頂板圍巖復(fù)雜多變的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案與支護(hù)效果研究

沈英男 趙 斌

（1.中鼎世紀(jì)工程設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000；2.山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

0 引言

某巷道層位選擇在K6灰?guī)r和K7砂巖之間，底板K6灰?guī)r和頂板K7砂巖之間巖層厚度平均在2～3m，巷道高度為3.2m，為此需要破頂板K7砂巖進(jìn)行巷道掘進(jìn)。巷道頂板K7砂巖巖體致密完整，承載能力強(qiáng)，但不同區(qū)段砂巖層厚度變化較大，平均厚度1～2m，部分區(qū)域頂板K7砂巖缺失[1-3]。受掘進(jìn)砂巖及地質(zhì)構(gòu)造影響，K7砂巖變薄區(qū)和缺失區(qū)上層泥巖就會(huì)裸露，該泥巖巖層受風(fēng)化作用和水的影響顯著，具有典型的軟巖特性，穩(wěn)定性差，極易發(fā)生頂板坍塌事故，存在較大的安全隱患。因此，為解決上述問題，根據(jù)該巷道頂板砂巖層厚度和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變的特點(diǎn)，主要針對頂板泥巖進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)研究，以提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1 巷道圍巖特征分析

1.1 巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征

巷道掘進(jìn)過程中，砂巖整體性較好，強(qiáng)度大，對巖體穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響的主要是泥巖。暴露的新鮮泥巖含有大量原生宏細(xì)觀裂隙，宏觀裂縫間距在幾個(gè)厘米范圍內(nèi)。這些宏細(xì)觀裂隙將泥巖分割成大小不一的巖石塊體，徒手或相互用力撞擊即可將泥巖沿其宏觀裂隙折斷[4]，巷幫表面以里0～0.5m范圍內(nèi)泥巖巖體主要表現(xiàn)為沿其宏細(xì)觀裂隙產(chǎn)生劈裂和碎裂破壞特征；在頂板裂隙水、打鉆工程用水及風(fēng)化作用的影響下，頂板泥巖產(chǎn)生風(fēng)化和膨脹變形，進(jìn)一步弱化泥巖的強(qiáng)度，加劇破壞泥巖的完整性，使得巷道表面泥巖更加破碎。

1.2 巷道圍巖力學(xué)參數(shù)特征

通過巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、測試儀對巷道圍巖試樣進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試，得到泥巖的彈性模量、泊松比、天然密度、飽和密度、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等基本物理力學(xué)參數(shù)，為設(shè)計(jì)科學(xué)合理的巷道圍巖支護(hù)方案提供依據(jù)。該地區(qū)砂巖和灰?guī)r巖體完整堅(jiān)硬，對圍巖穩(wěn)定性影響較小，可采取區(qū)域經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算分析，本文主要對泥巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試分析。

對巷道泥巖取樣，巖樣立方塊體最小尺寸不小于15cm，累計(jì)取泥巖立方塊體7塊進(jìn)行參數(shù)測試，測試結(jié)果見表1。

表1 巷道泥巖物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

由表1可知，水對泥巖物理力學(xué)參數(shù)的影響顯著。與自然條件相比，浸水飽和后泥巖的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別降低42%、32%、41%、41%和3%。由此可知，該巷道泥巖軟巖特性比較顯著，受水影響極大。

2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案

綜合考慮巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征和圍巖強(qiáng)度，以及巷道頂板砂巖厚度和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變的特性，以巷道頂板錨固范圍內(nèi)自下而上巖層厚度及構(gòu)造變化程度為指標(biāo)[5]，將巷道圍巖控制類型劃分為砂巖+泥巖正常支護(hù)段（巷道頂板為K7砂巖且厚度≥1m）、砂巖較薄或缺失段（巷道頂板為K7砂巖且厚度<1m）、地質(zhì)構(gòu)造段三類，提出三類頂板圍巖條件的支護(hù)方案，從圍巖分級(jí)角度對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行針對性地設(shè)計(jì)。

2.1 正常地段支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 頂板支護(hù)

錨索：采用1×19股高強(qiáng)度低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絞線剪切而 成，直徑Ф22mm，長 度5300mm和7300mm，型號(hào)SKP22-1/1720×7300（5300），尾部配有高強(qiáng)度鎖具。錨索托盤：采用拱形方托盤，規(guī)格為300×300×16mm。錨索布置：短錨索每排5根，排距1200mm，間距1000mm。長錨索“2-0-2”布置，排距2400mm，間距1700mm，靠幫側(cè)錨索距幫1650mm。網(wǎng)片規(guī)格：采用10號(hào)鐵絲進(jìn)行編制而成的金屬網(wǎng)護(hù)頂，金屬網(wǎng)網(wǎng)片型號(hào)為LW10/35×35-1.4×5.4m，規(guī)格為5.4m×1.4m，網(wǎng)孔規(guī)格為35mm×35mm。

2.1.2 巷幫支護(hù)

錨桿規(guī)格：桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，型號(hào)為MSGLW-500/22×2000，長度2000mm，桿尾螺紋為M24，配套使用調(diào)心球墊及減摩墊圈。錨桿托盤：采用拱型方托盤，托盤規(guī)格為150mm×150mm×10mm。錨桿布置：每排3根錨桿，排距1200mm，錨桿間距1000mm，頂角錨桿距頂500mm，底角錨桿距底800mm。網(wǎng)片規(guī)格：采用10號(hào)鐵絲進(jìn)行編制而成的菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片型號(hào)為LW10/50-3.3×1.2m，規(guī)格為3.3m×1.2m，網(wǎng)孔規(guī)格為50mm×50mm。

2.2 砂巖較薄或缺失地段支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 頂板支護(hù)

錨索：采用1×19股高強(qiáng)度低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絞線剪切而成，直徑Ф22mm，長度6300mm，型號(hào)SKP22-1/1720×6300，尾部配有高強(qiáng)度鎖具。錨索托盤：采用拱形方托盤，規(guī)格為300×300×16mm。錨索布置：排距1000mm，間距1000mm，每排5根錨索，靠幫側(cè)錨索距幫500mm。網(wǎng)片規(guī)格：采用10號(hào)鐵絲進(jìn)行編制而成的金屬網(wǎng)和Ф6.0mm的鋼筋焊接而成的鋼筋網(wǎng)聯(lián)合護(hù)頂。金屬網(wǎng)網(wǎng)片型號(hào)為LW10/50×50（或35×35）-1.2×5.4m，規(guī)格為5.4m×1.2m，網(wǎng)孔規(guī)格為50mm×50mm或35mm×35mm；鋼筋網(wǎng)型號(hào)GW6.0/100-1.2×5.2m，網(wǎng)片規(guī)格為5.2m×1.2m，網(wǎng)孔規(guī)格為100mm×100mm。

2.2.2 巷幫支護(hù)

與正常地段的巷幫支護(hù)參數(shù)相同。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造段支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 頂板淋水段支護(hù)體錨固力滿足要求的相關(guān)參數(shù)

進(jìn)出地質(zhì)構(gòu)造前后10m，頂板淋水段支護(hù)體錨固力滿足要求的相關(guān)參數(shù)主要是頂板支護(hù)和巷幫支護(hù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（1）頂板支護(hù)。錨索規(guī)格：型號(hào)SKP22-1/1720-7300(5300)，延伸率≥7%，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直徑Ф22mm，長度7.3m和5.3m，尾部采用配套的高強(qiáng)度鎖具。錨索托盤：規(guī)格為300×300×16mm高強(qiáng)度拱形可調(diào)心大托盤，力學(xué)性能與錨索索體相一致。錨索布置：短錨索每排5根，排距1m，間距1m。兩排短錨索中間打設(shè)1組2根12#工字鋼錨索，錨索長度7.3m，間距1.7m，錨索均垂直頂板打設(shè)。網(wǎng)片規(guī)格：采用10#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，金屬網(wǎng)網(wǎng)片型號(hào)為LW10/50×50-1.2×5.4m，規(guī)格為5.4m×1.2m，網(wǎng)孔規(guī)格為50mm×50mm。

（2）巷幫支護(hù)。與正常地段的巷幫支護(hù)參數(shù)相同。

2.3.2 頂板淋水段支護(hù)體錨固力不滿足要求

當(dāng)進(jìn)出地質(zhì)構(gòu)造前后10m范圍圍巖破碎、淋水較大導(dǎo)致支護(hù)體可錨性不符合要求時(shí)，采用圍巖噴漿封閉、架設(shè)U型鋼棚的支護(hù)方式，并在地質(zhì)構(gòu)造范圍內(nèi)每間隔5m打設(shè)一個(gè)信號(hào)柱，延伸至影響區(qū)前后10m范圍。

2.3.3 進(jìn)入地質(zhì)構(gòu)造后其他區(qū)域

進(jìn)入地質(zhì)構(gòu)造前后10m后，采用K7砂巖頂板變薄或缺失情況下的支護(hù)設(shè)計(jì)。巷道超高時(shí)，視巷幫條件進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)，并制定補(bǔ)強(qiáng)措施。

3 巷道支護(hù)方案效果分析

3.1 支護(hù)效果數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對支護(hù)設(shè)計(jì)方案的支護(hù)效果進(jìn)行分析。數(shù)值模擬采用的圍巖力學(xué)參數(shù)：泥巖采用表1中所列飽和含水泥巖的各項(xiàng)參數(shù)平均值，砂巖和灰?guī)r的力學(xué)參數(shù)按照區(qū)域經(jīng)驗(yàn)值采用。模擬結(jié)果如圖1所示，數(shù)值模擬最小主應(yīng)力云圖中的藍(lán)色區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力集中區(qū)域。從圖1可清晰地看出，無論是正常地段、K7砂巖較薄或缺失地段，還是地質(zhì)構(gòu)造地段，采用該設(shè)計(jì)方案的巷道頂板均形成了壓力拱效應(yīng)，壓力拱面積較大，表明設(shè)計(jì)的支護(hù)方案對巷道頂板巖層夾持加固效果較好，可有效地抑制頂板的彎曲下沉變形；巷道兩幫同樣形成加固拱效應(yīng)，有效控制了巷幫圍巖變形。由此可知，根據(jù)頂板不同圍巖狀態(tài)針對性提出的分區(qū)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)可有效的控制巷道的圍巖變形，保障巷道的安全穩(wěn)定。

圖1 不同支護(hù)方案下的圍巖第三主應(yīng)力云圖

3.2 支護(hù)效果現(xiàn)場試驗(yàn)分析

在巷道距巷口800m至1400m的600m區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，分別在距離巷口1000m和1200m處布設(shè)綜合測站對支護(hù)效果進(jìn)行觀測和分析。

3.2.1 巷道變形觀測

由圖2巷道圍巖變形趨勢曲線可以看出，巷道掘進(jìn)后的3～4個(gè)月變形最為顯著，5個(gè)月之后巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后巷道最終頂板下沉量不超過40mm，頂?shù)装逡平坎怀^80mm，兩幫移近量不超過100mm，巷道圍巖整體變形較小，巷道處于穩(wěn)定服務(wù)狀態(tài)。

圖2 巷道圍巖變形趨勢曲線

3.2.2 支護(hù)體受力監(jiān)測

綜合測站的巷道錨桿索軸力變化趨勢曲線如圖3所示，從圖3中可清晰地看出，錨桿索軸力隨時(shí)間的增加而增大，一般在巷道掘巷后5個(gè)月左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。錨桿穩(wěn)定后的受力在150kN以內(nèi)，錨索穩(wěn)定后的受力在350kN以內(nèi)，錨桿和錨索受力處于合理的范圍之內(nèi)，均處于安全工作狀態(tài)，確保了巷道的安全穩(wěn)定。

圖3 錨桿索軸力變化趨勢曲線

4 結(jié)束語

根據(jù)巷道泥巖結(jié)構(gòu)特征和泥巖力學(xué)參數(shù)，結(jié)合頂板砂巖層厚度復(fù)雜多變和地質(zhì)構(gòu)造的特性，從圍巖分級(jí)角度提出了三類頂板圍巖條件的巷道錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)方案，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證了支護(hù)效果。數(shù)值模擬結(jié)果表面各方案支護(hù)效果均能滿足規(guī)范要求；現(xiàn)場應(yīng)用該支護(hù)方案后，巷道頂?shù)装逡平坎怀^80mm，兩幫移近量不超過100mm，巷道變形量小；巷道錨桿受力在150kN以內(nèi)，錨索受力在350kN以內(nèi)，錨桿和錨索均處于安全工作狀態(tài)。該支護(hù)設(shè)計(jì)方案確保了巷道的安全穩(wěn)定，取得了良好的支護(hù)效果，可供相關(guān)人員參考。