深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形機理及控制技術(shù)研究

朱友恒，丁自偉，劉 江，黃 興

(1.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713600；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071)

隨著煤炭資源開采強度的增大，開采深度的不斷增加，國內(nèi)外煤礦相繼進入深部開采狀態(tài)。在深部開采狀態(tài)下不僅煤層特性發(fā)生變化，同時巷道圍巖受到高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓以及強烈的開采擾動等因素影響，采用常規(guī)施工工藝與支護方法進行圍巖穩(wěn)定控制較為困難[1-3]。全斷面隧道掘進機(TBM)以機械化程度高、掘進速度快及安全性好等特點在地下空間開發(fā)與利用方面有獨特優(yōu)勢[4，5]。近年來，TBM逐漸在煤礦巷道工程建設(shè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，但TBM在深部開采中遇軟硬復(fù)合地層和高應(yīng)力環(huán)境時，深井軟巖和高地應(yīng)力構(gòu)成了圍巖大變形基本條件，極易引起巷道工程失穩(wěn)破壞[6-8]。

針對深部復(fù)合地層巷道圍巖失穩(wěn)問題，國內(nèi)外專家學(xué)者進行了諸多研究。其中，蔣毅[9]等人運用數(shù)值模擬及物理模擬實驗等方法研究了深部復(fù)合地層在不同圍壓、不同軟硬層厚度比條件下的力學(xué)性質(zhì)，表明深部復(fù)合地層變形主要發(fā)生在軟巖部分；王志強[10]等人采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段對巷道圍巖穩(wěn)定性進行分析，結(jié)果指出巷道圍巖失穩(wěn)主要由于采動應(yīng)力的疊加引起，并提出了相應(yīng)的支護技術(shù)；許興亮[11]等人采用理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法對軟巖巷道破壞的誘發(fā)因素及采動影響下的圍巖破壞機理進行了研究，表明由于采動的影響導(dǎo)致圍巖內(nèi)部彈塑性邊界失衡，使得圍巖破壞范圍增大；Wang[12]采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了高內(nèi)壓條件下埋深、圍巖變形、地應(yīng)力狀態(tài)對圍巖變形的影響，發(fā)現(xiàn)圍巖位移和塑性區(qū)體積隨埋深的增加而減小，且淺部圍巖變形大于深部圍巖；趙宏剛[13]等模擬了不同主應(yīng)力方向下橢圓隧洞的圍巖應(yīng)力分布及塑性區(qū)分布特征；王智陽[14]等通過對TBM掘進高地應(yīng)力硬巖隧洞圍巖破裂變形的研究，發(fā)現(xiàn)了其特有的破裂形態(tài)以及拱肩和拱頂?shù)淖冃翁卣?，并且深入探究了其變形?guī)律和內(nèi)在機制，最終提出了有效的支護措施。

針對深部復(fù)合煤系地層巷道圍巖控制問題，諸多學(xué)者開展了相關(guān)研究，提出了超前地質(zhì)鉆探、錨桿索注漿提前加固、高密度錨索等一系列方法。其中，Liu[15]等人研究了軟巖巷道的變形機理，提出了“錨索+錨網(wǎng)+噴射混凝土”和鋼管混凝土支護組成的改進型組合支護方案并采用數(shù)值模擬進行了驗證；賈毅超[16]等人以貴州桐梓某礦20701運輸巷為工程背景，通過現(xiàn)場實測和物理實驗相結(jié)合的方法，研究了巷道變形的主要影響因素，并針對實際情況采用數(shù)值模擬和理論分析提出了有效的聯(lián)合支護方案；孫煥磊[17]等人在不同條件下對注漿錨索支護技術(shù)進行試驗，總結(jié)出了8種滿足現(xiàn)場的注漿錨索支護方式；Lu[18]對富水軟巖提出了自溶注漿加固方法，通過物理實驗對比了使用傳統(tǒng)注漿和自溶注漿的注漿固體的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)使用自溶注漿的固體的單軸抗壓強度和彈性模量較高；王福海[19]等人通過對特殊地址構(gòu)造段進行超前注漿加固，極大提高了巷道圍巖強度，使得工作面安全通過斷層。

綜合分析，目前關(guān)于深部復(fù)合地層圍巖變形機理及其相關(guān)控制技術(shù)仍處于逐步發(fā)展的階段，對于深部復(fù)合地層軟巖巷道圍巖變形機理及控制技術(shù)還有待進一步的研究。因此，以彬長礦區(qū)高家堡煤礦TBM掘進采區(qū)開拓大巷為工程背景，采用理論力學(xué)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，研究了不同側(cè)壓系數(shù)、不同巖性條件下巷道圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)試驗和數(shù)值模擬方法進行驗證，提出了采用注漿加固和錨固支護相結(jié)合的支護方案，確保了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1 工程概況

陜西省彬長礦區(qū)高家堡煤礦位于黃隴侏羅紀(jì)煤田西北部，主采煤層為4#煤層，煤層埋深800～1100 m，平均埋深1032 m，西區(qū)4#煤層厚度為0.61～17.80 m，平均厚度8.84 m。以西區(qū)輔運大巷為研究背景，總長度為6500 m，煤層傾角0°～10°，平均傾角6°。高家堡煤礦西區(qū)輔運大巷采用TBM工法進行掘進，斷面為圓形斷面，凈直徑為6.5 m，凈斷面積為33.17 m2，且巷道平均埋深超過900 m。

開拓巷道掘進過程中需穿越5層巖層，自上而下分別為中粒砂巖、4煤、泥巖、鋁質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖。其中，中粒砂巖平均厚度為25.17 m；4煤層平均厚度約為15.05 m；泥巖層平均厚度約為3.18 m；鋁質(zhì)泥巖平均厚度約為0.56 m；炭質(zhì)泥巖為主平均厚度約為1.81 m。由于礦井地質(zhì)條件復(fù)雜多變，巷道掘進過程中所穿地層4煤、鋁質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖均為軟巖，巖性較差，且受到涌水、地壓和地溫等多元災(zāi)害影響，導(dǎo)致遇到斷層/破碎帶時傳統(tǒng)錨固支護設(shè)計往往無法滿足TBM掘進巷道時支護安全的需要。因此，基于TBM掘進工藝特點，研究深部復(fù)合地層軟巖巷道圍巖變形機理，并提出針對性的控制技術(shù)，從而保證采掘工作面安全掘進。

2 非等壓圓形巷道圍巖變形力學(xué)分析

2.1 非等壓圓形巷道力學(xué)建模

由于深部巖石受到自身重力和高應(yīng)力影響較大，在開挖后破壞了巖石的整體結(jié)構(gòu)，造成圍巖中應(yīng)力重新分布，深部開采的高應(yīng)力使得巷道圍巖出現(xiàn)變形量大，沖擊礦壓次數(shù)增多等災(zāi)害[20]。因此在實際工況中，巷道大多處在非均勻應(yīng)力場中，建立圓形巷道圍巖在雙向不等壓條件下塑性區(qū)的邊界方程，對巷道塑性區(qū)范圍進行計算，從而對TBM掘進的圓形巷道圍巖應(yīng)力進行理論分析。由于目前無法準(zhǔn)確分析非均質(zhì)介質(zhì)的各向異性巷道的圍巖應(yīng)力，因而對巷道力學(xué)模型進行一定的簡化。假設(shè)圍巖是各向同性的均勻介質(zhì)，鑒于TBM掘進的巷道半徑遠小于巷道埋深，假設(shè)圍巖應(yīng)力處于均勻載荷狀態(tài)，并將其轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變來分析。簡化后圓形巷道力學(xué)模型如圖1所示[21]。

圖1 雙向不等壓圓形巷道受力模型

簡化后的巷道模型在左右兩邊受到水平應(yīng)力λγH，在上下兩邊受垂向應(yīng)力γH，根據(jù)彈性力學(xué)[22-24]可知：

聯(lián)立式(1)和式(2)，可得巷道圍巖某一點在雙向不等壓應(yīng)力條件下的應(yīng)力解：

式中，a為掘進巷道半徑；σr為徑向應(yīng)力，MPa；σθ為環(huán)向應(yīng)力，MPa；τrθ為切向應(yīng)力，MPa；λ為側(cè)壓系數(shù)；r，θ分別表示極半徑、極角。

針對高應(yīng)力條件下產(chǎn)生的圍巖破壞，目前應(yīng)用最廣泛的圍巖強度準(zhǔn)則為莫爾-庫侖準(zhǔn)則如式(4)所示。

τ=C+σtanφ

(4)

式中，τ為切應(yīng)力，MPa；C為內(nèi)聚力，MPa；σ為正應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

該理論的核心思想是界定巖石破壞的條件，如圖2所示。

圖2 斜直線強度曲線

當(dāng)巷道周圍巖石的某個位置的應(yīng)力在半圓范圍內(nèi)時，它就保持穩(wěn)定狀態(tài)；而當(dāng)這個應(yīng)力超出了半圓范圍，就會導(dǎo)致巖石的破壞。通過圖2可以推出極限主應(yīng)力表示的莫爾-庫侖強度準(zhǔn)則，建立極限平衡方程：

式中，C為彈塑性介質(zhì)的內(nèi)聚力，MPa；φ為彈塑性介質(zhì)的內(nèi)摩擦角，(°)。

根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，巷道周圍巖石塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力需滿足式(6)：

(σr+σθ)sinφcosφC-C2cos2φ=0

(6)

設(shè)圓形巷道圍巖塑性區(qū)半徑為R0，在r=R0的彈塑性區(qū)邊界上，應(yīng)力應(yīng)同時滿足式(3)與式(6)兩個條件，因此將式(3)與式(6)聯(lián)立，得到非均勻應(yīng)力場條件下圓形巷道圍巖塑性邊界R0關(guān)于θ的隱性方程：

9(1-λ)2(a/R0)8-[12(1-λ)2+6(1-λ2)cos2θ]

(a/R0)6+2(1-λ)2[cos22θ(5-2sin2φ)-sin22θ]+

(1+λ)2+4(1-λ2)cos2θ(a/R0)4-[4(1-λ)2cos4θ+

式中，C為圍巖內(nèi)聚力，MPa；φ為圍巖內(nèi)摩擦角，(°)；R0為徑向塑性區(qū)邊界，m；a為圓形巷道半徑，m；γ為巖石容重；H為巷道埋藏深度，m。

2.2 圍巖塑性破壞特征分析

采用數(shù)學(xué)分析軟件對理論求解所得公式(7)進行求解，可以得到不同應(yīng)力場條件(側(cè)壓系數(shù))、不同巖性條件下的巷道圍巖塑性區(qū)邊界演化特征。

2.2.1 不同應(yīng)力場條件巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

高家堡煤礦4#煤層礦井平均埋深900 m，巷道周圍巖石所受水平應(yīng)力遠大于豎直應(yīng)力，則水平應(yīng)力對大巷開挖影響較大。因此，對于在不同水平應(yīng)力條件下的軟巖巷道穩(wěn)定性進行全面而系統(tǒng)的研究具有十分重要的意義，而且可以通過調(diào)整側(cè)壓系數(shù)來反映出這一點。為研究水平應(yīng)力(側(cè)壓系數(shù))對巷道塑性區(qū)的影響，采用數(shù)學(xué)分析軟件計算不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)范圍，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)

將側(cè)壓系數(shù)分別設(shè)為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0，固定其余參數(shù)不變，對巷道賦予不同的側(cè)壓參數(shù)，由圖3可以看出，塑性區(qū)形狀與側(cè)壓系數(shù)的大小有著密切關(guān)系。由圖3分析可知：當(dāng)λ=1.0時，巷道塑性區(qū)形狀表現(xiàn)為圓形，塑性區(qū)的半徑為0.5 m，說明巷道表面處各點位移變化量一致；隨著側(cè)壓系數(shù)不斷增大，當(dāng)λ=1.6時，塑性區(qū)的形狀由圓形變?yōu)闄E圓形，巷道兩幫的圍巖塑性區(qū)半徑為0.47 m，頂板圍巖的塑性區(qū)為0.68 m，與巷道幫部塑性區(qū)半徑相比增大了44.68%，說明隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道兩幫的圍巖塑性區(qū)范圍不斷減少而巷道頂?shù)装鍑鷰r的塑性區(qū)緩慢增大。當(dāng)λ=1.8時，巷道兩邊塑性區(qū)半徑為0.42 m，巷道頂板的塑性區(qū)達到最大，為0.75 m，較巷道塑性區(qū)半徑增大了78.57%，而當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于1.8時，巷道圍巖的塑性區(qū)左幫邊界開始變得模糊。

2.2.2 不同巖性條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

西區(qū)輔運大巷掘進過程中需穿越5層巖層，分別為4煤、鋁質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖以及中粒砂巖，鋁質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖與泥巖三者力學(xué)性質(zhì)與物理參數(shù)相差較小，4煤、中粒砂巖與其他三種泥巖巖性相差較大，因此對三種巖性條件下巷道圍巖特征進行分析，各巖層參數(shù)見表1。

表1 各地層的力學(xué)參數(shù)

為研究軟弱地層對圍巖破壞規(guī)律，故主要對4#煤層和泥巖層中巷道圍巖塑性區(qū)的分布特征進行分析。采用數(shù)學(xué)分析軟件對理論求解所得式(7)進行求解，得出不同巖性圍巖條件下巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)范圍，如圖4所示。由不同巖層中塑性區(qū)計算結(jié)果可知：在巖性變化的過程中，巷道兩幫的塑性區(qū)卻在不斷減小，巖性較好的4煤層在巷道兩幫的塑性區(qū)半徑為0.1 m明顯小于泥巖層的半徑0.25 m，減小了150%；而巷道頂?shù)装逶诓煌瑤r層中的圍巖塑性區(qū)基本相同，巷道圍巖頂板的塑性區(qū)最大半徑為0.75 m。

圖4 各巖層中塑性區(qū)計算結(jié)果

3 不同影響因素下巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征

3.1 數(shù)值模型建立

為研究不同側(cè)壓系數(shù)以及不同巖性條件下塑性區(qū)的演化規(guī)律，根據(jù)表1中工程地質(zhì)參數(shù)及巷道特征，建立了高家堡煤礦西區(qū)輔運大巷的FLAC3D數(shù)值計算模型，模型長×寬×高分別為30 m×30 m×1 m。

對于模型計算邊界條件，模型前后、左右限制水平移動，底部邊界為固定邊界，上部邊界為自由邊界，施加均布荷載5 MPa，模擬上覆巖層自重應(yīng)力邊界。依據(jù)對高家堡煤礦的實地調(diào)研，在模型上側(cè)施加大小為23 MPa的垂直應(yīng)力，水平方向施加大小為38 MPa的水平應(yīng)力，模擬的模型采用基于彈塑性理論的摩爾—庫倫強度準(zhǔn)則。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

控制其他參數(shù)不變，改變側(cè)壓系數(shù)模擬計算巷道開挖后圍巖塑性區(qū)范圍分布形態(tài)，如圖5所示。由圖5可知，隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道圍巖的塑性變形特征和變化范圍也會發(fā)生顯著變化。隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，即水平應(yīng)力的不斷增大，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1時，頂?shù)装宓睦瓚?yīng)力達到最小，巷道圍巖的塑性區(qū)為圓形，塑性區(qū)最大半徑為1.14 m。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于1時，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，頂?shù)装謇瓚?yīng)力又呈增大趨勢；兩幫主要受擠壓應(yīng)力作用，且隨著側(cè)壓系數(shù)的增加而增大，頂?shù)装逄幍乃苄詤^(qū)不斷增大，兩幫的塑性區(qū)也在緩慢增大，但兩幫的變化速率明顯比不上頂?shù)装宓淖兓俾剩苄詤^(qū)由圓變?yōu)闄E圓。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.8時，巷道圍巖塑性區(qū)的橢圓形狀開始變得模糊不規(guī)則，此時，巷道頂?shù)装逄幩苄詤^(qū)的最大半徑為2.50 m，兩幫處塑性區(qū)的最大半徑為1.65 m。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)變?yōu)?.0時，巷道兩幫急劇擴展，巷道頂?shù)装逄幾兓^小。根據(jù)前期高家堡煤礦4#礦井所做的地應(yīng)力測試，礦井側(cè)壓系數(shù)為1.71～1.88，結(jié)合理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果，數(shù)值模擬模型中巷道圍巖的側(cè)壓系數(shù)取1.8。

圖5 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)分布

3.2.2 不同巖性條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

根據(jù)高家堡煤礦西區(qū)輔運大巷實際生產(chǎn)地質(zhì)條件，對不同巖性下巷道圍巖穩(wěn)定性進行分析。建立FLAC3D數(shù)值模型，按照上覆巖層載荷γH施加垂直壓力20 MPa，側(cè)向壓力取1.8。

高家堡煤礦西區(qū)輔運大巷不同巖層中巷道圍巖塑性區(qū)分布特征如圖6所示，其中，圖6(a)表示將巷道布置在4#煤層中，巷道的塑性區(qū)最大半徑為2.04 m，且巷道底板處的塑性區(qū)最大，巷道頂板處的塑性區(qū)最大半徑不超過1.85 m，巷道兩幫不超過1.5 m；圖6(b)表示巷道布置在泥巖和煤層的組合巖層中，巷道塑性區(qū)最大半徑為2.00 m，巷道頂板處的塑性區(qū)最大，巷道底板最大半徑不超過1.6 m，巷道兩幫的塑性區(qū)均不超過1.25 m，且泥層中底板的圍巖塑性區(qū)變形量要小于煤層中頂板的圍巖塑性區(qū)變形量。

圖6 不同巖層中巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

由圖6可知，巷道塑性變形區(qū)均表現(xiàn)為頂?shù)装宸秶?，兩幫范圍小的特點；巷道底板布置在泥巖中的塑性區(qū)范圍要明顯小于巷道底板位于煤層中的塑性區(qū)，且巷道的塑性區(qū)在煤層和泥巖之間界限明顯。

通過理論計算及數(shù)值模擬結(jié)果可知，理論計算塑性區(qū)最大半徑遠小于數(shù)值模擬所得圍巖塑性區(qū)最大半徑，但整體的塑性區(qū)變化趨勢是相同的，為后續(xù)錨固深度的設(shè)計以及注漿深度的選擇提供參考依據(jù)。

4 復(fù)合地層圍巖支護控制

4.1 注漿加固機理

在深部開采巷道掘進過程中，由于高地應(yīng)力的存在，軟弱巖體內(nèi)部會產(chǎn)生大量的裂縫，這些裂縫通常會從開挖邊緣開始，并且會不斷地向周圍的巖體擴散，而傳統(tǒng)的錨桿支護和錨索支護無法有效地應(yīng)對這種情況，因此，為了解決這種破碎、軟弱松動范圍較大、巷道埋深較深、巖石強度較低的大斷面煤巷，提出了注漿支護的方案。

通過注漿，原本的普通端錨式錨桿被改造成全長錨固錨桿，使錨桿與圍巖形成整體，并且最終形成出牢固的組合拱。這種方法不僅僅可以保證圍巖的穩(wěn)定，而且還可以顯著地增強其承載力，從而達到更好的抗壓和抗剪切的目的，圍巖強度大大提高，圍巖穩(wěn)定性得到加強，對于保證巷道安全穩(wěn)定、提高井下安全生產(chǎn)具有重要意義。

4.2 數(shù)值模擬驗證

為進一步驗證注漿加固措施，采用數(shù)值模擬方法做進一步驗證。由于TBM掘進的巷道為圓形巷道，巷道開挖直徑為6.5 m，支護后的凈斷面直徑為6.1 m。根據(jù)實際巷道尺寸建立開挖模型，巷道位于30 m×30 m正方形模型的中心。針對所建立的模型，對其進行注漿加固的數(shù)值模擬。

4.2.1 水平應(yīng)力分析

未注漿和注漿條件下的水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力云圖如圖7所示?？梢钥闯觯?/p>

圖7 應(yīng)力云圖

1)未注漿加固時巷道兩側(cè)水平應(yīng)力的應(yīng)力最大值為2.905 MPa，由于巷道為圓形，則所受應(yīng)力大小左右兩側(cè)相等。隨著距離巷道圍巖越遠，應(yīng)力分布呈半圓狀，水平應(yīng)力大小從圍巖深部至巷道呈逐漸減小的形式。而豎向應(yīng)力最大值為3.444 MPa，且頂板應(yīng)力值分布要小于底板處。

2)注漿加固后，圍巖應(yīng)力發(fā)生變化。隨應(yīng)力分布形態(tài)基本未發(fā)生變化，但圍巖應(yīng)力明顯減少，加固后巷道兩側(cè)最大水平應(yīng)力值為1.823 MPa，與未加固前相比減少了1.082 MPa，減小量為37.2%。加固后的最大豎向應(yīng)力為2.053 MPa，與未加固前相比減少了1.391 MPa，減小量為40.3%。

4.2.2 位移分析

未注漿和注漿條件下的位移云圖對比如圖8所示。從圖8中可以看出：

圖8 位移云圖

1)未注漿時，巷道頂?shù)装逦灰屏孔畲?，最大值?7.8 cm，且對頂板圍巖位移影響范圍要高于底板；而兩幫位移量較小為51.8 cm。隨著距巷道的距離增加，巷道周圍巖石位移量也逐漸減少，成環(huán)狀分布，且兩幫影響范圍變化率要小于頂?shù)装濉?/p>

2)注漿加固后一定程度上減小了圍巖破壞范圍，特別是兩幫的破壞，破壞范圍明顯縮小。待注漿之后圍巖變形和破壞穩(wěn)定后，頂?shù)装宓淖畲笪灰屏繛?5.4 cm，比未注漿之前減少了22.4 cm，位移量減小了27.6%；兩幫的位移量為36.9 cm，比未注漿之前減少了14.9 cm，位移量減小了28.8%，頂部與兩幫位移平均減小量為28%。

對比分析可知，注漿加固能夠使原本破碎的圍巖粘連為一個整體，從而改變破碎巖石原有的屬性，極大提高巷道周圍巖石強度，同時注漿漿液對周圍巖石中裂隙的填充能進一步阻止開挖裂隙的擴展，因此注漿加固能夠有效減小圍巖的破壞范圍和破碎程度，很大程度上減小了圍巖的變形。

4.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

為保證高家堡煤礦開拓大巷現(xiàn)場應(yīng)用期間掘進巷道圍巖穩(wěn)定性良好，提出“錨固+注漿”聯(lián)合支護措施實施。注漿材料由水泥和水玻璃按1∶1比例混合而成，注漿孔孔徑為?32 mm，注漿孔深度為3～5 m，注漿壓力為0.5～1 MPa，注漿管為?21 mm×1000 mm的鐵管，采用ZBQ-5/12型氣動高壓雙液化學(xué)注漿泵進行注漿，提高圍巖強度。注漿后再進行錨網(wǎng)索支護，巷道錨桿采用?20 mm×2500 mm左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿，間排距1100 mm×1200 mm，托盤采用鐵制方托盤規(guī)格為長×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm。錨索采用?21.8 mm×6200 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距1100 mm×1200 mm，錨索盤規(guī)格90 mm×90 mm×8 mm，錨索梁采用高凸梯形鋼帶加工制作而成，規(guī)格為1500 mm×140 mm×8 mm，兩錨索孔間距為1200 mm。金屬網(wǎng)規(guī)格長×寬=2000 mm×1300 mm，由?6 mm的冷拔鋼筋焊接而成，網(wǎng)眼為正方形，邊長為100 mm，從而保證了巷道安全高效掘進及圍巖穩(wěn)定性控制。

5 結(jié) 論

1)研究建立了TBM掘進圓形巷道力學(xué)模型，對巷道圍巖最大塑性區(qū)擴展半徑進行推導(dǎo)，采用數(shù)學(xué)分析軟件分別分析了不同水平應(yīng)力、不同巖性條件對巷道圍巖塑性破壞的影響。

2)采用FLAC3D數(shù)值模擬分析方法，對不同水平應(yīng)力、不同巖性條件對巷道圍巖塑性破壞進一步分析，探究了側(cè)壓系數(shù)λ分別為1.0，1.4，1.8，2.0時巷道開挖后圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)范圍，探究了側(cè)壓系數(shù)1.8時非組合巖層、組合巖層中巷道圍巖塑性區(qū)分布特征，表明巷道底板處的塑性區(qū)明顯要小于巷道頂板處的塑性區(qū)，巷道的塑性區(qū)在煤層和泥巖之間界限明顯。

3)針對巷道圍巖塑性區(qū)破壞特征，研究提出了TBM掘進巷道注漿加固技術(shù)，并采用數(shù)值分析軟件對巷道無支護和有支護時的所受應(yīng)力和位移大小進行對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)注漿加固能夠有效提升巷道圍巖的穩(wěn)定性，現(xiàn)場應(yīng)用期間在“錨固+注漿”聯(lián)合支護措施實施后，巷道圍巖穩(wěn)定性良好。