榆樹井煤礦軟巖硐室圍巖變形規(guī)律及支護(hù)技術(shù)研究

王均明

（內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200）

1 工程概況

榆樹井煤礦二采區(qū)污水處理硐室位于+980 m水平，在5 煤層中掘進(jìn)，煤（巖）層走向近南北，傾向東，平均傾角約7°，平均厚度為3.40 m，普氏系數(shù)f 為1～2。煤層頂?shù)装鍡l件如圖1。巷道圍巖為軟巖，巖性以中細(xì)砂巖為主，巖石松軟、遇水膨脹泥化，礦壓顯現(xiàn)主要表現(xiàn)為巷道底鼓，淋水段可能會(huì)出現(xiàn)頂板下沉。二采區(qū)污水處理硐室巷道設(shè)計(jì)長度37.4 m（斜距），斷面規(guī)格分為硐室開門位置至硐室主體位置的1-1 斷面、硐室主體位置到二采區(qū)泵房貫通位置的2-2 斷面，兩斷面規(guī)格見表1。針對(duì)圍巖軟弱，遇水易泥化的情況，對(duì)硐室軟弱圍巖變形規(guī)律[1-7]及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r性圖

表1 巷道斷面形狀及規(guī)格表

2 軟巖巷道變形破壞規(guī)律

硬巖巷道圍巖介質(zhì)相當(dāng)于線性彈性體或理想彈性體，變形量小，一旦形成塑性破壞，圍巖自承載能力將迅速降低。軟巖巷道圍巖變形則是顯著的非線性的塑性變形，容易產(chǎn)生大變形失穩(wěn)現(xiàn)象，而軟巖巷道圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)后圍巖仍有一定的自承載能力。巷道開挖以后打破了巖體本身的三向應(yīng)力平衡，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，若巷道埋深超過軟化臨界深度，調(diào)整后的應(yīng)力高于巖體最大強(qiáng)度的部分巖體就發(fā)生破壞，圍巖應(yīng)力將再次重新調(diào)整，形成塑性流動(dòng)區(qū)、塑性軟化區(qū)、塑性硬化區(qū)、彈性區(qū)四個(gè)分區(qū)，如圖2。彈性區(qū)對(duì)應(yīng)于彈性變形階段，塑性硬化區(qū)對(duì)應(yīng)于塑性硬化階段，塑性軟化區(qū)對(duì)應(yīng)于巖石的峰后軟化階段，塑性流動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)于巖石的松動(dòng)破壞階段，其中巷道斷面越大、巖石強(qiáng)度越低、埋深越大及受采動(dòng)影響越嚴(yán)重，則非彈性區(qū)范圍越大。同時(shí)軟巖也會(huì)因時(shí)間影響而產(chǎn)生蠕變，圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

圖2 軟巖巷道圍巖變形分區(qū)

3 軟巖巷道控制原則

1）選擇巷道圍巖穩(wěn)定的最佳支護(hù)狀態(tài)

圍巖發(fā)生彈塑性變形范圍內(nèi)，圍巖隨變形的增大，支護(hù)載荷大幅度降低，如果采用支護(hù)限制這種狀態(tài)下的圍巖變形，需要很大的支護(hù)抗力，如果沒有充分利用圍巖的自承能力，容易造成支護(hù)失效，且增加成本。軟巖在塑性硬化狀態(tài)下仍然具有一定的強(qiáng)度及承載能力，且淺部圍巖破壞后應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，破壞區(qū)內(nèi)的圍巖得到卸載，支護(hù)系統(tǒng)只需要將該區(qū)域內(nèi)圍巖壓實(shí)，避免形成松動(dòng)區(qū)，要充分利用其承載能力，達(dá)到最優(yōu)的支護(hù)效果。

2）提高圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)強(qiáng)度

提高圍巖穩(wěn)定性是保持支護(hù)系統(tǒng)與圍巖變形有效平衡的關(guān)鍵，需要避免圍巖遭受破壞和局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，要隔絕空氣、水等環(huán)境因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，最好采用全封閉式支護(hù)方式來提高圍巖的自穩(wěn)和保持良好的受力狀態(tài)。在一定的變形范圍內(nèi)，圍巖變形與支護(hù)阻力關(guān)系不大，但當(dāng)圍巖變形超過一定范圍后，支護(hù)阻力減少，圍巖變形會(huì)急劇的增大，因此需要提供一定的支護(hù)強(qiáng)度。

4 軟巖硐室圍巖支護(hù)方案

4.1 支護(hù)方案

由于二采區(qū)污水處理硐室圍巖屬于遇水易膨脹軟化的軟巖，需要選擇合適支護(hù)時(shí)機(jī)及時(shí)封閉圍巖，防止圍巖泥化強(qiáng)度急劇降低。首先，采用全斷面錨網(wǎng)索耦合支護(hù)，錨桿組合梁、懸吊作用可以將硐室淺部破碎圍巖形成一個(gè)整體，錨索將淺部圍巖與深部穩(wěn)定圍巖連接起來，形成雙向拉伸應(yīng)力，穩(wěn)定圍巖；而錨網(wǎng)索的耦合作用可以有效控制圍巖協(xié)調(diào)變形，形成支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體。采用噴漿和鋼筋混凝土砌碹支護(hù)能夠封閉圍巖，隔絕水、空氣的影響，同時(shí)可以避免支護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)化損壞，提高支護(hù)強(qiáng)度。砌碹進(jìn)行一次支護(hù)后，待圍巖變形降低到一定程度后再進(jìn)行二次支護(hù)，避免支護(hù)抗力過高導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)失效。軟巖硐室極易產(chǎn)生底鼓，底鼓將嚴(yán)重影響硐室的正常使用，因此需采用反底拱的結(jié)構(gòu)提高支護(hù)力來抑制底板變形。

4.2 支護(hù)參數(shù)

1）巷道全斷面采用錨網(wǎng)（梯）索噴+單層鋼筋混凝土砌碹支護(hù)，一次支護(hù)頂幫及反底拱初噴70 mm，復(fù)噴50 mm，噴砼標(biāo)號(hào)C20。

2）錨桿布置。巷道1-1、2-2 斷面初噴后全斷面使用Ф20 mm×2800 mm 左旋無縱筋高強(qiáng)錨桿，錨桿采用200 mm×200 mm×10 mm 錨桿盤配Ф12 mm 鋼梯壓網(wǎng)使用。

3）錨索布置。1-1 斷面錨網(wǎng)（梯）噴支護(hù)后進(jìn)行錨索支護(hù)。頂部每排布置5 套Φ21.8 mm×9000 mm 礦用普通鋼絞線錨索，1×19 芯；施工時(shí)以拱頂正中布置1 套，然后按間距1400 mm 向兩側(cè)再各布置2 套；錨索配合W 型錨索梁（孔距1600 mm，規(guī)格2000 mm×280 mm×5 mm）及異型托盤（250 mm×150 mm×10 mm）沿巷道掘進(jìn)方向布置；相鄰錨索梁間錨索排距為1600 mm。兩幫及底板錨索使用規(guī)格Φ21.6 mm×6000 mm 礦用普通鋼絞線錨索，1×7 芯。幫部每排布置3 根，距起拱線下325 mm 處布置第一根錨索，底板每排布置4 根錨索，間排距均為1200 mm×1600 mm，錨索配合W 型錨索梁（孔距1200 mm，規(guī)格2800 mm×280 mm×5 mm）與異型托盤（250 mm×150 mm×10 mm）使用，幫部錨索梁垂直巷道掘進(jìn)方向布置，底板錨索梁沿巷道掘進(jìn)方向布置。

2-2 斷面錨網(wǎng)（梯）噴支護(hù)后進(jìn)行錨索支護(hù)。巷道施工段頂部每排布置7 套Φ21.8 mm×9000 mm 礦用普通鋼絞線錨索，1×19 芯；施工時(shí)以拱頂正中布置1 套，然后按間距1200 mm 向兩側(cè)再各布置3 套；錨索配合W 型錨索梁（孔距1400 mm，規(guī)格2000 mm×280 mm×5 mm）及異型托盤（250 mm×150 mm×10 mm）沿巷道掘進(jìn)方向布置；相鄰錨索梁間錨索排距為1400 mm。兩幫錨索使用規(guī)格Φ21.6 mm×6000 mm 礦用普通鋼絞線錨索，1×7 芯。兩幫距起拱線下428 mm 處各布置第一套錨索，然后按間距1200 mm 再各布置2 套。間排距1200 mm×1400 mm，錨索配合W 型錨索梁（孔距1200 mm，規(guī)格4000 mm×280 mm×5 mm）與異型托盤（250 mm×150 mm×10 mm）垂直巷道掘進(jìn)方向布置。

4）反底拱在巷道施工至設(shè)計(jì)位置后再錨網(wǎng)（梯）噴支護(hù)。反底拱錨網(wǎng)（梯）支護(hù)與幫部錨網(wǎng)（梯）支護(hù)相連。

5）砌碹支護(hù)。一次支護(hù)后進(jìn)行二次支護(hù)砌碹施工；二次支護(hù)全斷面采用單層鋼筋混凝土砌碹，砌碹厚度300 mm，澆筑混凝土強(qiáng)度均為C30。二次鋼筋混凝土砌碹支護(hù)待巷道施工至設(shè)計(jì)位置澆筑反底拱完成后施工。

各斷面支護(hù)如圖3。

5 軟巖硐室圍巖監(jiān)測

對(duì)污水處理硐室巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、兩幫相對(duì)移近量、頂板離層量監(jiān)測等進(jìn)行現(xiàn)場觀測，布置兩組礦壓觀測點(diǎn)，結(jié)果如圖4。從圖4（a）可知兩斷面的最大頂?shù)装逡平烤鶠?80 mm，兩幫最大移近量分別為530 mm、535 mm，且均在15 d 后趨于穩(wěn)定；從圖4（b）、（c）可知兩斷面頂板淺部與深部的離層量均較小，趨于穩(wěn)定后最大淺部離層量為13 mm、最大深部離層量為15 mm。說明支護(hù)系統(tǒng)能夠有效控制圍巖變形。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測圖

6 結(jié)論

1）軟巖巷道變形具有顯著的非線性塑性變形，在塑性變形后仍具有一定的強(qiáng)度，軟巖支護(hù)需要在合適的狀態(tài)進(jìn)行，以充分利用其承載能力，達(dá)到最優(yōu)的支護(hù)效果，且要具有一定的支護(hù)強(qiáng)度。

2）提出了軟巖巷道控制原則，并設(shè)計(jì)了全斷面錨網(wǎng)（梯）索+噴漿+鋼筋混凝土砌碹支護(hù)+底板反底拱的支護(hù)方案，對(duì)現(xiàn)場硐室圍巖變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)果顯示圍巖變形較小，并逐漸趨于穩(wěn)定。