深部高應力軟巖巷道變形特征及支護技術研究

江成玉，劉 勇，韓連昌，王 沉

(1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.盤江精煤股份有限公司 金佳礦，貴州 六盤水 553000)

隨著經濟發展，煤炭資源的需求日益增加，淺部的煤炭資源越來越少，逐漸向深部開采。然而深部巖體處于“三高一擾動”的惡劣環境[1]，使得深部高應力軟巖巷道呈現出礦壓顯現強烈、圍巖大變形且持續時間長、巷道底鼓嚴重、強流變性等一系列工程問題[2-4]。針對煤礦深部高應力軟巖巷道難支護問題，不少研究學者從理論到實踐進行了大量的研究，并取得了豐碩的研究成果。韓連昌等[5]對某礦141211高應力軟巖巷道難支護問題進行研究，揭示了巷道變形破壞機制，提出了鋼管混凝土支架支護方案并進行工業試驗取得良好效果；冷光海[6]以貴州盤江礦區土城礦131運煤上山為工程背景，分析了圍巖變形特征以及巷道失穩破壞原因，提出了“錨桿(索)+灌漿+雙U型鋼”的聯合支護方案；學者們也對深部高應力軟巖巷道礦壓顯現規律，圍巖流變和應力場演變，變形特征和支護參數及巷道底鼓進行了研究并取得了一定成果[7-11]；其他學者也分析了高應力軟巖巷道破壞的機理并提出了合適的巷道支護方案[12-14]。

但地質條件不同，巷道采取得支護方式也不同。貴州煤礦構造發育，造成深部高應力且應力復雜、圍巖松散破碎、軟巖遇水膨脹應力大，支護效果不理想。因此以貴州土城煤礦141713運輸巷為工程背景，通過現場調查、實驗研究、理論分析總結該巷道破壞的原因，并提出“錨桿索+鋼筋網+注漿+U型鋼棚”聯合支護方案。通過理論分析、數值模擬分析和現場監測驗證，實驗結果表明設計方案支護效果良好，為該類條件下的巷道支護提供一定借鑒。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

貴州土城煤礦141713運輸巷埋深970m，垂直應力約20MPa。巷道圍巖多以泥巖和粉砂質泥巖為主，成分中以黏土礦物居多，黏土礦物中又以蒙脫石為主要成分，使得巷道圍巖的吸水性和膨脹性增強，屬于典型的高應力工程軟巖巷道。

1.2 回采巷道原支護方案

巷道原斷面為半圓拱型，采用“錨桿索+鋼筋網+U型鋼棚”聯合支護方案，如圖1所示，采用?20mm×2400mm的高強螺紋鋼錨桿，其間排距700mm×700mm；?21.6mm×6000mm的預應力錨索，其間排距1600mm×1600mm；鋼筋網采用?6mm鋼筋焊接，規格為1800mm×700mm，網格為120mm×120mm，支架是29#U型支架。

1.3 圍巖礦物成分分析

采取巖樣在室內進行圍巖成分分析，用Panalytical多功能粉末X射線衍射儀，分析結果見表1。通過分析可知，圍巖成分中黏土礦物含量居多，黏土礦物中親水性最強的蒙脫石含量占45%，使得圍巖膨脹性和吸水性顯著。

表1 巖石礦物成分與含量

2 巷道變形特征及原因分析

2.1 巷道變形特征

井下巷道變形實拍如圖2所示，可得在高應力軟巖條件下的回采巷道出現了巷道斷面變形大、兩幫收縮、托盤彎曲、錨索松脫、支架變形、網兜破裂等礦壓顯現，造成了巷道的嚴重變形和破壞。

圖2 井下巷道失穩破壞實拍圖

2.2 巷道失穩破壞機理分析

巷道失穩破壞的影響因素頗多，經現場勘察和查閱相關地質資料分析，主要包括以下原因：

1)地質條件。埋深970m，屬于深部開采，垂直應力約20MPa。巷道圍巖巖石成分中以黏土礦物為主，所含黏土礦物中蒙脫石、高嶺石含量73%，遇水易產生較大的膨脹壓力，從而導致圍巖松散破碎，在高應力作用下，圍巖塑性變形和流變特性顯著，巷道變形大易失穩，這是巷道變形破壞的內在原因。

2)支護方式。該巷道支護方式為傳統巷道支護，由圖2可知，井下巷道支護構件發生了嚴重的破壞與失效，說明了該支護方式在應力高、圍巖變形大的條件不適應。

3)采動影響。在工作面推進的過程中，巷道受到采動的重復疊加影響，使得圍巖的完整性降低。增加了圍巖與礦井水的接觸面。

4)圍巖滲水。巷道圍巖表面滲水嚴重，圍巖巖性為親水性的黏土型礦物吸收后，形成了較大膨脹力，使得圍巖的破碎程度加劇，從而使得圍巖的承載能力大大降低。

3 回采巷道支護方案設計及理論分析

3.1 巷道支護方案設計

根據巷道變形破壞的特征及原因，有針對性的對巷道進行合理支護，提出了“錨桿索+鋼筋網+注漿+U型鋼棚”聯合支護，如圖3所示。采用?25mm×3000mm的高強注漿錨桿，其間排距800mm×800mm；采用?29mm×7000mm的高強注漿錨索，其間排距1600mm×1600mm；支架采用型號為36的U性可縮性支架，棚距為800mm×800mm；注漿的水泥砂漿配合比為水泥∶沙子∶水=1∶3∶0.4，速凝劑的比列為水泥用量的3%～5%[5]，并添加ACZ系列注漿改良劑，采用高壓力注漿，先注錨桿，壓力不低于7MPa，后注錨索，壓力不低于10MPa。

圖3 優化支護方案(mm)

此次方案根據巷道圍巖實際情況調整了錨桿索及支架規格和間排距，通過注漿對破碎圍巖進行填充，增加巷道圍巖的完整性和穩定性以及減少巷道圍巖與水接觸面，防止巷道圍巖遇水產生的膨脹力，提高了圍巖的力學性質，讓錨桿索支護構件不會因為圍巖破碎而失去支護效果，大大的發揮了錨桿錨索支護作用。

3.2 支護方案理論分析

根據懸吊理論，錨桿長度L可由式(1)計算：

L=L1+L2+L3

(1)

式中，L1為錨桿外露長度，取0.1m；L2為錨桿有效長度，m；L3為錨桿錨固長度，取0.5m。其中L2用普式自然平衡拱理論確定：

式中，f為普氏巖石堅固性系數；B為巷道寬度，m；h為巷道掘進高度，m；φ為巖體內摩擦角，(°)。

根據現行實測和實驗結果可得：f=2；B=5.2m；h=3.2m；φ=24°。將以上數據代入式(2)中可得L2=2.3m。再將L2=2.3m代入式(1)中可得L=2.9m。可選用長度為3.0m中空注漿錨桿。

根據每根錨桿懸吊的巖重，計算錨桿的間排距S1、S2，按錨桿等距排列：

式中，Q為錨桿設計錨固力，取80kN/根；K為錨桿安全系數，取2；γ為巖石體積力，取27kN/m3；L2為錨桿有效長度，取2.3m。將以上數據代入式(3)中計算可得S1=S2=0.8m，則設計支護的錨桿間排距為0.8m。

根據錨桿截面積計算公式：

式中，A為錨桿截面積，mm2；K為安全系數，取2；S為錨桿間排距，取0.8m；L為錨桿長度，取3m；γ為承載巖體容重，取27kN/m3；σs為錨桿抗拉強度，取0.5GPa；將以上數據代入式(4)中計算可得錨桿截面積為207mm2，直徑為25mm高強中空注漿錨桿壁厚為7mm，桿體截面為400mm2，滿足要求。

錨索長度應滿足下式：

L≥L1+L2+L3+L4

(5)

式中，L為錨索全長，m；L1為錨固長度，m；L2為需要懸吊的不穩定巖層厚度，取3.0m；L3為托盤及錨具厚度，取0.15m，L4為錨索外露長度，取0.5m，式中L1≥Kdafa/(4fc)，其中K為安全系數，取2；da為錨索直徑為29mm；fa為錨索抗拉強度，取1780MPa；fc為錨索與錨固劑的粘合強度，取10N/mm2。可求得L1=2.58m。代入式(5)可得L=5.78m。采用7m錨索滿足要求[15]。

根據塑性芬納(Fenner)公式[16]，可以計算出所支護反力Pi為：

式中，p0為原巖應力，取20MPa；φ為圍巖內摩擦角，取24°；c為圍巖黏聚力，取0.36MPa；ra為巷道半徑，取2600mm；Rp為圍巖塑性區半徑，取4300mm。將數據代入式(7)中計算得Pi=3.0MPa。

根據庫倫準則：

|τ|=c+σtanφ

(7)

式中，τ為圍巖剪切強度，MPa；c為圍巖黏聚力，MPa；σ為剪切面上的正應力，MPa；φ為圍巖內摩擦角，(°)。可以用莫爾極限應力圓直觀的表示庫倫準則，如圖4所示。

圖4 錨注前后圍巖強度變化

由圖4可知，錨注后圍巖強度明顯大于錨注前的圍巖強度。因為錨注后增加了圍巖粘聚力和內摩擦角，從而增大了圍巖的剪切強度，提高了圍巖穩定性。

4 支護方案數值模擬分析

4.1 模型的建立

運用Flac3D數值模擬軟件對回采巷道支護方案進行模擬對比，模型尺寸為80m×30m×68m。頂部施加20MPa的局部應力，考慮巷道開挖后引起的邊界效應，外部邊界取巷道半徑的8倍以上。模擬中錨桿和錨索采用Cable結構單元、支架采用Beam結構單元。煤巖層力學參數見表2，錨桿索的支護參數見表3，支架的支護參數見表4。

表2 煤巖層力學參數

表3 錨桿索參數

表4 支架參數

4.2 數值模型結果分析

由圖5中原支護和設計支護所對應的位移、應力云圖對比分析可知，應用設計支護方案后巷道頂板最大位移量從160mm下降至45mm，巷道最大底鼓量從60mm下降至40mm；巷道兩幫最大移進量從60mm下降至14mm；最大主應力由24MPa增加到28MPa。注漿改變了巷道圍巖的力學性質，提高圍巖的粘聚力和內摩擦角；增強了破碎圍巖的完整性，減少了圍巖與水的接觸面，降低了因圍巖內所含的黏土礦物遇水膨脹所產生的膨脹力。

圖5 兩支護方案數值模型結果

5 現場監測

為驗證支護方案現場效果，采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面監測儀在141713運輸巷80m的范圍內監測斷面共有6個測點，每10m一個測點。并進行了60天的現場監測，根據監測時期的前、中、后，在監測數據中，選取了監測前期、監測中期、監測后期3組頗具代表性的數據進行分析，巷道斷面監測結果對比如圖6所示。

圖6 巷道斷面監測結果對比

從圖6中的巷道斷面監測結果可知在巷道支護完成后20d斷面收斂率為2.92%；40d斷面收斂率為6.43%；60d的收斂率為9.87%，總的來說，巷道平均收斂率為6.41%，巷道圍巖總體變形量不大，不影響實際的生產。

6 結 論

1)貴州土城煤礦141713運輸巷屬于高應力工程軟巖巷道，地質條件差、圍巖強度低，圍巖黏土礦物占比大、支護方式不適應、采動影響、高應力和圍巖滲水是該巷道變形破壞的主要原因。

2)根據巷道破壞特征及破壞原因，提出“錨桿/索+鋼筋網+注漿+U型鋼棚”聯合支護，改善了圍巖的力學條件，合理了支護方式。并在現場實際中取得較好支護效果。

3)采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面監測儀對支護后的巷道不同時期斷面進行監測，監測結果表明支護后巷道最大斷面收斂率為9.87%，巷道圍巖變形量在可控范圍內，支護效果明顯。