開(kāi)挖擾動(dòng)下軟巖斜巷破壞及支護(hù)技術(shù)研究

張旭

（山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266000）

0 引 言

西北部地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在煤炭開(kāi)采中經(jīng)常遇到強(qiáng)度低、膠結(jié)差、易風(fēng)化、遇水泥化的軟巖，導(dǎo)致深部?jī)A斜巷道的支護(hù)面臨巨大的困難。因此，深部高應(yīng)力軟巖傾斜巷道的支護(hù)技術(shù)是目前擺在煤炭開(kāi)采工作中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。葉文登、徐營(yíng)等[1]分析了巷道穿層過(guò)程中存在的典型弱結(jié)構(gòu)類(lèi)型及其變形破壞特征，確定了對(duì)不同弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)的具體方案。包海玲[2]利用Ansys 建立了三維數(shù)值模型，研究了軟巖夾層影響下的斜巷變形特征，指出斜巷支護(hù)應(yīng)以頂板、兩幫以及墻角為關(guān)鍵部位。姚祺、楊明[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究表明，二次支護(hù)可有效控制軟巖斜巷的強(qiáng)烈變形，實(shí)現(xiàn)巷道的穩(wěn)定。唐小波[4]針對(duì)斜巷掘進(jìn)過(guò)程中的頂板破碎、錨桿拉斷、施工速度緩慢等問(wèn)題，提出了松軟頂板傾斜巷道掘進(jìn)的優(yōu)化方案。黃克軍、李亮等[5]指出，對(duì)高應(yīng)力軟巖斜巷的支護(hù)需要針對(duì)不同圍巖條件進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計(jì)，錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)能夠較好地控制圍巖變形。還有部分學(xué)者[6-15]分析了軟巖巷道的破壞機(jī)理、變形規(guī)律及支護(hù)原則，并提出相應(yīng)的支護(hù)方案，為高應(yīng)力軟巖區(qū)域穿層斜巷的支護(hù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

目前對(duì)于弱膠結(jié)遇水泥化軟巖斜巷支護(hù)方法的研究，還沒(méi)有形成一套行之有效的體系，對(duì)于該類(lèi)型巷道還缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。以伊犁一礦3煤運(yùn)輸上山為研究對(duì)象，采用FlAC3D 對(duì)其破壞特征與支護(hù)方案進(jìn)行模擬，獲得適合該巷道的最優(yōu)支護(hù)方案，為深部高應(yīng)力軟巖斜巷的支護(hù)與維護(hù)提供參考。

1 概 況

伊犁一礦所在地區(qū)為南北天山及烏孫山之間的盆地中，山脈走向?yàn)闁|西方向，巷道受地應(yīng)力影響較大，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.513～1.621倍。煤層頂?shù)装宓膸r層屬于典型的強(qiáng)度低、膠結(jié)差、易風(fēng)化、遇水泥化的弱膠結(jié)巖層，且煤層的頂?shù)装宥加泻畬?。雖然煤層強(qiáng)度也較低，但煤層不存在遇水泥化的情況，且伊犁一礦的煤層厚度較厚，因此將巷道布置于3 煤層當(dāng)中。3 煤運(yùn)輸上山地面投影位置位于南工廣以北斜坡地帶，地勢(shì)較為平坦，南高北低，地面標(biāo)高+1 150—1 123 m。埋深+362～+442 m，傾角為14°。3 煤層屬弱膠結(jié)軟巖，巷道煤巖具有自穩(wěn)時(shí)間短、變形大、流變特征明顯等特點(diǎn)，并且受較大水平地應(yīng)力的影響，3煤運(yùn)輸上山出現(xiàn)了冒頂、片幫等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全。巷道原支護(hù)參數(shù)如下。

（1） 錨桿：φ20 mm×2 400 mm 左旋無(wú)縱肋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，間排距800 mm×800 mm，拱頂5 根，每幫2 根，其中底角錨桿下扎30°。

（2） 錨索：φ17.8 mm×5 000 mm，自正頂向兩側(cè)按1 600 mm 間距布置，正頂及兩肩窩處錨索取代3 根五花布置錨桿，排距1 600 mm。

（3） 鋼筋網(wǎng)：φ8 mm 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸80 mm×80 mm。

（4） 混凝土：水泥標(biāo)號(hào)425 號(hào)，混凝土強(qiáng)度C20，噴漿厚度150 mm。

2 松動(dòng)圈觀(guān)測(cè)

采用鉆孔電視對(duì)3 煤運(yùn)輸上山進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈觀(guān)測(cè)，7 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷標(biāo)高為+380 m，V1、V2、V3 測(cè)站布置如圖1（a） 所示，在巷道頂板A、左幫B及C 右肩窩鉆孔探測(cè)，直觀(guān)得到巷道圍巖破裂情況，并得到圍巖松動(dòng)圈范圍如圖1（b） 所示。

圖1 運(yùn)輸上山松動(dòng)圈測(cè)站布置Fig.1 Layout of loose ring station for transport uphill

3 煤運(yùn)輸上山進(jìn)行了多個(gè)測(cè)孔的測(cè)試工作，在此僅選每個(gè)測(cè)站處最大的裂隙圖，如圖2 所示，圍巖松動(dòng)圈范圍數(shù)值見(jiàn)表1。3 煤運(yùn)輸上山處于弱膠結(jié)軟巖中，圍巖強(qiáng)度低，承載能力差，受開(kāi)挖影響大；開(kāi)挖后在巷道圍巖形成了較大松動(dòng)圈，3 煤運(yùn)輸上山松動(dòng)圈范圍為0.5~4.7 m。這類(lèi)軟巖長(zhǎng)期受沖擊震動(dòng)影響，巷道開(kāi)挖后不及時(shí)噴漿固化，沖擊震動(dòng)作用對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生極不利的影響，造成圍巖體強(qiáng)度劣化，引起圍巖變形持續(xù)增加，進(jìn)而導(dǎo)致巷道圍巖松動(dòng)圈范圍不斷擴(kuò)大。

圖2 3 煤運(yùn)輸上山松動(dòng)圈觀(guān)測(cè)結(jié)果Fig.2 Observation results of loose circle in No.3 coal transportation uphill

表1 松動(dòng)圈范圍Table 1 The loosening range of the rock

3 深部軟巖斜巷支護(hù)數(shù)值模擬

根據(jù)工程概況及松動(dòng)圈測(cè)試的結(jié)果，針對(duì)3 煤運(yùn)輸上山的支護(hù)設(shè)計(jì)提出2 種對(duì)比方案，數(shù)值模擬方案如圖3 所示。以原支護(hù)方案（a） 為對(duì)照組，方案（b） 在原支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行頂板注漿，采用φ22 mm×5 000 mm 的中空預(yù)應(yīng)力注漿錨索，全長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力150 kN。方案（c） 在方案（b）的基礎(chǔ)上進(jìn)行底板錨注，采用5 根底板錨桿，間排距750 mm×800 mm；采用2 根φ22 mm×4 000 mm 的注漿錨索，分別取代兩側(cè)第二根錨桿，排距1 600 mm。

3.1 數(shù)值模型及參數(shù)

3 煤運(yùn)輸上山所在煤層及頂?shù)装迩闆r建立模型如圖4 所示，共包含25 326 個(gè)節(jié)點(diǎn)，23 000 個(gè)網(wǎng)格。模型底部采取滾支邊界，其他邊界及初始地應(yīng)力條件按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果設(shè)置為Sxx=38.83 MPa，Syy=24.85 MPa，Szz=24.07 MPa，巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 數(shù)值模擬支護(hù)方案Fig.3 Numerical simulation support scheme

圖4 3 煤運(yùn)輸上山數(shù)值模擬模型（半剖）Fig.4 Numerical simulation model of No.3 coal transportation uphill(half section)

表2 煤巖力學(xué)參數(shù)Table 2 Coal rock mechanics parameter

3.2 應(yīng)力分析

3.2.1 垂直應(yīng)力

原巖應(yīng)力中垂直應(yīng)力約為30 MPa，3 種支護(hù)方案下垂直應(yīng)力峰值如圖5 所示，分別為42.16、41.82 和39.49 MPa。隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，巷道兩幫的垂直應(yīng)力集中峰值和頂?shù)装逦恢眯秹簠^(qū)的范圍逐漸減小，說(shuō)明支護(hù)能在一定程度上改善巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，提高巷道的穩(wěn)定性和可靠性。

圖5 垂直應(yīng)力（半剖/MPa）Fig.5 Normal stress(half section/MPa)

3.2.2 水平應(yīng)力

3 種支護(hù)方案下圍巖的水平應(yīng)力集中峰值如圖6 所示，分別為11.73、11.56 和11.41 MPa。隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，巷道頂?shù)装宓乃綉?yīng)力集中范圍有所減小，應(yīng)力集中峰值減??；其中底板水平應(yīng)力集中程度明顯降低，說(shuō)明采取的注漿加強(qiáng)措施，有助于控制巷道底鼓。

3.3 塑性區(qū)分析

巷道的破壞形式以剪切為主，如圖7 所示，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，巷道兩肩和底腳圍巖的塑性區(qū)體積逐漸減小。從支護(hù)的形式來(lái)說(shuō)，錨網(wǎng)索支護(hù)不能從根本上解決軟巖巷道圍巖的破碎，因而有必要采取注漿措施。

圖6 水平應(yīng)力（半剖/MPa）Fig.6 Horizontal stress(half section/MPa)

圖7 巷道塑性區(qū)Fig.7 Roadway plastic zone

3.4 位移分析

位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8 所示。方案a 頂板下沉量為150 mm，兩幫變形量并未得到有效控制；方案b 通過(guò)對(duì)巷道頂板進(jìn)行注漿，能使頂板下沉量降低到100 mm 以下，兩幫收斂量也明顯減少；方案c采用全斷面注漿支護(hù)，巷道兩幫收斂量進(jìn)一步減小，而頂板變形與方案b 基本一致。可以看出，受較大水平地應(yīng)力的影響，支護(hù)初期巷道兩幫變形速度高于頂板；隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，巷道頂板與兩幫變形量逐漸減小，注漿比未注漿支護(hù)對(duì)巷道變形的控制效果更好。

圖8 位移監(jiān)測(cè)Fig.8 Displacement monitoring

綜上所述，注漿加固措施有助于改善巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，減小塑性區(qū)范圍與巷道收斂量；從應(yīng)力、塑性區(qū)、位移等方面分別進(jìn)行方案b 與c的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)方案b 即頂板注漿可達(dá)到減少3 煤運(yùn)輸上山圍巖破壞的效果，從實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性考慮，不必采取巷道全斷面注漿。

4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化與工程應(yīng)用

4.1 3 煤運(yùn)輸上山加固支護(hù)

根據(jù)數(shù)值模擬圍巖控制效果的對(duì)比，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況及考慮經(jīng)濟(jì)因素，針對(duì)3 煤運(yùn)輸上山的支護(hù)問(wèn)題，可采取錨網(wǎng)索噴+頂板錨注的支護(hù)方案。伊犁一礦3 煤運(yùn)輸上山支護(hù)方案如圖9 所示。

圖9 3 煤運(yùn)輸巷巷道支護(hù)Fig.9 Support of No.3 coal transportation roadway

支護(hù)材料參數(shù)和材料如下。

（1） 錨索孔兼做注漿孔：鉆孔深8.0 m，直徑56 mm，排距2 800 mm；間距分別為（弧長(zhǎng)）1 600 mm 和1 800 mm；底板鉆孔深6.0 m，排距2 000 mm，間距1 500 mm（弧長(zhǎng)）。

（2） 錨索：φ22 mm×8 300 mm；拉斷載荷607 kN；排距1.6 m；錨固力為400 kN；預(yù)緊力為250~300 kN。

（3） 錨桿：間排距800 mm×800 mm；錨固段長(zhǎng)度≥1 400 mm；錨固力≥130 kN；預(yù)緊力矩≥400 N·m。

（4） 鋼筋網(wǎng)：選用φ8 mm 鋼筋焊制的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸80 mm×80 mm。

（5） 鋼筋混凝土：雙層鋼筋混凝土，鋼筋直徑φ22 mm，水泥標(biāo)號(hào)425 號(hào)，混凝土強(qiáng)度C25。

4.2 巷道變形觀(guān)測(cè)

為驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性，優(yōu)化支護(hù)方案及參數(shù)，在3 煤運(yùn)輸上山7 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷以下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)踐，對(duì)巷道頂板下沉量和兩幫移近量進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，共布置3 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，測(cè)站D1、D2、D3分別布置在7 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷以下40.5、51.2、80.4 m處，圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10 所示。

圖10 巷道位移監(jiān)測(cè)Fig.10 Monitoring displacement of roadways

由圖10 可以得出，在頂板錨注加固支護(hù)作用下，所有兩幫移近速率小于巷道可視為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)水平支護(hù)結(jié)構(gòu)變形速率（0.15 mm/d），所有測(cè)站頂板下沉速率小于巷道可視為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)變形速率（0.1 mm/d），表明巷道已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。雖然巷道變形量不大，但巷道要達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，為30～50 d。

4.3 鉆孔注漿觀(guān)測(cè)

為判斷注漿參數(shù)選取的合理性，特將注漿效果檢測(cè)孔布置在單個(gè)注漿孔控制范圍最遠(yuǎn)的位置，以判斷漿液擴(kuò)散效果，觀(guān)測(cè)結(jié)果如圖11 所示。對(duì)比加固工程實(shí)施前的觀(guān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0~1 m 灰白色的加固體幾乎貫穿整個(gè)鉆孔，在1~2.4 m 的裂隙基本被加固體充滿(mǎn)，加固后的圍巖恢復(fù)了較好的完整性，圍巖內(nèi)部裂隙和空洞得到有效加固，注漿效果明顯。

圖11 3 煤運(yùn)輸上山7 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷加固測(cè)孔Fig.11 Reinforcement measurement hole of No.7 contact lane in transportation uphill of No.3 Coal Seam

5 結(jié) 論

（1） 3 煤運(yùn)輸上山處于弱膠結(jié)軟巖中，圍巖強(qiáng)度低，承載能力差，在高地應(yīng)力及沖擊振動(dòng)的作用下，松動(dòng)圈不斷擴(kuò)大，在錨網(wǎng)索噴支護(hù)的情況下，巷道變形仍較大。

（2） 數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，巷道的變形量、圍巖最大主應(yīng)力、塑性區(qū)的體積都有所減小，巷道的主要破壞形式為剪切破壞，破壞位置集中在巷道兩肩和底腳，采用錨網(wǎng)索噴+頂板錨注的支護(hù)方案可以維持巷道的穩(wěn)定性。

（3） 注漿后漿液擴(kuò)散范圍大，松散巖塊被黏聚為整體，形成高強(qiáng)度的承載結(jié)構(gòu)，該承載結(jié)構(gòu)一方面為錨桿提供承載力，充分發(fā)揮錨桿的懸吊作用，另一方面主動(dòng)對(duì)其上覆巖層進(jìn)行支撐，有效控制巷道頂板，工程實(shí)驗(yàn)效果明顯。