弱面影響下深部大斷面巷道修護加固技術研究

楊志磊 汪 鵬 胡海永

（應急管理部信息研究院，北京 100029）

隨著開采深度的不斷增加，深部地層巷道受“三高一擾動”影響，地應力呈非線性遞增，巷道圍巖破壞嚴重，巷道維護工程量和支護投入成本急劇增大。深部巷道多布置在巖性強度較低的砂質泥巖、泥巖等沉積體層中，當圍巖含有強度較低、變形較大或受力狀況惡化的巖體，即圍巖中的軟弱夾層、破碎夾層等，則圍巖變形產生非均勻性失穩[1-2]。巷道圍巖中的軟弱面將加劇圍巖剪切破壞，增加相鄰圍巖體的松動破壞范圍，嚴重威脅著巷道正常安全使用[3-4]。

許多學者針對弱面對圍巖破壞的影響進行了研究。樊克恭等[5-6]針對半煤巖巷層狀結構特征，提出了巷幫“弱結構”的概念，分析了圍巖塑性區與松動圈的發育特征，提出了非均稱控制理論與技術；張志強[7-8]等采用FINAL軟件研究了應力環境、弱面產狀等因素對地下硐室穩定性的影響；王襄禹[9]等采用理論分析、數值模擬及工業性試驗等方法，研究了弱面影響下深部傾斜巖層巷道變形特征。為應對深部巷道圍巖支護，國內外已形成以注漿加固、錨桿（索）支護為核心的成套支護技術體系，并取得了大量巷道失穩機制和控制機理研究成果。

基于以上研究基礎，本文以顧橋煤礦-780 m北二采區軌道大巷為工程背景，針對巷道在弱面作用下非均勻大變形現象，采用理論分析、數值模擬及工業性試驗相結合的方法，研究深部巷道圍巖受弱面影響導致非均稱失穩原因，通過數值模擬和現場實測反饋提出弱面作用下圍巖維護加固措施，為類似弱面作用下深部巷道圍巖加固提供技術支撐。

1 工程背景

北二13-1軌道大巷從北一軌道大巷開始，施工穿越北一采區至北二采區，共計施工3560 m，巷道埋深-769～ -748 m。北二13-1軌道大巷上覆13-1煤層即1122（3）工作面，下覆11-2煤層即1122（1）工作面已回采完畢。巷道掘進過程中，頂板上距13-1煤層（采空區）底板法距45.6～51.6 m，底板距11-2煤層（采空區）頂板法距28.2～12.9 m。揭露的巖性主要為粉砂巖、粉細砂巖、砂質泥巖、砂泥巖互層、細砂巖、煤線，煤巖層傾角2°～4°，構造發育處頂板會有淋水現象。軌道大巷巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 軌道大巷巖層柱狀圖

13-1軌道大巷為直墻半圓拱斷面，凈寬×凈高=5600 mm×4400 mm。支護錨桿采用左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，規格為Φ22 mm×2500 mm（錨桿蓋板規格：200 mm×200 mm×10 mm），間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿配2卷Z2850型錨固劑。錨索規格為Φ21.8 mm×6200 mm，配300 mm×300 mm×10mm、150 mm×150 mm×10 mm鋼板，錨索呈5-4-5布置，間排距為1600 mm×1600mm，每根錨索配3卷Z2850型錨固劑。巷道圍巖變形多以煤線部位巖層線狀開裂、臺階狀錯動型破壞為主?；谧冃螄乐貐^巷道圍巖巖性，主要是煤線等軟弱巖層與堅硬巖層間膠結位置的層間滑移及軟弱巖層的變形破壞為主，其中部分區域斷面中泥巖受淋水影響，造成巷道底鼓等變形。

2 弱面影響下巷道圍巖失穩分析

由于巷道埋深大，圍巖受高地應力作用。巷道開挖后，高地應力首先沿結構穩定性差、強度低的弱面圍巖卸載，造成其內部原生裂隙的擴展、張開與次生裂隙的產生及再破壞，引起弱面圍巖屈服破壞后的峰后巖體沿裂隙面產生大范圍的剪切滑移變形。由于巖層有傾角及斷層影響，煤線弱面結構相對于巷道位置不同，導致巷道圍巖變形與破壞區發育形態發生異性變化。軌道大巷為直墻半圓拱巷道，變形后依據弱面分布位置不同，巷道圍巖變形破壞分為3種情況：

（1）巷道揭露弱面位于半圓拱以上頂板時，受垂直應力作用，頂部弱面巖層受剪切力作用變形，在水平應力擠壓作用下，將從頂部中間位置開始出現巷道強擠壓破壞，如圖2。

圖2 弱面位于半圓拱上頂擠強壓破壞前后

（2）巷道揭露弱面位于巷道內時，在高應力作用下，圍巖弱面裂隙擴張，兩側巖體發生剪切錯動、片幫等問題，如圖3。劇烈變形引起巷道產生區域性破壞，從而引起整個巷道的圍巖應力重新分布，應力向圍巖深部傳動。

圖3 弱面位于巷道內強擠壓破壞前后

（3）巷道揭露弱面位于直墻以下底板時，底板弱面受高應力作用破斷變形，產生底鼓大變形，巷道兩幫受底鼓影響，向巷道內移近收縮，如圖4。

圖4 弱面位于直墻以下底板強擠壓破壞前后

3 巷道注漿加固數值模擬研究

3.1 數值模型建立與方案設計

本文以顧橋煤礦某采區軌道巷為研究對象，采用數值模擬程序（FLAC3D）建立數據模型。模型尺寸取為50 m×50 m×60 m，巷道斷面為直墻半圓拱形，巷道寬度和高度分別為5.6 m×4.4 m，計算模型如圖5所示。根據表1給模型附值。模型水平方向及底面固定，頂面施加18.7 MPa垂直應力。破壞準側選用摩爾-庫倫準則。

表1 巷道圍巖巖體力學相關參數值

在對延伸軌道巷圍巖進行注漿前，模擬巷道開挖過程，先讓巷道圍巖發生變形，變形量為巷道開挖后至注漿前的實際變形值，使得圍巖內部產生不同的承載范圍，設置為圍巖注漿數值模擬初始化研究模型。詳細數值模擬方案見表2。

表2 采用的模擬計算方案明細

3.2 注漿加固控制效果分析

方案1～3分別為破裂區注漿、峰值附近注漿、彈性區注漿。圍巖塑性破壞情況如圖5所示。

圖5 不同開挖試驗塑性區發育情況

結合現場試驗效果，如上圖5所示，隨著對圍巖不同位置和由淺變深進行注漿控制，巷道圍巖巖體的塑性區域發育有較大的差異，且塑性區域發育范圍逐漸增大，得出注漿位置越深，反而對巷道圍巖的控制作用越小越弱的結論。在對破裂區域1圍巖注漿后，圍巖塑性區范圍控制效果較好，“彈—塑性”受力狀態的峰值區域2注漿塑性區范圍明顯小于區域3、4區，因此，在應力峰值區域附近注漿可以很好地控制塑性區的發育。

4 弱面巷道現場注漿加固技術

巷道圍巖表面噴100 mm厚度漿層，噴漿材料為PC32.5水泥、粒徑5～10 mm碎石、黃砂，連續養護7 d。注漿分為一次注漿（淺部）和二次注漿（深部）兩步施工，具體如下：

（1）一次注漿孔深3000 mm，錨注管規格Ф26.25 mm×3.25 mm×2000 mm，孔口加絲，實管長2 m，每眼1根。二注孔深6000 mm，錨注管規格Ф26.25 mm×3.25 mm×2000 mm，孔口加絲，實管長4 m，每眼2根。

（2）5 m范圍內打一注一并及時掛注漿孔牌。斷面內先下后上注漿。二次注漿一般滯后一注20 m，即一次注漿漿液產生一定強度后再進行二次注漿。

（3）漿液選用PS32.5水泥，水泥漿按0.75:1的水灰比配制（水高0.4 m，4袋水泥）。一次注漿注漿壓力參數終壓為2 MPa，二次注漿注漿壓力參數終壓為5 MPa。

5 結論

（1）由于巷道幫部的巖層受煤線等軟弱巖層影響，產生非勻稱性變形，變形從弱面部位巖層線狀開裂，臺階狀錯動型破壞為主。根據巷道揭露弱面的不同位置，將巷道變形分為三類。針對弱面影響下巷道變形特征，修護原則為：巷道全斷面支護原則、巷道支護局部強化原則、巷道表面強化原則。

（2）通過FLAC3D模擬得出隨著巷道圍巖淺層注漿對巷道圍巖控制效果較為重要。基于弱面影響下巷道變形研究，提出先噴漿、再分步注漿加固技術。

（3）通過巷道圍巖變形實測結果反饋，圍巖最大變形量為同比情況下原支護方案變形量的1/4左右，巷道圍巖控制效果較好。