖應力分區(qū)示意圖

2.1 深部巷道承壓環(huán)力學模型

2.1.1 承壓環(huán)內外邊界條件

承壓環(huán)是在錨網噴基礎上提出的，文獻[10-11]根據(jù)彈塑性理論和摩爾-庫倫屈服準則分析了承壓環(huán)的幾何特征和力學性質，認為其厚度為全斷面錨桿在圍巖內形成的連續(xù)擠壓加固拱厚度(如圖4所示)。其中，L為錨桿長度，m；T為承壓環(huán)厚度，m；t為混凝土噴層厚度，m；t′為連續(xù)加固拱厚度，m；l為錨桿尾部外露長度，m；D為錨桿間距，m；D1為單個加固拱最大寬度，m；σcs為鋼管混凝土支架徑向支護力，MPa；σbs為錨網噴系統(tǒng)的支護面力，MPa；σw為承壓環(huán)外邊界作用力，MPa；σbr為錨桿前端的錨固面力，MPa。承壓環(huán)幾何內邊界是巷道混凝土噴層內側，幾何外邊界是錨桿支護形成的連續(xù)加固拱外側，承壓環(huán)厚度T由混凝土噴層厚度t和連續(xù)加固拱厚度t′組成，承壓環(huán)厚度的計算方式可由式(1)表示為

圖4 承壓環(huán)力學模型圖

式中φ為圍巖內摩擦角，°。

在錨網噴和鋼管混凝土支架復合支護的作用下，建立了巷道承壓環(huán)力學模型[10-11]，如圖4所示，該支護下的承壓環(huán)內邊界作用力σn包括鋼管混凝土支架徑向支護力和錨網噴系統(tǒng)的支護面力；承壓環(huán)外邊界作用力σw包括環(huán)外塑性區(qū)的徑向壓力和錨桿前端的錨固面力。由此，內外邊界力可由式(2)表示為

式中Nu為壓彎狀態(tài)下鋼管混凝土支架極限承載力，kN；s為支架間距，m；F為錨桿設計承載力，kN；H為錨桿排距，m；σrr為環(huán)外塑性區(qū)的徑向壓力，MPa；當承壓環(huán)平衡時σrr在數(shù)值上等于承壓環(huán)對外部塑性區(qū)支護力，記為σrs，MPa。

2.1.2 承壓環(huán)自平衡計算

承壓環(huán)內圍巖切向應力σθ為最大主應力，MPa；徑向應力σr為最小主應力，MPa。承壓環(huán)屬于塑性區(qū)的一部分，其強度自平衡符合摩爾—庫倫準則，由式(3)表示為

承壓環(huán)內巖體滿足靜力平衡方程，由式(4)表示為

式中r為圍巖半徑，m。

聯(lián)立公式(3)和(4)，得到微分方程的解，由式(5)表示為

式中φ為巖石內摩擦角，°。

2.2 深部巷道承壓環(huán)穩(wěn)定性判據(jù)

在承壓環(huán)自穩(wěn)定條件下，為了保證巷道支護穩(wěn)定，還需承壓環(huán)外部塑性區(qū)穩(wěn)定，承壓環(huán)對外部塑性區(qū)支護力σrs不小于外部塑性區(qū)施加在承壓環(huán)上圍巖壓力p，即σrs≥p。

將承壓環(huán)內外邊界力公式(2)代入自平衡公式(6)，得到承壓環(huán)對外部塑性區(qū)圍巖的支護力，由式(7)表示為

深部軟弱破碎巖石巷道，塑性圈范圍較大，巷道開挖后巖體積聚的構造應力釋放必然導致圍巖塑性變形，因此巖體不受膨脹軟巖作用且附近無采掘擾動作用下，圍巖壓力應是塑性形變壓力pi和塑性松動壓力pa組合。承壓環(huán)構筑后，承壓環(huán)外的破碎巖體得到有效加固，其松動壓力得到較大緩和，僅計算承壓環(huán)內巖體的松動壓力，即承壓環(huán)自重，塑性形變壓力采用芬納公式，得到承壓環(huán)外邊界所受圍巖壓力由式(8)表示為

將式(7)和(8)帶入穩(wěn)定性判據(jù)σrs≥p，求得的結果由式(9)表示為

可見，影響承壓環(huán)支護穩(wěn)定的因素包括:斷層破碎帶巖體固有性質(圍巖初始應力P0、巖石重度γ、巖體粘聚力c和內摩擦角φ)、巷道開挖參數(shù)(巷道半徑R)和承壓環(huán)參數(shù)(厚度T、支架參數(shù)和錨桿參數(shù))。

根據(jù)以上分析，提高承壓環(huán)支護穩(wěn)定性包括以下兩種方式:(1)通過主動支護或被動支護提高承壓環(huán)內邊界作用力，增強承壓環(huán)抵御外邊界荷載的能力。(2)通過讓圍巖適度變形，使其應力峰值向內部轉移，減小作用在承壓環(huán)外邊界上的荷載。

3 基于承壓環(huán)強化的深部巷道復合支護設計

結合承壓環(huán)強化支護理論以及北三深部猴車下山的破壞原因，返修支護應在原支護方案的基礎上提高錨網噴主動支護參數(shù)，增設承載力高且能有效抑制底鼓的支架結構作為被動支護以提高巷道支護力，并在支架與圍巖間設置卸壓層，允許圍巖適度變形。

在被動支護方面，鋼管混凝土支架具有較好的圍巖控制效果[12]，在相同單位用鋼量條件下，鋼管混凝土支架承載力約是U型鋼支架的3倍[13]，且封閉的鋼管混凝土支架在控制底鼓方面影響顯著[14]。因此文章決定采用“錨網噴＋鋼管混凝土支架＋柔性均壓卸壓層”復合支護方案，并在局部進行錨索加固。

3.1 鋼管混凝土支架支護設計

鋼管混凝土支架可根據(jù)實際情況設計為直墻半圓拱形、圓形、淺底拱圓形及橢圓形等多種斷面，如圖5所示。結合北三深部猴車下山圍巖地質參數(shù)和原有方案破壞機理，同時考慮反底拱的施工難易程度，將支架斷面設置為全封閉式淺底拱圓形，以適應垂向地應力作用。該支架對兩幫和頂板支護力均勻，結構受力性能良好，可有效抑制底鼓。

圖5 鋼管混凝土支架斷面形狀圖

支架凈斷面寬度和高度分別設計為4 000 mm和3 520 mm，支架間距為800 mm。支架主體鋼管選用外徑為194 mm、壁厚為10 mm的20號無縫鋼管，其單位重量為45.4 kg/m，鋼管混凝土支架分為4段:左幫段、右?guī)投?、反底拱段和頂拱段，各段之間采用外徑為223 mm、壁厚為10 mm的接頭套管連接，相鄰鋼管混凝土支架間用頂桿連接。支架主體結構參數(shù)見表1。

表1 鋼管混凝土支架主體結構參數(shù)表

鋼管內的混凝土強度等級設計為C40，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑為5~20 mm的碎石，細骨料選用粒徑為0.35~0.5 mm的優(yōu)質河砂，為加快混凝土凝固并降低收縮性，摻入一定比例的快硬硫鋁酸鹽水泥?；炷撂涠龋?80 mm，以利于井下泵送灌注。

3.2 “錨網噴＋鋼管混凝土支架＋柔性均壓卸壓層”復合支護設計

巷道斷面成型后先對圍巖噴射厚為30~50 mm的混凝土層，以封閉圍巖，防止巖塊風化和掉落；然后進行錨網噴支護，選用直徑為22 mm、長度為2 400 mm的全螺紋鋼錨桿、間排距為800 mm×800 mm，端頭錨固；金屬網選用Ф6 mm鋼筋焊接而成的鋼筋網，網格尺寸為100 mm×100 mm；錨網支護完成后復噴厚100 mm的混凝土層。

鋼管混凝土支架與圍巖間設置柔性均壓卸壓層，兩幫預留變形寬度為200 mm，頂板預留變形寬度為150 mm，預留變形寬度在支架安裝完成后采用袋裝矸石充填，后期受采動影響或支架出現(xiàn)可見變形時人工戳破實現(xiàn)卸壓。

“錨網噴＋鋼管混凝土支架＋柔性均壓卸壓層”復合支護的支護方案如圖6所示，與原支護結構參數(shù)對比見表2。

圖6 “錨網噴＋鋼管混凝土支架＋柔性均壓卸壓層”復合支護斷面圖/mm

表2 原支護結構與復合支護結構參數(shù)對比表

3.3 承壓環(huán)支護穩(wěn)定性校核

根據(jù)2.2節(jié)的深部巷道承壓環(huán)穩(wěn)定性判據(jù)進行承壓環(huán)的穩(wěn)定性驗算，先進行鋼管混凝土承載力計算。

3.3.1 鋼管混凝土支架承載力計算

支護方案中的主承載體為鋼管混凝土支架，鋼管混凝土結構具有良好的軸壓承載性能，鋼管混凝土支架圓弧拱可以將外荷載轉化為軸力，以發(fā)揮鋼管混凝土軸壓承載性能。

(1)鋼管混凝土短柱承載力計算

支架采用外徑為194 mm、壁厚為10 mm的鋼管，材料為20號無縫鋼管，鋼材的屈服極限fs＝215 MPa、鋼管的橫截面積As＝5 777.6 mm2。設計混凝土型號C40，混凝土軸心抗壓強度設計值fc＝19.1 MPa，鋼管內填充混凝土橫截面的凈面積Ac＝23 767 mm2。

依據(jù)極限平衡原理[15]和文獻[16]計算鋼管混凝土短柱軸壓承載力設計值N0，由式(10)表示為

式中θ為套箍指標，θ＝Asfs/Acfc；fs為鋼材的屈服強度，MPa；As為鋼管的橫截面積，mm2；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，MPa；Ac為核心混凝土橫截面積，mm2。

代入相關參數(shù)可得，鋼管混凝土短柱軸壓承載力設計值N0＝2 518.4 kN。

(2)鋼管混凝土支架極限承載力計算

支護狀態(tài)下的鋼管混凝土支架受到不均勻分布的圍巖荷載，處于壓彎狀態(tài)。壓彎作用下的軸力計算需考慮圓弧拱的等效長細比、矢跨比、荷載作用形式和支承條件等折減系數(shù)，由式(11)表示為

式中φl′為考慮等效長細比的折減系數(shù)；φf′為考慮矢跨比、荷載作用形式和支承條件的折減系數(shù)。

依據(jù)文獻[14]，折減系數(shù)φ′＝0.78。則Nu＝1 964.35 kN，即壓彎狀態(tài)下鋼管混凝土支架的軸壓承載力為1 964.35 kN。

3.3.2 承壓環(huán)穩(wěn)定性驗算

(1)承壓環(huán)厚度T計算

根據(jù)承壓環(huán)力學模型，錨網噴支護中錨桿為直徑為22 mm的全螺紋鋼錨桿，其抗拉承載力F＝189 kN、錨桿總長度為L＝2 400 mm、尾部外露長度l＝100 mm、錨桿布置的間排距D＝H＝800 mm、噴射混凝土層厚度t＝100 mm、巷道半徑R＝2 394 mm；結合巖樣室內實驗測得的巖層力學參數(shù)結果，取圍巖重度γ＝26 kN/m3、巖體粘聚力c＝1.2 MPa、內摩擦角φ＝28°。

代入承壓環(huán)厚度計算公式(1)，求得承壓環(huán)厚度T＝1 938 mm。

(2)承壓環(huán)穩(wěn)定性驗算

根據(jù)復合支護設計參數(shù)，鋼管支架間距s＝800 mm，鋼管混凝土支架極限承載力Nu＝1 964.35 kN；圍巖初始應力P0取最大垂向地應力29.75 MPa。代入承壓環(huán)穩(wěn)定性判據(jù)(9)可得:

承壓環(huán)外邊界提供給塑性區(qū)的支護力σrs＝4.2 MPa，承壓環(huán)外邊界上塑性區(qū)施加的圍巖壓力p＝1.5 MPa，滿足σrs≥p，承壓環(huán)結構穩(wěn)定，因此復合支護設計下的承壓環(huán)穩(wěn)定性滿足巷道穩(wěn)定性要求。

4 基于承壓環(huán)強化的復合支護應用分析

陽城煤礦北三深部猴車下山采用的淺底拱圓形鋼管混凝土支架為全封閉支架，對圍巖整體支護效果。支架安裝1年后，除部分巷道出現(xiàn)表層漿皮脫落外，巷道無明顯變形，支架安裝過程和最終安裝效果如圖7所示。

圖7 鋼管混凝土支架支護實施效果圖

采用十字布點法對鋼管混凝土支架進行變形觀測。復合支護方案實施150 d后，支架變形趨于穩(wěn)定，1年內支架兩幫收斂＜100 mm，頂?shù)装逡平浚?0 mm，底鼓問題得到了有效控制，支架變形監(jiān)測如圖8所示。同時，在鋼管混凝土支架全斷面均勻布置壓力盒監(jiān)測支架圍巖間的接觸壓力，監(jiān)測4個多月后，壓力盒數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定，支架的支護反力滿足北三深部猴車下山支護穩(wěn)定要求。

圖8 鋼管混凝土支架變形監(jiān)測曲線圖

5 結論

通過分析陽城煤礦北三深部猴車下山在原錨網索噴支護下的破壞原因，并結合深部巷道承壓環(huán)強化支護理論研究，對巷道進行了支護優(yōu)化，由此得出以下結論:

(1)建立了深部巷道承壓環(huán)穩(wěn)定性判據(jù)，據(jù)此定量分析了主動支護、被動支護和圍巖改性的支護作用，提出了基于承壓環(huán)強化的鋼管混凝土復合支護技術。

(2)基于承壓環(huán)強化支護理論，設計了適用于陽城煤礦北三深部猴車下山的“錨網噴＋鋼管混凝土支架＋柔性均壓卸壓層”復合支護方案，工程實踐表明復合支護設計滿足巷道穩(wěn)定性要求。