深部軟巖巷道變形破壞機理及穩定性控制對策分析

李凱亭

（山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100）

1 工程概況

經坊煤礦運輸巷道大巷為經坊煤礦的永久大巷。從運輸大巷開挖情況來看，所經地質條件較為復雜。巷道設計采用直墻半圓拱形，寬×高=4400mm×3500mm，原有支護設計采用錨網噴支護，巷道開挖后，出現了大范圍的變形破壞，其中，頂板大面積下沉，低底板鼓起明顯，兩幫收斂劇烈，巷道整個支護體系失效嚴重，同時，巷道頂板與兩幫的噴層大面積剝落，錨桿扭曲嚴重，所形成的網兜較多，導致運輸大巷不能正常使用。現場變形破壞圖如圖1所示。

圖1 巷道變形破壞現場圖

2 運輸大巷變形破壞機理分析

2.1 數值模擬模型的建立

為更為深入的分析運輸巷道大巷出現嚴重變形破壞的具體原因，選擇使用FLAC3D對巷道圍巖變形進行數值模擬，設計模型為長×寬×高=60m×60m×60m，共包含有21600個單元，數值模擬模型如圖2所示。

圖2 巷道變形破壞數值模擬模型

2.2 大巷塑性區分析

通過數值模擬得到了巷道圍巖在采用原有錨網噴支護后，得到了如圖3所示的塑性區范圍。

分析圖3可知，在原支護條件下，運輸大巷出現的塑性區范圍多數集中在兩幫的周邊，特別是在拐角的位置出現了明顯的應力集中，整個塑性區的范圍呈現出放射狀。其中，屈服區域的范圍正在緩慢增加，考慮是由于外界采動影響給大巷穩定性帶來的影響。同時，巷道的頂板與底板，圍巖塑形狀態正在從單一剪切應力破壞轉變為復合型的拉應力-剪應力破壞。

圖3 原支護條件下巷道圍巖塑性區范圍

2.3 大巷圍巖位移分析

圖4 原支護條件下圍巖位移分布圖

分析圖4可知，巷道頂板與兩幫變形量較大，其中，頂板下沉量最大值已經達到了330mm，兩幫相對移近量已經接近100mm，巷道整體出現了明顯的變形破壞，這與巷道實際變形破壞較為相符。因此，在進行巷道返修時，應當注意巷道支護的耦合性，對于巷道的頂板、兩幫應當進行針對性的強力支護。同時，這里考慮由于未對巷道底板進行支護，導致巷道底板鼓起，進一步加劇了巷道兩幫收斂程度。

3 巷道圍巖強度測定

為掌握巷道圍巖巖性給巷道穩定性帶來的影響，選擇使用鉆孔觸探法對運輸大巷頂板與兩幫圍巖巖性進行了分析，選擇在頂板正中間垂直方向、兩幫中間水平方向，分布布置深度為10m鉆孔，選擇使用WQCZ—56型圍巖強度測試裝置對巷道圍巖的抗壓強度進行測量，具體測量結果如圖5所示。

圖5 運輸大巷圍巖強度測試曲線圖

從圖5可看出，不論是巷道的兩幫還是巷道頂板，巷道圍巖強度曲線均表現出較大的波動性，分析導致巷道圍巖強度出現波動的原因，主要是由于：巷道巖性之間的差異，雖為同一巖性，但是也存在明顯的不均質性；巷道圍巖中層理結構、裂隙、節理及軟弱夾層等結構面的影響；巷道開挖導致巷道表層巖層及深部圍巖出現了變形破壞，強度出現了降低，但并未完全喪失；隨著巷道深度的增加，強度出現了增加的趨勢。分析這些問題出現的原因，主要是由于運輸大巷的埋深已經超過了820m，現場測定其最大應力為水平主應力，達到了31.5MPa，在高應力的作用下，運輸大巷圍巖已經表現出工程軟巖的特性，巷道圍巖出現了分層破壞的情況，增加了巷道支護的難度，在原支護狀態下，較難保證運輸大巷整體的穩定性。

4 運輸大巷支護對策分析

4.1 支護方案設計

結合運輸大巷出現的變形破壞特征及深部巷道支護特點，設計采用“二次錨網索注支護”方案，具體為：擴刷→初噴→初錨→掛梁網→復噴→再錨→掛繩網→再噴→后注，設計采用該中支護方式的主要原理是，考慮到深部巷道圍巖圍巖應力較大的特點，首先對巷道圍巖進行初次普通錨梁網支護，在確保巷道基本穩定的前提下，給深部巷道一定的釋放空間，將深部巷道中積聚的能量進行一定的釋放，巷道在初次變形之后，再次進行錨網索噴強力支護，對巷道淺部圍巖進行再次預緊壓縮，同時，通過錨索將深部穩定圍巖對淺層圍巖的懸吊作用充分發揮出來。這種“適當讓壓、強力支護”的支護原則與深部巷道圍巖支護特點較為相符。具體支護參數為：

1）首次錨桿支護參數：頂板與兩幫錨桿均選擇使用左旋螺紋鋼錨桿，φ22mm，長度為2400mm，每根錨桿配合使用2卷樹脂錨固劑，間排距設計均為1600mm。

2）二次錨桿支護參數：頂板與兩幫錨桿均選擇使用左旋螺紋鋼錨桿，φ20mm，長度為2600mm，每根錨桿配合使用2卷樹脂錨固劑，間排距設計均為1600mm（與首次錨桿支護體間隔布置）。

3）錨索支護參數：為更好發揮出錨索的懸吊作用，將深部圍巖對淺部圍巖穩定的懸吊作用發揮出來，設計頂板對稱布置3根鋼絞線錨索，φ17.8mm，長度為8200mm，間排距均為1600mm；考慮到底板出現了大范圍的整體鼓起，在巷道底板設計對稱布置，間距為2400mm，排距為1600mm。每根錨索配合使用4卷樹脂錨固劑。

4）鋼筋網與噴層參數：選擇使用高強度鋼筋網，φ12mm，網格為：120mm×120mm，搭接長度為120mm。噴層選擇使用高強度混凝土，厚度為100mm。

5）底板對稱布置三個注漿孔，孔深為2400mm，間排距為1600mm×1600mm。

4.2 支護效果分析

為了掌握“二次錨網索注支護”方案支護效果，設置測站進行巷道表面位移監測，得到了巷道圍巖時間變形曲線，如圖6所示。

圖6 巷道圍巖表面位移圖

從圖6可看出，在對運輸大巷實施了返修方案后，巷道圍巖的穩定性取得了較好的控制，其中，巷道頂板最大的下沉量為60mm，巷道兩幫的最大移近量為160mm，底板最大鼓起量為90mm，可以滿足運輸大巷安全生產的要求。

5 結束語

1）通過數值模擬、圍巖強度測定等，運輸大巷圍巖已經表現出高應力軟巖特征且出現了分層破壞情況，這是深部開采過程中普遍面臨的情況之一，因此，在進行巷道支護設計與施工時，應充分考慮。

2）在深部巷道圍巖支護時，應當采取“高阻讓壓”支護方式，將巷道圍巖自身的承載能力發揮出來，更好提升支護效果。