深井破碎圍巖巷道協(xié)同支護技術(shù)研究與應(yīng)用

楊東啟，劉建莊，王盛川，李 準(zhǔn)，薛福祥

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063210)

我國煤炭資源豐富，累計探明煤炭資源儲量1.4萬億t，而埋深1000m以上的煤炭資源占近50%。雖然在國家政策影響下，煤炭資源消費占比有所下降，但仍占我國能源消費總量的一半以上，短時間內(nèi)煤炭資源在我國能源消費結(jié)構(gòu)中的重要地位不會改變。經(jīng)過數(shù)十年的開采，我國淺部煤炭資源難以滿足社會發(fā)展需求，這也決定深部煤炭資源開采勢在必行[1-5]。復(fù)雜地應(yīng)力場、高巖溶水壓、低強度軟碎圍巖對我國煤礦職工生命安全、礦井建設(shè)、煤炭生產(chǎn)運輸帶來嚴(yán)重的威脅，深部煤炭資源開采將面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[6-10]。

近年來國內(nèi)學(xué)者圍繞破碎圍巖支護問題，開展研究并取得一系列成果，尤其是聯(lián)合支護技術(shù)在破碎圍巖巷道的應(yīng)用[11-14]。張璨等[15]將超強錨桿、改良U型鋼、錨噴注技術(shù)結(jié)合，模擬并對比分析不同支護方式下圍巖變形情況，提出噴錨注支護技術(shù)進(jìn)行圍巖控制，為解決高地應(yīng)力軟碎巷道大變形問題提供技術(shù)參考。張宏學(xué)等[16]建立U型鋼支架、錨索協(xié)同支護模型，運用理論計算、FLAC3D數(shù)值模擬對模型分析，結(jié)果表明，錨索間距與巷道斷面、埋深及側(cè)壓系數(shù)有關(guān)，合理設(shè)計錨索間距可減小巷道變形、塑性區(qū)面積及U型鋼支架最大彎矩。單仁亮[17]等運用勘測、理論分析以及模擬的方法，對比分析原有支護方案及優(yōu)化后的錨桿索同排布置方案，結(jié)果表明，新支護方案有效的降低巷道變形，提高圍巖承載力，為控制巷道變形提供依據(jù)。

本文以河北唐山礦運輸巷支護為研究背景，提出架棚、錨桿(索)和注漿(后稱“棚錨注”)協(xié)同支護方案，運用數(shù)值模擬對比分析常規(guī)錨網(wǎng)噴支護、錨注支護及棚錨注協(xié)同支護對控制巷道變形的作用，結(jié)合工程試驗驗證選定支護方案的合理性、有效性，為實現(xiàn)破碎圍巖巷道穩(wěn)定支護提供一定指導(dǎo)作用，為礦井建設(shè)、煤礦安全生產(chǎn)保駕護航。

1 工程背景

1.1 工程現(xiàn)狀

河北唐山礦運輸巷埋深-950m，自重應(yīng)力超過23MPa，巷道斷面設(shè)計為直墻半圓拱形，斷面尺寸為5.0m×3.6m，工程量共計280m，原支護方式為錨桿、錨索、托盤及金屬網(wǎng)片組合的常規(guī)錨網(wǎng)噴支護，錨桿采用?22mm×2200mm等強螺紋鋼樹脂錨桿，間排距為800mm×800mm，幫頂錨桿參數(shù)相同，金屬網(wǎng)片由直徑大于等于6.0mm的鋼筋焊接而成，規(guī)格1.2m×1.7m，錨桿托板規(guī)格150mm×150mm×10mm。在開門交叉點、頂板破碎等薄弱點位補打一排?17.8mm×6300mm錨索。水泥采用P.O42.5硅酸鹽水泥，噴射強度為C20混凝土，噴漿厚度大于80mm。常規(guī)錨網(wǎng)噴支護如圖1所示，各煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)性質(zhì)參數(shù)及特征見表1。

圖1 常規(guī)錨網(wǎng)噴支護方案(mm)

表1 各煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)性質(zhì)參數(shù)及特征

在原支護方式下，巷道短期內(nèi)就出現(xiàn)了不同程度的支護失穩(wěn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為巷道變形、底鼓嚴(yán)重、架棚扭曲、卡纜崩脫、錨桿脫錨等。

1.2 圍巖破碎特征分析

采用ZXZ20-Z礦用鉆孔成像儀對軌道巷頂板及兩幫進(jìn)行鉆孔窺視，分析頂幫的裂隙發(fā)育程度、圍巖穩(wěn)定性等特征，鉆孔窺視成像如圖2所示。

圖2 頂幫鉆孔窺視成像

從圖2(a)所示頂板窺視圖可以看出，在2.5m處鉆孔較平滑，圍巖節(jié)理較發(fā)育明顯，可見數(shù)條橫向裂隙，圍巖整體狀況完整，但隨著鉆孔深入，在7.6m處鉆孔出現(xiàn)較大空腔，圍巖破碎嚴(yán)重，裂隙充分發(fā)育；由圖2(b)、(c)可以看出兩幫圍巖破碎情況整體表現(xiàn)類似，孔深4m左右圍巖呈較破碎狀態(tài)，可見圖示鉆孔左側(cè)有明顯的破碎區(qū)，在6m左右兩幫圍巖又呈破碎狀，上幫鉆孔保持完整但裂隙急劇發(fā)育，下幫鉆孔破碎嚴(yán)重，較長范圍內(nèi)形成直徑約80mm的空腔。綜上所述，該巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，兩幫圍巖破碎情況更為嚴(yán)重，易導(dǎo)致巷道圍巖變形失穩(wěn)，因此為解決破碎圍巖巷道支護問題，開展棚錨注協(xié)同支護技術(shù)研究，豐富深井破碎圍巖巷道支護方案。

2 支護方案數(shù)值模擬研究

2.1 計算模型

為解決該運輸巷支護所面臨的種種問題，以錨固強化運輸巷圍巖為原型，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對常規(guī)錨網(wǎng)噴支護、錨注支護及棚錨注協(xié)同支護技術(shù)展開模擬分析。經(jīng)條件比對和簡化，取前述頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬參數(shù)賦值，模型斷面規(guī)格為60m×60m，軸向長度8m，巷道圍巖模擬參數(shù)[18]如下：彈性模量為26.7GPa，泊松比取值0.275，軟化參數(shù)選取包括內(nèi)摩擦角、粘聚力、抗拉強度和剪脹角，軟化塑性應(yīng)變分界值為15.0×10-3。巖體按均勻自重應(yīng)力大小施加，密度為2.5×103kg/m3。模型上部表面為自由面，施加垂直應(yīng)力，與實測地應(yīng)力方向保持一致，底面邊界施加固定約束，在X向左右邊界和Y向前后邊界施加滾軸約束。錨桿(索)參數(shù)見表2。

表2 錨桿(索)模擬參數(shù)

2.2 支護方案模擬及分析

2.2.1 常規(guī)錨網(wǎng)噴支護模擬

常規(guī)錨網(wǎng)噴支護主要應(yīng)用在巖性較為堅硬的中砂巖、砂巖地段，原支護方式為錨桿、錨索、托盤及金屬網(wǎng)片組合支護，常規(guī)錨網(wǎng)噴支護下塑性區(qū)-應(yīng)力分布情況如圖3所示。

圖3 常規(guī)錨網(wǎng)噴支護塑性區(qū)-應(yīng)力分布

由圖3可知，在該支護方式下塑性區(qū)及應(yīng)力整體呈現(xiàn)對稱式分布，其中頂?shù)装鍛?yīng)力較集中，在兩拱角范圍應(yīng)力呈耳狀分布，頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布范圍較大，兩幫塑性區(qū)發(fā)育較小，頂板塑性區(qū)發(fā)育厚度約為9.0m，底板約為4.50m，頂板最大下沉量為591mm，兩幫收縮量322mm，隨著計算時步增加，起拱線、頂?shù)装逦灰期呌诜€(wěn)定。因此在深部破碎圍巖條件下，常規(guī)錨網(wǎng)噴支護對于頂板及兩幫的控制作用不明顯，巷道變形大，無法滿足巷道支護穩(wěn)定性要求。

2.2.2 錨注支護模擬

錨注支護方案是用PSB830-?22mm×2200mm超高強錨桿替代原等強錨桿，在超高強錨桿的桿檔內(nèi)，呈五花形式增設(shè)?25mm×3000mm中空注漿錨桿，間排距1.6m×1.6m，長度3.0m，孔徑?32mm，進(jìn)行淺部3.0m錨固區(qū)注漿，注漿壓力在3～5MPa。注漿模擬參數(shù)選用漿液擴散范圍2.5m內(nèi)，塊體單元峰后彈模、粘結(jié)力、抗拉強度定比擴大1.2倍、剪脹角縮小1.2倍[18]。錨注支護巷道圍巖塑性區(qū)-應(yīng)力分布情況如圖4所示。

圖4 錨注支護塑性區(qū)-應(yīng)力分布

由圖4可知，巷道周邊塑性區(qū)及應(yīng)力分布范圍較前述方案有明顯改進(jìn)，相較錨網(wǎng)噴支護塑性區(qū)范圍有所減小，頂?shù)装逅苄詤^(qū)變化較大，但巷道左側(cè)起拱線及右側(cè)肩角塑性區(qū)范圍稍突出，頂幫塑性塊在錨固注漿區(qū)內(nèi)，底板塑性區(qū)約7.5m，頂板塑性區(qū)約3.5m，頂板下沉量321mm，兩幫位移207mm。隨著計算時步發(fā)展塑性區(qū)不會拓展，表明該支護方式較常規(guī)錨網(wǎng)噴支護能夠短期實現(xiàn)巷道穩(wěn)定，但頂板下沉、兩幫位移較大，仍不能滿足巷道支護穩(wěn)定性要求。

2.2.3 棚錨注協(xié)同支護模擬

架棚、錨桿(索)和注漿協(xié)同支護方案是將錨注支護與29U架棚結(jié)合起來，架設(shè)29U支架，排距設(shè)計為700mm，壁后掛網(wǎng)。棚錨注協(xié)同支護如圖5所示，架棚模擬參數(shù)[19]見表3。

圖5 架棚+錨桿(索)+注漿支護方案(mm)

表3 架棚模擬參數(shù)

棚錨注協(xié)同支護巷道圍巖塑性區(qū)-應(yīng)力分布情況如圖6所示。結(jié)果顯示，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布范圍明顯減少，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，架棚以肩部、棚腿部承載受力最大，巷道周邊的塑性區(qū)發(fā)育在錨固區(qū)內(nèi)1.2m范圍，底板因未實施注漿可達(dá)3.5m。頂板下沉130mm，兩幫位移102mm，四個模擬監(jiān)測點位移均在130mm以內(nèi)。棚錨注協(xié)同支護與常規(guī)錨噴支護、錨注支護相比，頂板下沉量、兩幫位移量明顯降低，對于巷道圍巖控制效果突出，較大程度上實現(xiàn)巷道穩(wěn)定，可滿足巷道支護穩(wěn)定性要求。

圖6 棚錨注支護塑性區(qū)-應(yīng)力分布

3 工程應(yīng)用

根據(jù)FLAC3D模擬結(jié)果分析，選定原支護方案和棚錨注協(xié)同支護方案進(jìn)行工程應(yīng)用，不在對錨注方案進(jìn)行工程試驗。分別對兩類方案進(jìn)行為期7個月的區(qū)域巷道頂板、兩幫位移監(jiān)測。兩類方案的頂板下沉量監(jiān)測曲線如圖7所示，兩類方案的巷道兩幫收斂監(jiān)測曲線如圖8所示。

圖7 頂板下沉量監(jiān)測曲線

圖8 巷道兩幫位移監(jiān)測曲線

從圖7、圖8可知，在應(yīng)用兩類支護方式試驗期內(nèi)巷道變形主要發(fā)生在前40d，巷道表面收斂速度大，其中常規(guī)錨網(wǎng)噴支護變形尤為明顯，該支護方式下頂板下沉量達(dá)到320mm，兩幫收縮量達(dá)到145mm，這主要因為在深部破碎圍巖區(qū)域巷道支護過程中，破壞了原巖應(yīng)力場，導(dǎo)致巷道不能保持原巖穩(wěn)定性，故在支護初期出現(xiàn)較大變形，可判定此階段為掘巷影響期，但采用棚錨注協(xié)同支護巷道頂板和兩幫收縮量分別為85mm、45mm，由此可知因為注漿錨桿注漿加固作用，漿液在破碎圍巖區(qū)域裂隙間流動、充實、凝固，提高破碎圍巖殘余強度，使其與完整穩(wěn)固圍巖重新黏結(jié)為一體，提高了巷道圍巖結(jié)構(gòu)完整性[20，21]，故在掘巷影響期，棚錨注協(xié)同支護巷道變形量更小，更能發(fā)揮其對巷道變形的控制作用。兩類支護方式在掘巷后無較大變形，基本進(jìn)入相對平穩(wěn)發(fā)展期，但在第91d由于受到臨近巷道施工帶來的工程擾動影響，試驗巷道頂板和兩幫均出現(xiàn)波動，之后再進(jìn)入穩(wěn)定期，最終常規(guī)錨網(wǎng)噴支護頂板最大下沉量408mm，兩幫收斂最大215mm，棚錨注協(xié)同支護頂板最大下沉量130mm，降低了68%，兩幫收斂102mm，兩幫位移降低了52%。因此，棚錨注協(xié)同支護技術(shù)控制頂板和兩幫效果顯著，較原常規(guī)錨網(wǎng)噴支護能更好的滿足深部破碎圍巖條件下巷道穩(wěn)定性要求。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)巷道圍巖巖性、構(gòu)造等地質(zhì)特征，利用FLAC3D對常規(guī)錨網(wǎng)噴支護、錨注支護及棚錨注協(xié)同支護進(jìn)行模擬，模擬表明：常規(guī)錨網(wǎng)噴支護不能確保支護巷道長期穩(wěn)定，巷道頂板和兩幫存在較大變形；錨注支護較常規(guī)錨網(wǎng)噴支護對破碎圍巖巷道支護作用有所改善，但仍存在較大變形；棚錨注協(xié)同支護對巷道圍巖變形控制效果顯著，巷道變形明顯降低，可實現(xiàn)深部破碎圍巖條件下的穩(wěn)定支護。

2)在深部破碎圍巖條件下，棚錨注協(xié)同支護對圍巖塑性區(qū)的控制效果顯著，中空注漿錨桿的應(yīng)用，可對初掘支護后破碎圍巖進(jìn)行錨固強化，注漿可充分發(fā)揮提升破碎圍巖承載力、圍巖錨固性的作用，提高破碎圍巖結(jié)構(gòu)完整性，加強了棚錨注協(xié)同支護對圍巖巷道的控制作用。

3)現(xiàn)場工程試驗結(jié)果表明，采用棚錨注協(xié)同支護技術(shù)頂板下沉量降低了68%，兩幫位移降低了52%，且在掘巷影響期對巷道變形的控制作用尤為顯著。棚錨注協(xié)同支護技術(shù)能有效控制巷道變形，應(yīng)對深部破碎圍巖復(fù)雜困難的支護環(huán)境，為施工人員作業(yè)、煤礦生產(chǎn)運輸提供了安全保障，也為同類復(fù)雜圍巖巷道支護提供方案參考。