某礦高應(yīng)力強(qiáng)流變軟巖巷道失穩(wěn)破壞機(jī)理及控制技術(shù)

朱士永

(徐州工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

近年來，我國煤礦開采趨勢表現(xiàn)出由東部向西部、由淺部向深部轉(zhuǎn)移的變化特征，尤其對于深埋軟巖巷道而言，由于巖體介質(zhì)的非均質(zhì)性和非連續(xù)性，其變形力學(xué)機(jī)制較為復(fù)雜，極易呈現(xiàn)出大變形、高地壓、強(qiáng)流變、廣破壞的失穩(wěn)特點(diǎn)，圍巖控制難度較大，控制方法也因地質(zhì)條件不同各有所異[1-3]。目前，針對此類巷道的支護(hù)問題，逐漸形成了以高強(qiáng)支護(hù)、讓壓支護(hù)、大小承載結(jié)構(gòu)支護(hù)和耦合支護(hù)等為代表的先進(jìn)支護(hù)理論；此外，錨注+錨索支護(hù)、高強(qiáng)錨噴+錨索支護(hù)、雙殼支護(hù)、錨噴注+U型鋼支護(hù)以及鋼管混凝土支護(hù)等圍巖控制方法也在此類巷道中得到較為廣泛的應(yīng)用[4-8]。本研究以某礦皮帶下山塑性大變形為工程背景，在分析圍巖失穩(wěn)機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了2種優(yōu)化支護(hù)方案，并采用FLAC3D模擬其具體支護(hù)效果，最后將其應(yīng)用到工程實(shí)踐當(dāng)中。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

某礦皮帶下山埋深約645～815 m，布置于二1煤層底板8～10 m內(nèi)，巷道斷面采用直墻半圓拱形，凈寬為5 000 mm，凈高為4 300 mm，直墻高為1 800 mm，掘進(jìn)斷面的面積為15.7 m2。巷道頂、底板均為砂質(zhì)泥巖，其成分主要由石英組成，并含有部分高嶺石和伊利石，層面間存在泥質(zhì)、夾泥質(zhì)條帶、炭質(zhì)包體和塊狀構(gòu)造等不連續(xù)弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)面。由地質(zhì)探測結(jié)果可知，該巷道內(nèi)斷層、節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，圍巖結(jié)構(gòu)整體較為破碎，且底板受承壓水影響較為顯著。當(dāng)巷道開挖后，受高應(yīng)力及水化作用的影響，礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，整體呈現(xiàn)塑性大變形破壞特征，急需采取相關(guān)措施進(jìn)行治理。

1.2 巷道變形破壞特征

巷道開挖初期采用錨桿-錨索主動支護(hù)，金屬網(wǎng)和噴層護(hù)表支護(hù)形式，其具體支護(hù)參數(shù)：錨桿規(guī)格為φ20 mm×3 000 mm等強(qiáng)螺紋鋼，間排距700 mm×700 mm，施加初始預(yù)緊力為40 kN。錨索規(guī)格為φ18.9 mm× 6 000 mm鋼絞線，間排距1 400 mm× 1 400 mm，施加初始預(yù)緊力為130 kN，點(diǎn)錨布置，錨固劑型號為4根K2350樹脂加長錨固。鋼筋托梁型號φ10 mm×2 200 mm；噴層厚度為120 mm，型號為C15混凝土。巷道開挖30 d后，其圍巖變形破壞特征表現(xiàn)為：

(1)淺部圍巖破碎嚴(yán)重，次生裂隙發(fā)育。根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果可知，在巷道開挖45 d后，頂板及兩幫淺部巖層裂隙分布較為密集，破裂范圍廣，其中頂板及兩幫最大破裂深度分別約6.2 m和3.4 m。

(2)巷道斷面收縮率高，持續(xù)變形劇烈。在巷道開挖30 d時，其斷面收縮率高達(dá)45%左右，此時頂板平均下沉速率為10.37 mm/d，兩幫及底板變形速率分別為16.6 mm/d和7.23 mm/d，變形較大，且長期不能達(dá)到穩(wěn)定。

(3)圍巖自穩(wěn)時間短。巷道開挖后，在較短時間內(nèi)迎頭位置出現(xiàn)頂板小塊冒落現(xiàn)象，甚至在臨時支護(hù)前巷道斷面已經(jīng)開始出現(xiàn)明顯的收縮變形，其變形首先從幫部開始，而后底板鼓起，最后頂板下沉。

(4)支護(hù)結(jié)構(gòu)失效嚴(yán)重。如圖1所示，在弱支護(hù)區(qū)，鋼筋托梁及錨網(wǎng)拉剪、撕裂破壞現(xiàn)象突出，噴層侵蝕脫落時有發(fā)生；此外，在斷層帶附近，受構(gòu)造應(yīng)力影響，部分錨桿發(fā)生了剪切、滑移脫錨失效，并造成小面積冒頂事故的發(fā)生。

圖1 巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞情況

(5)巷道底鼓量較大。由于控底措施不夠完善，巷道開挖后，為釋放圍巖變形能，在水平應(yīng)力作用下，底板巖層開始沿塑性滑移線向巷內(nèi)臨空自由面移動，并產(chǎn)生擠壓流動性底鼓。經(jīng)測定，最大底鼓量達(dá)348 mm。

1.3 皮帶下山圍巖力學(xué)狀態(tài)分析

根據(jù)巖土工程經(jīng)驗(yàn)公式，巖層軟化臨界載荷可按照式(1)計(jì)算：

σcs=KRc,

(1)

式中,K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，節(jié)理化軟巖取值0.4～0.8，膨脹型軟巖取值0.3～0.5；Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度。經(jīng)測定，該巷道頂板泥巖破碎程度較高，裂隙、節(jié)理較為發(fā)育，屬于節(jié)理型軟巖，故K取值0.4～0.8。取Rc=14.6 MPa，代入式(1)，可得頂板巖層軟化臨界載荷為5.84～11.68 MPa。該礦運(yùn)輸巷平均水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分別為30.15 MPa和20.15 MP，明顯大于頂板巖層的臨界載荷，因此，當(dāng)巷道開挖卸荷后，圍巖應(yīng)力重新分布，在自重應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力共同作用下，極易使該層位巖層進(jìn)入塑性大變形狀態(tài)。

1.4 巷道變形破壞原因分析

通過對某礦皮帶下山圍巖變形破壞特征進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研情況，總結(jié)巷道變形破壞的主要原因?yàn)椋?/p>

(1)圍巖應(yīng)力較高，工程地質(zhì)條件較為惡劣。地應(yīng)力測試結(jié)果表明，該巷道所在層位垂直應(yīng)力高達(dá)20.15 MPa，水平應(yīng)力約為垂直應(yīng)力的1.5倍，屬于典型的高應(yīng)力軟巖巷道；此外，巷道所在區(qū)域大、小斷層分布較為密集，且均為正斷層，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，構(gòu)造應(yīng)力較大，巷道維護(hù)較為困難。

(2)圍巖強(qiáng)度低，支護(hù)強(qiáng)度不足。受開挖擾動及構(gòu)造應(yīng)力的影響，淺部圍巖整體較為破碎，殘余強(qiáng)度低，自承能力弱；由于支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，巷道開挖30 d內(nèi)就出現(xiàn)錨桿和鋼筋梯子梁發(fā)生拉伸、剪切破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖松動范圍增大，加劇圍巖整體變形。

(3)控底措施不足、擠壓流動性底鼓顯著。底板支護(hù)強(qiáng)度偏低，底鼓量較大。在高水平擠壓應(yīng)力作用下，底板巖層沿塑性滑移線向巷內(nèi)臨空自由面流動，此時圍巖能量積聚，所釋放變形能作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)之上，致使其產(chǎn)生拉伸剪切破壞，并形成擠壓流動性底鼓。

2 圍巖控制技術(shù)

2.1 支護(hù)方案優(yōu)化

在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，提出了2種優(yōu)化方案，分別為全斷面高強(qiáng)錨桿+長錨索+控底混凝土層耦合支護(hù)(方案1)和長短多級錨索+高強(qiáng)錨桿+柔性讓壓充填層+U型鋼聯(lián)合支護(hù)(方案2)，其具體支護(hù)參數(shù)如下。

優(yōu)化方案1支護(hù)參數(shù)：

(1)錨桿規(guī)格調(diào)整為φ20 mm×2 400 mm MSG500等強(qiáng)螺紋鋼，初始預(yù)緊力調(diào)整為70 kN，每斷面布置18根，并沿巷道軸線呈對稱布置形式，其中幫底錨桿與水平方向呈15°夾角布置，其它均垂直于圍巖安裝；錨固劑型號調(diào)整為1支MSZ2350中速樹脂錨固劑和2支MSCK2350超快樹脂錨固劑加長錨固。

(2)錨索規(guī)格調(diào)整為φ18.9 mm×8 300 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，初始預(yù)緊力調(diào)整為160 kN，縱向連接布置，每斷面布置7根，均呈對稱形式垂直于圍巖安裝；錨固劑型號為4支MSZ2350中速樹脂錨固劑，固化時間約90～180 s，等候時間約480 s。

(3)混凝土砂漿噴層厚度調(diào)整為150 mm，型號為C20混凝土。

(4)底板安裝橫梁，并進(jìn)行100 mm整體澆筑，左右兩端分別焊接一腳柱板，將底梁與U36型鋼支架連接組成具有高抗壓性能的立體構(gòu)件，其中U36型鋼排距為700 mm。具體斷面支護(hù)情況如圖2所示。

優(yōu)化方案2支護(hù)參數(shù)：

由于方案2采用讓壓支護(hù)，需預(yù)留一定讓壓空間，故巷道開挖斷面調(diào)整為寬×高=6 040 mm×4 920 mm。本次支護(hù)分2次進(jìn)行，1次支護(hù)采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索耦合支護(hù)，2次支護(hù)采用壁后充填+U型鋼聯(lián)合支護(hù)。其支護(hù)參數(shù)在方案1的基礎(chǔ)上調(diào)整如下①拱部錨索采用長短錨索交替布置，其中，短錨索規(guī)格為φ18.9 mm×5 300 mm，間排距為2 800 mm×1 400 mm，長錨索規(guī)格為φ18.9 mm×8 300 mm，間排距為2 800 mm×1 400 mm；②幫部鎖棚錨索規(guī)格為φ18.9 mm×5 300 mm，間排距為1 500 mm×700 mm；③預(yù)留讓壓空間為300 mm，壁后采用成袋沙石充填，表層采用U36型鋼高強(qiáng)支護(hù)。其斷面支護(hù)情況如圖3所示。

圖2 方案1斷面支護(hù)

圖3 方案2斷面支護(hù)

2.2 支護(hù)效果數(shù)值模擬

本次采用FLAC3D軟件分別對2種優(yōu)化方案的位移場和塑性區(qū)進(jìn)行模擬分析。其中，開挖巷道凈寬×高為5 000 mm×4 300 mm， 模型尺寸為60 m×50 m×60 m，共劃分65 700個單元，其中上邊界采用應(yīng)力約束，水平方向和下邊界采用固定約束；上覆等效載荷取20 MPa，側(cè)壓系數(shù)取1.5。計(jì)算采用應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，壁后充填層可采用弱化后的巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代。數(shù)值模型圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2.1 位移場分布

由表2可知，優(yōu)化方案1和方案2均可有效降低圍巖整體變形，但與原支護(hù)方案相比，方案1頂板最大下沉量減小了153 mm，降低了49.20%，底鼓量及兩幫移近量分別減小了100 mm和285 mm，降低了46.08%和57.23%，基本達(dá)到降低圍巖變形的目的，

表1 圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

但控制效果并不太理想；與方案1相比，方案2頂板下沉量、兩幫移近量和底鼓量分別減小了84 mm、105 mm和55 mm，其圍巖整體變形基本控制在110 mm以內(nèi)，應(yīng)用效果較為理想。

表2 不同支護(hù)方案下圍巖變形情況

2.2.2 塑性區(qū)分布

如圖4所示，方案1與方案2的圍巖塑性區(qū)均呈“類橢圓形”分布形態(tài)，且頂?shù)装寮皫徒俏恢镁霈F(xiàn)不同程度的拉剪破壞，但與方案1相比，方案2頂?shù)装寮皟蓭退苄詤^(qū)范圍明顯較小，說明方案2更可有效控制圍巖幫角裂隙發(fā)育，抑制底板巖層沿塑性滑移線向巷內(nèi)流動，防止巷道底鼓的發(fā)生。

圖4 不同方案下塑性區(qū)分布情況

3 工業(yè)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證優(yōu)化方案2的具體支護(hù)效果，在某礦運(yùn)輸巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，并對其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，其頂板最大下沉量、底鼓量和幫部最大擠進(jìn)量如圖5所示。

圖5 圍巖最大變形統(tǒng)計(jì)

由圖5可知，當(dāng)巷道達(dá)到穩(wěn)定后，其頂板最大下沉量、底鼓量和兩幫移近量分別為37.8 mm、97.8 mm和105.3 mm，較原支護(hù)分別降低了87.85%、54.93%和78.86%，且支護(hù)結(jié)構(gòu)均沒有出現(xiàn)明顯破壞的跡象，說明該方案有效控制了圍巖有害變形，解決了該礦皮帶下山變形大、持續(xù)變形劇烈及支護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失效的工程難題，為礦山的安全開采提供了重要保障。

4 結(jié) 論

(1)通過對某礦皮帶下山的現(xiàn)場調(diào)研，分析了影響巷道圍巖變形破壞的3大原因?yàn)閲鷰r應(yīng)力高，工程地質(zhì)條件惡劣；圍巖強(qiáng)度低、支護(hù)強(qiáng)度不足；控底措施不足、擠壓流動性底鼓顯著。

(2)在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，提出了全斷面高強(qiáng)錨桿+長錨索+控底混凝土層耦合支護(hù)(方案1)和長短多級錨索+高強(qiáng)錨桿+柔性讓壓充填層+U型鋼聯(lián)合支護(hù)(方案2)2種優(yōu)化方案，并采用FLAC3D軟件分析了2種優(yōu)化方案的位移場及塑性區(qū)分布情況，結(jié)果證明方案2具有更加有效的支護(hù)效果。

(3)將長短多級錨索+高強(qiáng)錨桿+柔性讓壓充填層+U型鋼聯(lián)合支護(hù)方案應(yīng)用于工業(yè)性試驗(yàn)中，當(dāng)巷道穩(wěn)定后，與原支護(hù)方案相比，其頂板最大下沉量、底鼓量和兩幫移近量分別降低了87.85%、54.93%和78.86%，有效控制了圍巖變形，解決了該巷道塑性大變形的工程難題。

[1] 辛亞軍,穆利斌.高應(yīng)力泥巖頂板巷道圍巖失穩(wěn)特征及控制分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2017,34(3):519-525.

Xin Yajun,Mu Libin.Analysis of instability characteristics of surrounding rocks in mudstone roof gateway subjected to high stress and its control[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2017,34(3):519-526.

[2] 吳和平,陳建宏,張 濤，等.高應(yīng)力軟巖巷道變形破壞機(jī)理與控制對策研究[J].金屬礦山,2007(9):50-54.

Wu Heping,Chen Jianhong,Zhang Tao.Study on deformation destruction mechanism of high stress weak-rock tunnel and control measures[J].Metal Mine,2007(9):50-54.

[3] 唐芙蓉,王連國,張華磊,等.動壓軟巖巷道破壞機(jī)理及控制技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2010,27(4):537-542.

Tang Furong,Wang Lianguo,Zhang Hualei.Failure mechanism of dynamically-pressured soft rock roadway and control technology[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2010,27(4):537-542.

[4] 劉泉聲,康永水,白運(yùn)強(qiáng).顧橋煤礦深井巖巷破碎軟弱圍巖支護(hù)方法探索[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,32(10):3097-3104.

Liu Quansheng,Kang Yongshui,Bai Yunqiang.Research on supporting method for deep rock roadway with broken and soft surrounding rock in Guqiao Coal Mine[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(10):3098 -3104 .

[5] 余偉健,高 謙,朱川曲,等.深部軟弱圍巖疊加拱承載體強(qiáng)度理論及應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(10):2134-2142.

Yu Weijian,Gao Qian,Zhu Chuanqu.Study of strength theory and application of overlap arch bearing body for deep soft surrounding rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(10):2134-2142.

[6] 余偉健,王衛(wèi)軍,黃文忠,等.高應(yīng)力軟巖巷道變形與破壞機(jī)制及返修控制技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(4):614-622.

Yu Weijian,Wang Weijun,Huang Wenzhong,et al.Deformation mechanism and rework control technology of high stress and soft rock roadway[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):614-623

[7] 宋偉杰,喬衛(wèi)國,林登閣.磁西煤礦深部高應(yīng)力巷道變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)[J].金屬礦山,2015(5):39-42.

Song Weijie,Qiao Weiguo,Lin Dengge.Deep highly stressed roadways in Cixi Coal Mine and the control technology[J].Metal Mine,2015(5):39-43.

[8] 馮月新,孟 波.高應(yīng)力巷道錨穿鋼管混凝土支護(hù)技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2015,43(4):1-5.

Feng Yuexin,Meng Bo.Study on technology of anchor concrete-filled steel tube supporting structure in roadway with high stress[J].Coal Science and Technology,2015,43(4):1-6.