多次采動軟巖巷道圍巖控制機理與支護措施

摘要:在煤層群開采中，集中煤層上山需經受多次采動影響，選擇合理的巷道圍巖控制方法和支護措施對于控制巷道圍巖變形尤其重要。首先采用X射線衍射譜分析和圍巖松動圈鉆孔窺視研究集中煤層上山頂底板巖性及巖層結構特征，分析了集中煤層上山變形和圍巖松動圈發展規律；然后以某一具體礦井的生產地質條件為背景，應用FLAC5.0數值模擬軟件模擬分析了錨桿預應力和底板注漿對巷道圍巖塑性區分布的影響；最后提出了多次采動軟巖巷道的支護措施，現場實踐表明，支護效果明顯。

關鍵詞:多次采動 軟巖巷道 高預應力 分次注漿

項目名稱：國家自然科學基金項目，項目編號：50874042

地下巷道在開挖前，巖體在原巖應力作用下處于初始地應力平衡狀態。巷道的開挖破壞了這種平衡，巷道周圍巖體內各點的應力發生了變化，應力重新調整達到新的平衡。在煤層群采區巷道布置中，一部分礦井將采區上山布置在最下一層煤中，煤層上山將經受多次采動影響，上山在經受第一次采動影響后往往表現出圍巖變形量大、底臌等現象，只有采取相應加強支護措施后才能滿足后期采煤、運輸、通風和行人等要求。目前，國內外眾多專家學者通過理論、數值模擬、實驗室試驗和現場實際等研究手段，提出了卓有成效的支護加強措施。如王福剛提出在采動之前對軟巖巷道采取行補打錨索、架U型鋼棚等措施。陸士良等認為巷道受采動影響后，不僅巷道周邊，而且巖體深部都處于強烈支承壓力下，產生大范圍的塑性變形而嚴重破壞；錨桿錨固力是峰后圍巖剪脹變形與錨桿相互作用的結果， 隨巷道圍巖變形和損傷的發展， 錨桿錨固力呈現增長、穩定、衰減、以致喪失等過程。王天剛等認為在采用錨噴作一次支護后，圍巖中等穩定的采動巷道不需要維修有以下兩種解決辦法:其一是在第一次采動壓力穩定后補噴一層砂漿或混凝土， 厚度可達30～50mm即可；其二是采用錨噴網聯合支護， 就是在噴射混凝土之前敷設金屬網， 噴后成鋼筋混凝土層。柏建彪等提出采動巷道底鼓控制重點是加固破碎底板， 增大其峰后強度和殘余強度， 同時盡量減小底板自由面積， 控制水平應力對底鼓的影響。李凱歌等提出在三軟煤層多次采動巷道的支護中應采用以“錨梁網+ 錨索”為主體的支護形式，并對巷道關鍵部位加強支護實施動態疊加支護，確保巷道的穩定。孫光中等認為，在巷道群開挖后，巷道圍巖應力場是經過巷間應力相互疊加至穩定的二次應力場；隨著采場寬度的增加，采場形成的側向支承壓力影響范圍也在增大，繼而又與巷道群已有的二次應力場疊加，使巷道群圍巖再次破壞至穩定的三次應力場。本文以一煤礦多次采動上山巷道為工程背景，采用數值模擬與圍巖松動圈現場實測的方法研究多次采動影響軟巖巷道圍巖控制機理與支護措施。

一、巷道頂、底板巖性X射線衍射分析

礦物的X射線定性相分析指的是用粉晶X射線衍射數據對樣品中存在的礦物相進行鑒別，一種物相有自己獨特的一組衍射線條（衍射譜）。利用長沙礦冶研究院的德國布魯克D8 ADVANCE型X射線衍射儀對其進行XRD分析，X射線衍射譜圖如圖1所示，由圖1可知：上山煤層巷道頂、底板均含有近25%的高嶺石，頂板含有50%的云母，底板含有10%的云母和含有10%的長石，說明煤層山巷道圍巖巖性較軟，屬于軟巖。

二、二次采動上山巷道圍巖松動圈測試

為準確了解二次采動后，煤層上山巷道的圍巖松動圈破壞情況，以及先期注漿加固效果，應用YTJ20型巖層探測記錄儀進行圍巖松動圈探測。

2.1 未注漿巷道圍巖松動圈情況

巷道頂板及幫圍巖松動圈情況如圖2～3所示。

2.2 已注漿巷道圍巖松動圈情況

在巷道圍巖注漿地段（注漿管長度為2m）進行圍巖松動圈鉆孔窺視，巷道頂板圍巖松動圈情況如圖4所示。

2.3 結果分析

未注漿段巷道圍巖破碎嚴重，圍巖完整性較差，一般松動圈范圍都在5m左右，尤以4m范圍內破碎嚴重。注漿段（注漿管長度為2m）巷道在注漿有效半徑（2.5m）內圍巖完整性較好，但超出有效半徑部分圍巖依然破碎。為確保巷道修復后在使用期內正常安全使用，巷道修復時必須采取聯合支護加固措施，即采取注漿加固措施膠結已破碎、開裂的圍巖，同時提供較大的支護抗力及時阻止注漿加固圍巖的變形。

三、巷道圍巖控制的數值模擬

根據FLAC軟件計算精度對網格劃分大小的要求，計算模型模擬范圍為：寬×高=40m×30m，網格為115×100，劃分為11500個單元，巷道開挖部分采用網格細化處理，以提高其計算精度。以礦井上山巷道的實際支護條件和地質條件為參考，頂錨桿5根，兩幫各4根錨桿，錨桿桿體尺寸φ20mm×2.2m，錨固長度都取1.2m，排距0.8m；錨索排距1.2m，頂錨索2根，幫錨索1根，錨固長度1.8m；垂直應力和水平應力分別取10MPa、12.5MPa。

3.1 預應力對圍巖控制的數值模擬

為模擬預應力對圍巖變形的控制作用，在上述計算模擬中，錨索預應力保持120kN不變，錨桿預應力取0、20kN、40kN、60kN，模擬得到圍巖塑性區分布如圖5所示。

由圖5可以發現，預應力大小對錨桿支護效果有著重要影響，預應力過小，起不到鎖緊圍巖的作用，圍巖受剪切破壞依然嚴重，只有當預應力達到一定值后才能控制圍巖松動圈的發展；隨著錨桿預應力的增大，圍巖塑性區減小，巷道穩定性增強。

3.2 巷道底板注漿對圍巖變形的影響

模擬巷道頂板及兩幫注漿半徑4.0m，巷道底板注漿孔長度分別取0m、0.5m、1.0m情況下的圍巖塑性區分布情況，如圖6所示。

從圖6可以發現，隨著底板注漿范圍的加大，底角角點處集中應力變化梯度減小，集中應力變化更趨于緩和，呈現均布化發展趨勢；隨著底板注漿加固范圍的加大，底板巖層整體強度與幫部巖層的差距在減小，這在一定程度上減緩了底角角點處的應力集中程度。

四、支護實踐

根據圍巖巖性調查、圍巖鉆孔結構詳查，某礦煤層上山巷道在二次采動影響下已遭到嚴重破壞，壓力大、圍巖結構破碎松軟。由于該巷道在后期仍要受兩次采動影響，綜合前述圍巖鉆孔觀測和數值模擬結果，考慮到單一的加固方法不能有效控制此類破碎圍巖的長期蠕變及進一步破壞，為保證加固效果，確定采用分次注漿加固配合高預應力錨桿、錨索支護的綜合加固方案。

注漿的目的是充填受動壓影響后，巷道圍巖離層、開裂形成的裂隙，將破碎的巷道圍巖進行重新組合，盡量恢復并構成完整的巖體結構，進而形成連續的結構體，以有利于錨桿、錨索加固時力的傳遞，大幅度提高加固質量和效果。但是，注漿后的破碎圍巖，雖然基本上恢復了連續狀態，但其承載能力仍較弱，采動壓力作用下可能重新破壞，進而再次失去承載能力；故選擇在注漿后采用高預應力錨桿、錨索增強注漿膠結破碎圍巖的粘聚力。高預應力錨桿錨索加固的目的是在巷道圍巖結構恢復連續性后，對圍巖周邊加上強力的邊界條件，使其具有較強的承載能力，充分發揮連續巖體自身的承載能力，進而抵抗應力重新分布過程中巷道圍巖的變形移動。

為檢驗煤層上山巷道支護效果，在試驗段布置三個測點，分別監測頂底板下沉量、底臌和兩幫移近量。監測結果表示，與巷道采用原支護的同期變形相比，試驗巷道的平均底臌速度由12.6mm/d下降至5.3mm/d，兩幫平均移近速度由15.1mm/d下降至4.3mm/d，綜合結果表明，試驗巷道支護措施是合理的。

五、結論

針對某礦煤層上山巷道多次采動作用下圍巖變形量大、底膨嚴重和巷道維護困難的特點，從巖性分析、圍巖松動圈測試和數值模擬等方面分析了多次采動影響軟巖巷道圍巖控制及其支護措施，得出如下結論。

（1）煤層上山巷道在多次采動壓力作用下，巷道圍巖屬于大松動圈極不穩定圍巖結構，淺層注漿無法控制深部圍巖變形的發展。（2）預應力過小，起不到鎖緊圍巖的作用，只有當預應力達到一定值后才能控制圍巖松動圈的發展；錨桿預應力越大，圍巖塑性區越窄，巷道越穩定。（3）底板注漿加固可以提高底板巖層整體強度，縮小與幫、頂圍巖強度的差距，使巷道圍巖強度呈現均布化，從而集中應力變化梯度減小。（4）在支護措施上，采取淺部注漿與深部注漿相配合形成連續圍巖，淺部注漿與高預應力錨桿結合構建淺層承載拱，高預應力錨索控制深部位移，支護實踐表明該加固方法是可行的。

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作者簡介:

歐陽昶(1960-)，男，湖南株洲人，礦長，工程師，從事煤礦生產技術管理工作。

（責任編輯：吳超）