深部鄰近硐室群圍巖注錨一體化加固技術(shù)

鄭 陽，楊龍威，楊世府

（1.青島市技師學(xué)院，山東 青島 266000；2. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京100083）

0 引言

近年來，隨著我國煤礦開采深度的增加，“五高兩擾動”等[1]技術(shù)問題日益突出，深部軟巖巷道隨之迎來頂板、底鼓、水、松動圈較大、地應(yīng)力復(fù)雜、非對稱線性大變形等[2-3]一系列災(zāi)害，增加了對深部資源開采的難度。井底車場是礦井的樞紐，擔(dān)負(fù)任務(wù)多，為滿足全礦井的各類需求，其開挖硐室較多且距離近，因此造成鄰近硐室群及巷道圍巖破壞嚴(yán)重[4]。針對松軟破碎硐室群破壞問題，康紅普等提出了一種深孔高壓注漿組合支護(hù)技術(shù)[5]；何滿潮等根據(jù)現(xiàn)場觀測提出對交叉硐室按照不同開挖順序以減少其變形破壞[6]；趙呈星等提出了混凝土噴射+注漿錨桿/錨索聯(lián)合支護(hù)方案[7]對回風(fēng)石門進(jìn)行修復(fù)；鄧廣哲等針對深部軟巖大變形巷道提出了錨注一體化支護(hù)技術(shù)，能夠有效控制圍巖大變形[8]；潘浩等對深部水倉硐室群圍巖偏應(yīng)力進(jìn)行了分析并提出采用強(qiáng)力錨網(wǎng)索和厚層U 型混凝土聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[9]；楊仁樹等針對支護(hù)復(fù)雜巖層大斷面硐室群提出“強(qiáng)柱固底”的加固支護(hù)方案[10]。姜鵬飛等在引進(jìn)自主研發(fā)的基礎(chǔ)上，形成了包括支護(hù)材料與構(gòu)件等一體的錨架充協(xié)同控制技術(shù)[11]。此外，還有眾多學(xué)者通過彈性力學(xué)方法分析頂板破斷規(guī)律，提出了針對破壞巷道的聯(lián)合支護(hù)方式[12-14]，對巷道圍巖控制起到關(guān)鍵性作用。康紅普對煤礦巷道支護(hù)加固材料與構(gòu)件之間存在的問題進(jìn)行了分析，并指明了下一步研究方向。

以上學(xué)者針對深部軟巖受損巷道提出了眾多可靠的支護(hù)手段，然而，對于深部高應(yīng)力破碎頂板鄰近硐室群破壞巷道，缺乏針對性研究其破壞機(jī)理及支護(hù)方式。本文通過現(xiàn)場觀測及數(shù)值模擬，分析五陽礦擴(kuò)區(qū)井底車場北側(cè)鄰近硐室群變形破壞機(jī)理，運(yùn)用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件模擬在硐室開挖后巷道圍巖變形情況，提出注錨一體化加固技術(shù)對破壞巷道進(jìn)行支護(hù)及修復(fù)，以確保深井大斷面硐室群圍巖長期穩(wěn)定。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

五陽煤礦隸屬山西潞安，產(chǎn)量為3.0 Mt/a，井底車場擴(kuò)區(qū)工程在天倉向斜軸部，長約15 km，擴(kuò)區(qū)工程內(nèi)長4 km，呈緩“S”型展布。

各硐室布置在井底車場北側(cè)，依次為操控硐室、液壓站室、拉緊硐室。其中操控硐室斷面寬×高=5500 mm×4850 mm，掘進(jìn)斷面積23.43 m2；液壓站室斷面寬×高=5500 mm×3850 mm，掘進(jìn)斷面積23.74 m2；拉緊硐室寬×高=3200 mm×3200 mm，掘進(jìn)斷面積9.14 m2，形成了大斷面硐室群，相互影響。井底連接處平面布置如圖1 所示。

圖1 井底連接處平面示意Fig.1 Bottom-hole connection plan

擴(kuò)區(qū)井底車場位于3 號煤層下方約26 m 處，巷道穿過的巖層有砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、泥巖。巖層破碎，整體穩(wěn)定性較差且層理發(fā)育，劃分為Ⅴ級不穩(wěn)定巖體。巷道煤巖層及地層綜合柱狀圖如圖2所示。

1.2 硐室群圍巖破壞狀況

擴(kuò)區(qū)井底車場新建硐室群開挖后，由于巷道穿過砂質(zhì)泥巖、薄層泥巖等穩(wěn)定性較差、巖體破碎、層理發(fā)育的巖層，導(dǎo)致在掘進(jìn)巷道時(shí)片幫、冒頂現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)。頂板最大冒落高度超出原有設(shè)計(jì)巷道掘進(jìn)高度的1200 mm，平均冒頂高度在600 ～800 mm，巷道成型極差。

掘進(jìn)巷道埋深約760 m，導(dǎo)致地壓大，其井底連接處開口處砌碹支護(hù)段混凝土出現(xiàn)局部開裂、掉皮掉渣現(xiàn)象。

局部地區(qū)頂板來壓較大，導(dǎo)致多根錨索崩斷，錨具退錨失效，且一次支護(hù)段噴漿層不同程度發(fā)生裂縫、掉塊及墻部開裂脫落。

擴(kuò)區(qū)井底車場北側(cè)繞道段巖層為泥巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖互層，巖性較軟，在掘進(jìn)時(shí)頻繁發(fā)生片幫冒頂。

綜上，破壞巷道在支護(hù)完畢4 個(gè)月后，凈尺寸最小點(diǎn)僅比設(shè)計(jì)凈尺寸大180 mm，巷道內(nèi)噴漿層開裂較為嚴(yán)重。

1.3 鄰近硐室群原支護(hù)方式

擴(kuò)區(qū)井底車場硐室原支護(hù)方式采用錨網(wǎng)索噴+雙鋼筋梯子梁+鋼筋混凝土砌碹支護(hù)（操控硐室和液壓站室），錨網(wǎng)索噴+雙鋼筋梯子梁支護(hù)（拉緊硐室）。

采用支護(hù)方案后，硐室群圍巖仍發(fā)生較為嚴(yán)重的變形，修護(hù)困難，對圍巖穩(wěn)定性控制效果欠佳。

2 硐室群破壞現(xiàn)狀數(shù)值模擬

2.1 模型建立

（1） 根據(jù)礦井設(shè)計(jì)資料，對擴(kuò)區(qū)井底車場硐室群進(jìn)行數(shù)值模擬建立，如圖3 所示。

圖3 硐室群有限元模型Fig.33D finite element model of cavern group

（2） 模型尺寸。模型長80.0 m，寬4.2 m，高69.0 m，巷道斷面為半圓拱形，巷道穿過中粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖和泥巖。

（3） 參數(shù)賦值。模型水平方向固定，底部邊界固定，上邊界施加均布載荷，原巖應(yīng)力按照計(jì)算，模型上邊界施加19 MPa 壓應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)取1.2，重力加速度取10 m/s2，根據(jù)五陽礦擴(kuò)區(qū)井底車場附近圍巖地質(zhì)條件，固定除上邊界外各邊界計(jì)算，使模型達(dá)到平衡狀態(tài)。

2.2 初始巷道開挖分析

根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)合數(shù)值模擬對硐室群開挖后破壞情況進(jìn)行分析。

開挖巷道埋深為-760 m，垂直方向施加20.5 MPa 的均布載荷，水平方向施加24.6 MPa 的均布載荷，施加重力場后進(jìn)行開挖分析。初始開挖后巷道垂直應(yīng)力分布如圖4 所示，巷道圍巖塑性區(qū)破壞如圖5 所示。

由圖4 可知，硐室群巷道開挖后，由于頂?shù)装宕怪睉?yīng)力集中，導(dǎo)致其頂板破壞嚴(yán)重，且由于該硐室群埋深大，存在水平應(yīng)力作用，導(dǎo)致在巷道周圍有集中應(yīng)力的產(chǎn)生。

圖4 初始開挖硐室群垂直應(yīng)力Fig.4 Initial excavation chamber group vertical stress

由圖5 可知，位于擴(kuò)區(qū)井底車場的操控硐室與液壓站室距離僅為3.5 m，導(dǎo)致其塑性區(qū)破壞嚴(yán)重，巷道周圍存在較薄松動圈，在松動圈后出現(xiàn)范圍較大塑性區(qū)疊加區(qū)，兩硐室開挖后互相影響，頂板塑性區(qū)破壞深度達(dá)3.1 m，兩幫達(dá)到4.4 m，底板破壞范圍較小，對巷道圍巖控制影響不大，鄰近硐室間窄巖柱塑性區(qū)破壞較大且受擠壓變形嚴(yán)重。

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)破壞Fig.5 Plastic zone failure of surrounding rock of roadway

2.3 硐室群破壞機(jī)理

通過數(shù)值分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，導(dǎo)致硐室群破壞主要原因有4 個(gè)：①鄰近硐室間距過小，硐室間煤柱過窄，且受兩側(cè)硐室集中應(yīng)力影響導(dǎo)致破壞嚴(yán)重；②硐室群位于擴(kuò)區(qū)井底車場，服務(wù)年限長，支護(hù)困難，無法長時(shí)間服務(wù)礦井；③五陽礦擴(kuò)區(qū)井底車場鄰近硐室群巷道圍巖復(fù)雜、穿層較多，圍巖巖性由軟到硬，導(dǎo)致巷道頂?shù)装鍛?yīng)力分布復(fù)雜，且施工難度大；④新建擴(kuò)區(qū)井底車場構(gòu)造復(fù)雜，附近開挖工作較多，容易造成采動影響，不利于硐室群穩(wěn)定。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)對比

3.1 一次支護(hù)原則及錨桿索參數(shù)

錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次支護(hù)以及維護(hù)巷道。巷道圍巖一旦揭露立即支護(hù)，效果最佳，在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護(hù)效果會受到顯著影響。錨桿索一次支護(hù)方案如圖6 所示。

圖6 原支護(hù)方案Fig.6 Original support plan

（1） 支護(hù)材料。錨桿采用MSGW-500/22 mm×2400 mm 高強(qiáng)樹脂錨桿，錨索材料為SKP22-1×19/1860，長度為8300 mm。

（2） 錨固材料。錨桿配用MSK2335 和MSZ2360 型樹脂錨固劑，拱形高強(qiáng)度托盤。

（3） 支護(hù)施工。錨桿間排距800 mm×800 mm，預(yù)應(yīng)力不小于80 kN；錨索間排距為1600 mm×800 mm，預(yù)應(yīng)力不低于150 kN。

3.2 錨桿索一次支護(hù)數(shù)值模擬分析

根據(jù)礦井原數(shù)據(jù)資料進(jìn)行數(shù)值分析，其錨桿軸向力云圖及圍巖最大主應(yīng)力云圖如圖7、圖8 所示。

圖7 錨桿索軸向應(yīng)力云圖Fig.7 Axial stress cloud diagram of anchor cable

圖8 一次支護(hù)最大主應(yīng)力云圖Fig.8 Cloud diagram of maximum principal stress of primary

針對概礦破壞巷道，頂板破壞較為嚴(yán)重，原支護(hù)方案中錨桿索預(yù)應(yīng)力不足以控制上覆圍巖荷載。

支護(hù)體系無法形成壓縮承載拱結(jié)構(gòu)，無法與圍巖形成承載整體，從而對上覆巖層支撐達(dá)不到理想效果。

3.3 加強(qiáng)支護(hù)方案

針對五陽礦硐室群巷道破壞情況，結(jié)合原支護(hù)方案，提出注錨一體化加固技術(shù)對其破壞巷道進(jìn)行二次加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)方案如圖9 所示。

圖9 加強(qiáng)支護(hù)方案圖Fig.9 Reinforcement support scheme drawing

（1） 錨桿采用MSGW-500/22×2400 mm 高強(qiáng)樹脂錨桿，錨索材料為SKP22-1×19/1860，長度為8300 mm，注漿錨索采用SKZ29-1/1770-6600，長度為9300 mm。

（2） 每排錨桿數(shù)目確定為16 個(gè)，錨索為7個(gè)，注漿錨索為8 個(gè)。

（3） 錨桿預(yù)應(yīng)力不低于100 kN，錨索預(yù)應(yīng)力不低于200 kN。

3.4 加強(qiáng)支護(hù)方案數(shù)值模擬分析

根據(jù)分析，五陽礦擴(kuò)區(qū)井底車場鄰近硐室群原支護(hù)方案無法保障礦井安全高效生產(chǎn)，采用加強(qiáng)支護(hù)方案后數(shù)值模擬分析如圖10 所示。

圖10 加強(qiáng)支護(hù)最大主應(yīng)力云圖Fig.10 Cloud diagram of maximum principal stress of strengthened support

（1） 采用加強(qiáng)支護(hù)方案后，在錨桿支護(hù)區(qū)內(nèi)距巷道頂板1.4 m 內(nèi)形成完整壓縮承載拱結(jié)構(gòu)，在錨索支護(hù)區(qū)5m 內(nèi)形成完整承載壓縮拱。

（2） 中空注漿錨索全長錨固后，在距離巷道9.5 m 內(nèi)形成較為完整支護(hù)承載結(jié)構(gòu)，對深層巷道圍巖起到較好的控制作用。

3.5 加強(qiáng)支護(hù)應(yīng)用效果

在采用加強(qiáng)支護(hù)方案后，在井下布置測點(diǎn)，分別對修復(fù)后硐室群巷道頂板、底板、兩幫移近量進(jìn)行監(jiān)測。巷道圍巖收斂量如圖11 所示。

圖11 巷道圍巖收斂量Fig.11 Convergence of roadway surrounding rock

在使用加強(qiáng)支護(hù)方案后，井下觀測60 d，對兩幫、拱頂以及底板收斂量進(jìn)行記錄，可以得出：在使用加強(qiáng)支護(hù)方案30 d 左右，頂板收斂量達(dá)到峰值140 mm 后趨于穩(wěn)定，底板收斂量達(dá)到峰值120 mm 后趨于穩(wěn)定，40 d 后兩幫收斂量達(dá)到峰值130 mm 后趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1） 通過數(shù)值模擬對支護(hù)前后方案對比分析得出：①原支護(hù)方案支護(hù)使用后無法與上覆巖層形成承載結(jié)構(gòu)，對巷道變形起不到關(guān)鍵控制作用；②使用加強(qiáng)支護(hù)方案后，可與圍巖形成三級承載結(jié)構(gòu)，即淺層壓縮拱（1.4 m）、中層壓縮拱（5.0 m）及深層支護(hù)承載結(jié)構(gòu)（9.5 m），能夠有效提高圍巖體強(qiáng)度值，控制圍巖變形破壞。

（2） 加強(qiáng)支護(hù)方案對鄰近硐室群間窄巖柱應(yīng)力集中現(xiàn)象有大幅削減，巖柱殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度得到提高，控制了整體巷道片幫、起底、冒頂?shù)葹?zāi)害。

（3） 采用注錨一體化控制技術(shù)，改加長錨索為注漿錨索，進(jìn)一步對深部圍巖形成拱結(jié)構(gòu)，且將頂板及兩幫最大收斂量分布控制在140 mm 和130 mm 左右，底板最大收斂量控制在120 mm，縮短變形周期，利于井底車場硐室群服務(wù)于礦井生產(chǎn)。