深部大斷面軟巖巷道的圍巖穩(wěn)定性控制研究

陳璋林 侯明明 儲丹東

（濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司霄云煤礦，山東 濟(jì)寧 272213）

1 工程概況

1.1 巷道布置

霄云煤礦西翼軌道下山為西翼開拓工程的一部分，用于滿足三采區(qū)通風(fēng)、運輸和行人的需求。巷道斷面為直墻半圓拱形，凈寬5.0 m，凈高4.15 m，其中墻高1.65 m，拱高2.5 m；荒寬5.3 m，荒高4.45 m，其中墻高1.8 m，拱高2.65 m。巷道頂板主要為細(xì)砂巖與粉砂巖，巖石硬度系數(shù)f=4～6。

1.2 原支護(hù)方案

在西翼軌道下山掘進(jìn)過程中，隨著埋深的不斷增加，巖層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，形成圍巖變形、破壞等現(xiàn)象，威脅巷道的安全性。巷道原支護(hù)方案為“錨網(wǎng)索梁+噴漿”聯(lián)合支護(hù)，如圖1。

圖1 西翼軌道下山原支護(hù)方案（mm）

采用MG500 - Φ22 mm × 2400 mm 高強預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿，拱頂錨桿間距為800 mm，幫部錨桿間距為750 mm，錨桿排距為1000 mm，預(yù)緊力矩300 N·m。沿巷道掘進(jìn)方向在巷道中心線及兩側(cè)各偏2000 mm 施工錨索，按照“1-2-1”邁步式布置。錨索梁采用12#槽鋼加工，長3000 mm，分別距兩端各500 mm 割一錨索孔，孔間距為2000 mm，錨索預(yù)緊力設(shè)計值為150 kN。

1.3 問題簡述

礦區(qū)地應(yīng)力分布以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力方向近北東-南西，與巷道軸線夾角最大為70°。受水平應(yīng)力的影響，巷道幫部圍巖變形較大，同時出現(xiàn)明顯的底鼓特征，掘進(jìn)的巷道在施工半年后便需采取修復(fù)工作。當(dāng)前的支護(hù)方案不足以維持巷道在服務(wù)年限內(nèi)的穩(wěn)定性，需采取優(yōu)化設(shè)計[1-4]。

2 支護(hù)優(yōu)化方案

2.1 錨桿錨索長度與間排距

在錨桿-錨索支護(hù)系統(tǒng)中，錨桿的作用主要為在巷道圍巖中形成組合梁或組合拱結(jié)構(gòu)，錨索將錨桿加固拱向巖層深部拖拽，表現(xiàn)為深層懸吊作用。在軟巖巷道的圍巖穩(wěn)定性控制中，錨桿的作用降低，主要靠錨索發(fā)揮作用。結(jié)合現(xiàn)有支護(hù)材料并考慮一定的富余系數(shù)，巷道選取錨桿長度為2.6 m，錨索長度為6.5 m。

錨桿間排距計算采用加固拱，在錨桿錨固力作用下，每根錨桿周圍形成一個錐形壓縮區(qū)，各壓縮區(qū)彼此聯(lián)成一個具有一定厚度的加固拱。依據(jù)《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 35056-2018），計算并選取巷道拱部錨桿間排距為800 mm× 1000 mm，錨索間排距2000 mm× 2000 mm。巷幫錨桿間距取800～1000 mm，排距取1000 mm；錨索間距取1600～2000 mm，排距取2000 mm。

2.2 預(yù)緊力設(shè)計

為有效控制巷道圍巖的變形和離層，錨桿（索）必須給圍巖可靠的支護(hù)阻力。當(dāng)錨桿材質(zhì)一定時，支護(hù)阻力的大小與桿（索）體半徑的平方成正比。不同型號錨桿的力學(xué)性能見表1、表2。

表1 不同材質(zhì)錨桿拉斷載荷

表2 不同材質(zhì)錨桿屈服載荷

1）Ф22 mm×2400 mm 錨桿預(yù)緊力計算分析。軟巖大巷建議采用MSGLW-22-500 左旋螺紋鋼高強度錨桿，屈服載荷190.1 kN，破斷載荷254.7 kN。根據(jù)《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 35056-2018）中的要求，軟巖巷道宜采用高預(yù)應(yīng)力（大于錨桿屈服力的30%）、高強度（桿體屈服強度大于500 MPa）螺紋鋼樹脂錨桿。現(xiàn)場預(yù)應(yīng)力取錨桿屈服力的35%，即65 kN。

2）Ф21.8 mm×6500 mm 錨索預(yù)緊力計算分析。現(xiàn)場大量的工程實踐表明，錨索安裝后多存在預(yù)應(yīng)力損失，原因在：① 錨索鋼絞線在地應(yīng)力作用下會發(fā)生變形，從而產(chǎn)生松弛損失，此為材質(zhì)源應(yīng)力損失；② 錨具都存在夾片回縮問題，其中QM、YM、OVM 型錨具鋼絞線的回縮量約為6 mm，由錨具等構(gòu)件造成的錨索預(yù)應(yīng)力損失可稱為結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失；③ 巖體本身具備非均質(zhì)、不連續(xù)性和各向異性，圍巖承載過程中往往出現(xiàn)蠕變、流變大變形等，此為蠕變預(yù)應(yīng)力損失；④ 錨索的張拉系統(tǒng)包括油泵、油表、油管和千斤頂?shù)炔糠?，張拉系統(tǒng)的摩擦損失為2%～4%，此為施工工藝預(yù)應(yīng)力損失。

采用Ф21.8 mm 的錨索，其工程使用強度為454 kN，其預(yù)應(yīng)力取工程使用強度的30%，即135 kN。考慮到錨索的預(yù)應(yīng)力損失，本次按照70%，錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計為200 kN。

3）錨固參數(shù)設(shè)計。錨桿采用1 支MSK2550 錨固劑，對應(yīng)錨固長度為1042 mm；錨索采用2 支MSK2550 錨固劑，對應(yīng)錨固長度為2024 mm。

2.3 巷道支護(hù)優(yōu)化

采用數(shù)值模擬方法對巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2、圖3。應(yīng)力集中區(qū)主要有向拱頂和底板內(nèi)部圍巖延伸的趨勢，巷道拱頂和底板塑性區(qū)的范圍較大。

圖2 圍巖最大主應(yīng)力

根據(jù)圍巖的應(yīng)力分布特征，在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上增加幫部、底角錨索并采取反底拱，以加固巷道圍巖并防止底鼓情況的加重。新增錨索長度為4500 mm，幫部錨索位于拱基線位置兩根錨桿中間，鉆孔垂直于巷道表面；底角錨索鉆孔位于底角兩根錨桿之間，下扎10°～30°，具體位置和方向以滿足現(xiàn)場施工可行性為宜。新增錨索與拱頂錨索形成五花布置，如圖4。

2.4 支護(hù)應(yīng)力場分布特征

以錨桿預(yù)緊力50 kN、間排距1000 mm×1000 mm 為例，單根錨桿在圍巖表面形成的有效支護(hù)應(yīng)力平均為0.05 MPa，故以圍巖中支護(hù)應(yīng)力達(dá)到該值時作為有效支護(hù)應(yīng)力場。上述支護(hù)方案的應(yīng)力場分布特征如圖5。

圖5 圍巖有效支護(hù)應(yīng)力場

支護(hù)應(yīng)力場主要分布在錨桿支護(hù)圈內(nèi)，錨索錨固端形成小范圍有效支護(hù)應(yīng)力區(qū)，錨索托盤端支護(hù)應(yīng)力最大，達(dá)到0.5 MPa。在研究錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力場的基礎(chǔ)上，得出所設(shè)計的優(yōu)化支護(hù)方案在巷道圍巖中形成可靠的支護(hù)圈層，其范圍超出圍巖塑性區(qū)的發(fā)育區(qū)間，可以維持巷道圍巖的穩(wěn)定。

2.5 應(yīng)用效果

采取優(yōu)化支護(hù)方案優(yōu)化后，采用十字布點法對巷道變形進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖6。原支護(hù)方案條件下頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)到500 mm，兩幫移近量為350 mm。采取優(yōu)化方案后圍巖的持續(xù)變形時間段明顯下降，巷道位移量不超過180 mm?，F(xiàn)場觀察結(jié)論驗證了優(yōu)化方案的安全性、有效性和穩(wěn)定性。

圖6 巷道位移監(jiān)測

3 結(jié)論

針對霄云煤礦深部大斷面軟巖巷道的圍巖穩(wěn)定性控制難題，以當(dāng)前階段正在掘進(jìn)的西翼軌道下山為例，分析了巷道圍巖的應(yīng)力場和屈服特征，提出了對應(yīng)的優(yōu)化支護(hù)方案和參數(shù)。實踐檢驗證明，所采取的控制策略合理有效。