軟巖巷道變形破壞特征及錨注一體化支護技術

魏世明，靳夢帆，祿鑫琰，張澤升

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467000)

隨著煤礦開采深度的不斷增加，各種工程災害也日趨增多，對深部資源的安全高效開采造成了巨大威脅[1-3]。深部巷道具有地應力高、圍巖松軟破碎、變形速度大、變形量大等明顯特征[4，5]，為支護設計帶來嚴重困難，特別是對于服務年限較長的煤礦基建硐室，其斷面尺寸相對較大，若支護設計不合理，其圍巖變形甚至可使硐室完全閉合[6，7]。針對于深部軟巖支護的工程問題，采用常規(guī)錨桿、錨索或U型鋼棚、O型棚等被動支護[8，9]，已經(jīng)無法滿足圍巖控制的要求，巷道變形破壞嚴重，維護成本高，甚至出現(xiàn)前掘后修的情況，嚴重制約了礦區(qū)高產(chǎn)高效的發(fā)展[10，11]。對此，研究人員提出了采用高強錨注一體化支護技術來解決復雜困難條件下的巷道支護問題[12-18]。

但針對不同的地質(zhì)條件，圍巖變形特征不同，支護方案、錨注參數(shù)等均有較大差別，因此，針對特定條件下的軟巖巷道進行圍巖變形特征分析及錨注技術的應用研究很有必要。平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦(以下簡稱“平煤十礦”)-320m第二變電所位于-320m水平東、西大巷交匯處的三角地帶，巷道全長79m，布置在戊8煤層頂板的砂質(zhì)泥巖中。近年來由于礦壓顯現(xiàn)，巷道底板、兩幫出現(xiàn)大變形，頂、幫裂隙明顯，雖已對巷道進行了多次大規(guī)模維修或局部挑頂，但并不能從根本上控制圍巖變形，給礦井的安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患[19]。本文研究高強錨注一體化支護技術在該類巷道中的應用，以從根本上實現(xiàn)軟弱、破碎圍巖巷道難以支護和破壞深度大的問題。

1 平煤十礦-320m第二變電所變形破壞特征

該巷道原采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護，采用?20mm×2200mm等強樹脂錨桿，間排距700m×700m，掛網(wǎng)使用900mm×2900mm冷拔絲金屬網(wǎng)，噴層厚度100mm。巷道受采動影響較大，已歷經(jīng)多次翻修，如擴幫、拉底恢復等。經(jīng)打鉆測定，巷道圍巖松動圈大于3m，錨桿長度小于松動圈范圍，導致巷道原支護完全失去效果。由現(xiàn)場觀測可知，巷道各區(qū)段位置變形差別較大，這是巖性不同所導致，雖然個別區(qū)域變形較小，但大部分區(qū)域變形嚴重，底板、兩幫出現(xiàn)了大變形，拱形頂和肩的位置出現(xiàn)裂隙，最寬達50mm。為進一步準確掌握變電所頂板圍巖裂隙發(fā)育的程度，利用鉆孔窺視儀對各深度巖層裂隙發(fā)育狀況進行了觀測。

觀測結(jié)果表明，-320m第二變電所圍巖裂隙發(fā)育較多，且垂直于巖壁發(fā)育，縱向裂隙較少。0～2.4m之間裂隙較少，僅個別處出現(xiàn)裂隙，呈現(xiàn)細長條狀，這是由于原支護所采用的長度為2.2m的錨桿維護了巷道淺層圍巖的完整性；2.5～5.8m 之間裂隙明顯增多，巖體較破碎，裂隙粗且長，這是由于原支護中的錨桿長度不足導致圍巖受壓出現(xiàn)裂隙，且壓力向里層傳遞，使裂隙逐漸發(fā)育；6.2～6.9m裂隙發(fā)育程度明顯降低，圍巖壓力向里傳遞時層層減弱，至6.2m的深度后壓力已不足以破壞巖體。

對-320m第二變電所軟弱圍巖變形破壞特征、大變形破壞機理進行總結(jié)分析：

1)掉塊。巷道本身處于砂質(zhì)泥巖中，強度較低且巷道圍巖中存在大量裂隙，其受掘進影響后裂隙進一步發(fā)育，受重力、水或相鄰作業(yè)擾動影響，巖體完整性趨向于不良發(fā)育，巖體或巖屑松動、掉落。

2)膨脹破壞。砂質(zhì)泥巖中含有大量遇水膨脹的成分，巷道掘進后應力重新分布，裂隙進一步發(fā)育，導致巷道與水接觸。圍巖遇水膨脹，強度降低，從而產(chǎn)生膨脹性破壞，進而導致巷道向內(nèi)收斂，斷面變小，錨噴網(wǎng)支護的噴網(wǎng)層產(chǎn)生破壞，外部噴層受巖壁擠壓影響從巖壁剝離。

3)底板穩(wěn)定性差。由于對-320m第二變電所進行支護設計時未對巷道底角和底板采取任何支護措施，因此，當巷道拱頂受壓的荷載向兩幫和底板傳遞時，直接導致了巷道底板和底角處的應力集中現(xiàn)象，從而引發(fā)巷道底板底鼓、底角破壞，巷道底板失穩(wěn)后兩幫和拱頂?shù)膲毫M一步增大，產(chǎn)生惡性循環(huán)，最終導致巷道支護結(jié)構全面破壞。個別區(qū)域的巷道底鼓量甚至達到1000mm。

4)原支護方式與圍巖變形特征不匹配。-320m第二變電所原支護采用的為錨網(wǎng)噴支護，錨桿尺寸為?20mm×2200mm等強樹脂錨桿，端頭錨固型。從支護機理而言，該類型錨桿與巷道圍巖的破碎軟弱特性不相匹配，特別是當圍巖變形量高于400mm時錨桿就會失去錨固力。而當個別錨桿失去錨固力時就會使支護跨度增大，進而導致周邊錨桿受力增加并破壞，進而導致該區(qū)域圍巖變形加劇，并最終造成巷道整體支護系統(tǒng)的毀滅性破壞。

根據(jù)上述分析，為解決平煤十礦-320m第二變電所支護困難的問題，首先就是要提高該區(qū)域破碎、軟弱巖體的殘余強度，并對底板和底角進行加固處理，改變該巷道圍巖的變形破壞規(guī)律，因此，適合采用高強錨注一體化支護技術。

2 錨注一體化支護方案數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D模擬軟件與原支護效果進行對比分析，以驗證錨注支護參數(shù)的可行性。模型尺寸為79m×30m×90m(長×寬×高)，變電所為直墻半圓拱，斷面尺寸為6m×4m。結(jié)合實際地質(zhì)情況，煤巖物理力學參數(shù)見表1。模型的四周側(cè)面和底部固定，按實際埋深480m施加應力，上覆巖層容重取25kN/m3。

表1 煤巖力學參數(shù)

模擬時選擇原支護與高強錨注一體化支護方案相對比。對原支護方式進行模擬時，選擇與現(xiàn)場相一致的支護方案，即采用?20mm×2200mm的等強樹脂錨桿，間排距為700mm×700mm，未對巷道底板進行處理，單排錨桿數(shù)量為15根。采用高強錨注一體化支護時，具體參數(shù)為：選擇高強樹脂錨桿，參數(shù)為?20mm×2000mm，間排距為700mm×700mm，底板布置無高強錨桿，單排錨桿數(shù)量為15根；注漿錨桿的參數(shù)為?25mm×2600mm，間排距為1400mm×700mm，注漿錨索的參數(shù)為?22mm×7300mm，間排距為1400mm×700mm，注漿錨桿、錨索交替布置于高強錨桿每排的中間，單排注漿錨桿9根，注漿錨索8根；底板使用?25mm×2600mm注漿錨桿，間排距為1000mm×700mm，單排底板注漿錨桿5根。通過提高注漿區(qū)域部分強度參數(shù)以實現(xiàn)注漿過程的模擬[20，21]，提高后的力學參數(shù)為：密度2400kg/m3，剪切模量3.42GPa，體積模量7.0GPa，抗拉強度1.3MPa，內(nèi)聚力2.3MPa，內(nèi)摩擦角20°。

垂直應力分布的模擬結(jié)果如圖1所示。由圖1(a)可知，在原支護條件下，巷道周圍應力集中明顯且應力影響范圍較廣；由圖1(b)可知，在采取高強錨注一體化支護時，應力影響范圍明顯縮小，但巷道周圍的應力集中程度反而有所增大，這主要是由于原支護時，根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果，錨桿承載范圍以內(nèi)的圍巖較完整，所以應力集中明顯，但承載范圍以外的圍巖破碎嚴重，難以形成有效的承載體，故應力集中程度較低，而錨注一體化支護由于使用了錨索且對兩幫及底板進行了注漿加固，加固能力強且加固范圍廣，大幅度提高了圍巖的承載力，所以應力影響范圍小但應力集中程度有所增大，但總體而言，數(shù)值模擬結(jié)果表明錨注一體化支護對變電所周圍受力有明顯的改善作用。

圖1 垂直應力分布

塑性區(qū)的分布如圖2所示。由圖2可知，在原支護條件下，塑性區(qū)分布范圍大，尤其是底板處最為嚴重，擴散深度達6m以上，在采取錨注一體化技術修復后，圍巖塑性區(qū)范圍較為均勻，擴散深度僅2m，較原支護減少了66.7%，且深部巖體未發(fā)現(xiàn)明顯裂隙分布，底板狀況得到明顯改善，巷道呈現(xiàn)出均勻受壓的狀態(tài)。

圖2 塑性區(qū)分布

3 錨注一體化支護技術實際應用與效果分析

3.1 高強錨注一體化支護技術應用

-320m第二變電所按設計斷面擴修后，分別選取兩段各30m長巷道進行錨噴支護和高強錨注一體化支護的對比試驗，如果錨注一體化效果明顯，則對全巷采取錨注施工[19]。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，高強錨注一體化支護主要分3個階段：①采用錨網(wǎng)噴支護，選用?20mm×2000mm高強樹脂錨桿，間排距為700mm×700mm，采用2900mm×900mm的?4mm鋼筋網(wǎng)護表，對擴幫刷頂后的巷道進行噴漿，初噴厚度不低于100mm，強度C20；②采用錨注一體化支護，對巷道進行二次補強加固。采用?25mm×2600mm中空注漿錨桿和?22mm×7300mm中空注漿錨索對圍巖進行注漿永久支護，間排距為1400mm×700mm，注漿錨桿與注漿錨索位于高強樹脂錨桿排距中間交替布置。中空注漿錨桿預緊力不低于180kN，中空注漿錨索張拉預緊力不低于120kN，采用2900mm×900mm的?4mm鋼筋網(wǎng)護表，復噴噴漿厚度不低于50mm，強度C20。注漿材料為P.O42.5水泥漿液，注漿水灰比為1∶2，并添加8%(質(zhì)量比)ACZ-I型水泥注漿添加劑，注漿壓力頂板及兩幫控制在2～3MPa，底板控制在4～6MPa；二次注漿水灰比為1∶1，并添加8%(質(zhì)量比)ACZ-I型水泥注漿添加劑，注漿壓力控制在4～6MPa；③清理底板后采用混凝土層封閉底板。底板采用?25mm×2600mm中空注漿錨桿，間排距為1000mm×700mm，待施工完成后對底板打地坪，混凝土厚度300mm，強度C30。高強錨注一體化技術支護方案如圖3所示。

圖3 高強錨注一體化支護方案(mm)

3.2 支護效果

對非錨注段和高強錨注一體化支護段巷道的頂?shù)装寮皟蓭褪諗恐颠M行監(jiān)測，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，非錨注段在兩個月內(nèi)收斂值達到了近300mm，并且從趨勢看仍呈近似線性增長，50d后仍未穩(wěn)定，而采用高強錨注一體化支護段巷道在40d以后即趨于穩(wěn)定，兩幫及頂?shù)装寤緹o變形，變化量僅在23mm左右，因此，采用高強錨注一體化支護段巷道穩(wěn)定性遠大于非錨注段?，F(xiàn)場擴修后對-320m第二變電所再采用高強錨注一體化技術修復后效果明顯。

圖4 -320m第二變電所兩幫、頂?shù)装迨諗恐祵Ρ?/p>

4 結(jié) 論

1)平煤十礦-320m第二變電所處在砂質(zhì)泥巖中，圍巖強度低、裂隙發(fā)育、遇水膨脹，屬典型的軟巖巷道，且由于該巷道現(xiàn)有支護方式不能與圍巖變形相適應，因此經(jīng)常性地出現(xiàn)底腳破壞、底鼓嚴重、兩幫移近明顯等破壞特征，因此，對巷道采用高強錨注一體化支護進行徹底修復顯得尤為必要。

2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用高強錨注一體化支護后，應力影響范圍、頂板下沉、底鼓及兩幫移近量與原支護相比均有明顯的下降，底板塑性區(qū)深度也由原支護的6m降低為2m左右，數(shù)值模擬結(jié)果驗證了高強錨注一體化支護技術的有效性。

3)實際采用高強錨注一體化支護技術后，巷道在40d左右即達到穩(wěn)定，兩幫及頂?shù)装寤静辉僮冃?，維持在23mm左右，而非錨注段巷道60d后變形量達到300mm左右且仍呈線性增加，表明在該條件下采用高強錨注一體化支護技術具有明顯的效果。