深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖破壞機(jī)理及全錨索支護(hù)技術(shù)研究

董社

（河南能源集團(tuán)有限公司焦煤公司古漢山礦，河南焦作 454000）

0 引言

深井動力災(zāi)害的顯現(xiàn)特征、演化規(guī)律以及致災(zāi)機(jī)制均不同于淺部礦井[1-3]。進(jìn)入深部開采階段后，深部巖體呈現(xiàn)軟巖特征，隨之發(fā)生的大變形動力現(xiàn)象尤為突出，造成深部軟巖巷道支護(hù)困難[4-6]。為此，專家學(xué)者對深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制技術(shù)開展了大量研究，取得了豐富的研究成果。

康紅普等為表征深部軟巖巷道圍巖擴(kuò)容與流變特性模型問題，將改進(jìn)的應(yīng)變軟化塑性體、改進(jìn)黏塑性體和伯格斯體進(jìn)行串聯(lián)[7]；張紅軍等研發(fā)了一種由桿體1、托盤、桿體2、夾片、連接套、滑移套管、錐形套等組成的新型高預(yù)應(yīng)力增錨桿來控制深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖大變形[8]；左建平等針對深部軟巖巷支護(hù)困難的問題，提出了開槽卸壓控制技術(shù)，并建立了開槽卸壓等效橢圓模型，揭示了開槽卸壓控制深部軟巖巷道圍巖大變形機(jī)理[9]；孟慶彬等自主研制了破裂巖樣承壓注漿試驗(yàn)設(shè)備，開展了破裂巖體注漿加固力學(xué)特性試驗(yàn)[10]。

古漢山礦1606 底抽巷回風(fēng)巷是典型的深部軟巖巷道。該區(qū)域巷道掘出后，圍巖短時間內(nèi)即發(fā)生大變形。本文通過建立該礦1606 底抽巷回風(fēng)巷圍巖變形破壞的數(shù)值模型，分析研究深部軟巖巷道變形破壞機(jī)理，提出深部軟巖巷道“短錨索固幫+長錨索強(qiáng)頂”的全錨索加固技術(shù)?，F(xiàn)場工程實(shí)踐表明，采用該技術(shù)后，可明顯控制深部軟巖巷道圍巖大變形，對提高支護(hù)剛度與強(qiáng)度，以及錨固范圍內(nèi)的破碎圍巖力學(xué)性質(zhì)具有顯著作用。

1 概況

古漢山井田位于焦作市東北，井田走向長10 km，傾向?qū)?.7 km。1606 底抽巷回風(fēng)巷地面標(biāo)高+96.1—+97.8 m，井下標(biāo)高-603—-627 m，已進(jìn)入深部開采序列，巷道揭露區(qū)域圍巖體呈現(xiàn)出典型的軟巖特征。巷道設(shè)計為直墻半圓拱形，設(shè)計長度為101.5 m，巷道掘進(jìn)寬度為5200 mm，掘進(jìn)高度為4100 mm，直墻高度為1500 mm，掘進(jìn)斷面面積為18.4 m2。

2 深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖破壞數(shù)值模擬分析

基于古漢山礦1606 底抽巷回風(fēng)巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立FLAC3D 數(shù)值模型，模型長×寬×高為80 m×60 m×80 m，巷道為直墻拱型。模型四周邊界與底部邊界固定速度，模型頂部邊界為垂直應(yīng)力邊界，側(cè)壓系數(shù)取值1.2，摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則為材料變形破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則。巷道開挖無支護(hù)情況下的巷道圍巖塑性區(qū)、垂直應(yīng)力分布及偏應(yīng)力分布情況如圖1 所示。

圖1 巷道開挖無支護(hù)情況下的巷道圍巖塑性區(qū)、垂直應(yīng)力分布及偏應(yīng)力分布Fig.1 The plastic zone,vertical stress and deviatoric stress distribution of roadway surrounding rock without support in roadway excavation

由圖1 可知，巷道開挖后，在沒有支護(hù)情況下，巷道圍巖塑性區(qū)較大，且巷道肩角及頂板塑性區(qū)深度明顯大于巷道兩幫及底板；巷道頂?shù)装逶陂_挖后形成較大范圍的應(yīng)力低值區(qū)，巷幫深部圍巖則形成近似對稱的應(yīng)力集中區(qū)域；此外，巷道開挖后，圍巖將形成偏應(yīng)力環(huán)形峰值帶，且距離巷道表面較遠(yuǎn)。

3 深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖破壞機(jī)理分析

（1） 深部高應(yīng)力導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生大變形破壞。進(jìn)入深部開拓階段后，深部巖體處于高滲透壓力、高地應(yīng)力、高地溫梯度和強(qiáng)烈采掘擾動的“三高一擾動”相互耦合的復(fù)雜環(huán)境，隨之發(fā)生的大變形動力現(xiàn)象尤為突出，造成深部巷道支護(hù)困難。

（2） 古漢山礦1606 底抽巷回風(fēng)巷圍巖巖性較為松軟、破碎，整體性差，屬于典型的軟巖巷道，在深井高應(yīng)力復(fù)雜環(huán)境下，易導(dǎo)致巷道圍巖進(jìn)一步劣化，巷道圍巖擴(kuò)容和流變效應(yīng)凸顯，使得巷道圍巖控制難度加大。

4 深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制對策及支護(hù)技術(shù)

4.1 圍巖控制對策

巷道圍巖塑性區(qū)深度遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)錨桿支護(hù)范圍，巷道圍巖全斷面利用錨索代替錯桿進(jìn)行支護(hù)，擴(kuò)大錨固結(jié)構(gòu)控制范圍。巷道圍巖全錨索支護(hù)系統(tǒng)能充分發(fā)揮其施加高預(yù)緊力的優(yōu)勢，使錨索控制范圍內(nèi)的巖體近似呈三向受壓狀態(tài)，有效控制淺部圍巖受開挖或采動影響而誘發(fā)的裂隙拓展，圍巖松動破碎圈范圍大幅縮減，使得巷道圍巖松動破碎帶范圍控制在錨索支護(hù)范圍內(nèi)。

考慮到巷道頂板及肩角圍巖破壞程度大于巷道兩幫破壞程度的圍巖破壞特征，本文特提出深部軟巖巷道“短錨索固幫+長錨索強(qiáng)頂”的全錨索控制對策。

4.2 支護(hù)技術(shù)參數(shù)

巷道永久支護(hù)為錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨網(wǎng)索噴支護(hù)后巷道凈寬5000 mm，凈高4000 mm，直墻高度1500 mm，基礎(chǔ)深度100 mm，初噴厚度為20 ～50 mm，凈斷面為17.3 m2。頂板打設(shè)φ21.6 mm×7300 mm錨索，幫部打設(shè)中φ17.8 mm×4300 mm 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索，錯索間排距為800 mm×800 mm，頂板錨索預(yù)緊力為300 kN，幫部錨索預(yù)緊力為200 kN，噴漿厚度為≤100 mm。外露長度為150～250 mm（鎖具以外）?；炷涟枇线x用P.C42.5 復(fù)合硅酸鹽水泥，砂為機(jī)制砂，石子粒徑為5 ～10 mm，速凝劑型號為782-3 型?；炷林亓颗浜媳人唷脵C(jī)制砂=1∶4，速凝劑摻入量為水泥用量的3%～5%，其最小值不低于標(biāo)準(zhǔn)值的90%為合格?，F(xiàn)場巷道支護(hù)方案如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場巷道支護(hù)方案Fig.2 On-site roadway support scheme

為了解巷道圍巖采取新技術(shù)后的控制效果，開展了深部軟巖巷道“短錨索固幫+長錨索強(qiáng)頂”的全錨索加固技術(shù)圍巖控制效果的數(shù)值模擬研究，錨桿錨索采用cable 結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，噴漿層采用shell 結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 新支護(hù)情況下的巷道圍巖塑性區(qū)、垂直應(yīng)力分布及偏應(yīng)力分布Fig.3 The plastic zone,vertical stress and deviatoric stress distribution of roadway surrounding rock with support in roadway excavation

由圖3 可知，巷道圍巖采用“短錨索固幫+長錨索強(qiáng)頂”的全錨索加固技術(shù)后，巷道圍巖塑性區(qū)明顯減小，且錨索均可錨固在穩(wěn)定的彈性區(qū)巖體中，巷道圍巖應(yīng)力低值區(qū)域范圍明顯縮小且偏應(yīng)力峰值帶明顯向圍巖淺部轉(zhuǎn)移。表明新技術(shù)明顯改善了圍巖淺表面的應(yīng)力環(huán)境，使得淺部圍巖承載能力得到較大幅度提升。

4.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

采用十字測點(diǎn)法對巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r收斂情況進(jìn)行觀測，觀測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r收斂情況Fig.4 The surrounding rock convergence of the roof,floor and the two sides

巷道圍巖采用“短錨索固幫+長錨索強(qiáng)頂”的全錨索加固技術(shù)后，圍巖變形得到了較好控制，頂?shù)装遄冃纬潭日w上大于巷幫變形程度。巷道頂?shù)装逑鄬σ平孔罱K穩(wěn)定在105 mm 左右，巷道幫部移近量穩(wěn)定在91 mm 左右，圍巖的變形量較小，處于可控范圍內(nèi)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對巷道圍巖的有效控制。

5 結(jié)語

（1） 本文建立了深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖破壞數(shù)值模型，探究深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖破壞機(jī)理，提出了深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制對策，并提出深部軟巖巷道“短錨索固幫+長錨索強(qiáng)頂”的全錨索加固技術(shù)。

（2） 巷道圍巖全錨索支護(hù)系統(tǒng)能充分發(fā)揮其施加高預(yù)緊力的優(yōu)勢，使錨索控制范圍內(nèi)的巖體近似呈三向受壓狀態(tài)，有效控制淺部圍巖受開挖或采動影響而誘發(fā)的裂隙拓展，圍巖松動破碎圈范圍大幅縮減，使巷道圍巖松動破碎帶范圍控制在錨索支護(hù)范圍內(nèi)。

（3） 現(xiàn)場工程實(shí)踐表明，該技術(shù)可提高支護(hù)剛度與強(qiáng)度，以及錨固結(jié)構(gòu)范圍的破碎圍巖力學(xué)性質(zhì)，巷道頂?shù)装逑鄬σ平孔罱K穩(wěn)定在105 mm 左右，巷道幫部移近量穩(wěn)定在91 mm 左右，圍巖變形量較小，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對巷道圍巖的有效控制。