高應力破碎圍巖大斷面巷道聯合支護技術

田耀龍

（山西大運華盛老窯溝煤業公司，山西 寧武 036700）

大型開采巷道支護是地下工程支護的難題[1]。近年來，國外大型開采巷道支護的經驗主要有：

1）支護觀念由被動向主動轉變。支護技術有木制支架、剛性金屬支架、可減量金屬支架和螺栓支架。

2）在巷道的設計和布置上，允許圍巖收斂和巷道布置在圍巖壓力最小的區域。

3）采用封閉式、多層次的支撐體系。

4）充分利用注漿加固和錨噴復合網聯合支護，最大限度地提高和發揮圍巖的自支護能力。

5）各預備巷道均采用密實可縮拱金屬支護。

6）實施耦合支護[2-3]。

隨著開采深度的增加，地質環境更加復雜，深部巖石的組織、結構、基本行為特征和工程發生根本變化，導致突發性工程災害和重大事故[4-5]。高應力的不穩定巷道表現出非線性流變特性[6]。如果不采取適當的養護措施，圍巖變形會更加劇烈，最終導致巷道失穩破壞。本文在已有研究成果的基礎上，以望云煤礦主排水泵站為工程背景。在此基礎上對工程地質條件及變形破壞機理進行分析提出了新的聯合支護設計方案，并取得了良好的支護效果。

1 分析巷道變形特征及原因

1.1 工程背景

望云煤礦主排水泵站巷道斷面為直壁半圓拱段，壁高3 000 mm，拱高3 210 mm，有效面積為36.41 m2。主要分布在煤層頂板的顆粒砂巖、細砂巖和砂泥巖中。巷道頂板主要由強度較低的砂質泥巖和頁巖組成，在水下處于軟化狀態。圍巖為低強度、松散、脆弱、流變性。主排水泵站位于-690~-710 m，靠近斷層F17和FS4。在S的向斜軸上4時，應力高，構造應力發育，應力復雜。巷道支護形式為錨桿網噴支護。巷道開挖支護后變形嚴重，特別是頂板沉陷和底鼓。

1.2 巷道變形特征

在高應力條件下，圍巖強度顯著降低，表現為以下特征。

1）分離。水平構造應力引起巖石之間的相對滑移。巖石黏結強度損失，導致巖石分離。

2）疏松性。巖石破碎度增大，孔隙度增大。圍巖松動造成了圍巖風化和水淹破壞的特征。

3）抗蠕變。主要是抗非穩態蠕變。開挖初期巷道蠕變較快，高應變速率持續時間較長。應加強支持，促進其向穩定蠕變狀態過渡。或者當變形達到一定程度時，蠕變速度越來越快，造成圍巖和襯板的全面破壞。

4）變形不均勻性。巷道關鍵部位變形迅速，導致支架脫落、剝落、開裂，巖體分離松動，導致巷道整體失穩變形。

5）快速性。巷道底鼓迅速。某地方巷道底鼓量在50 min內達到700 mm。

1.3 巷道變形的原因

分析表明，主排水泵站受到復雜壓力影響，原生結構遭到破壞。地質條件很差，圍巖力學性質很差，導致泵體圍巖不穩定。巷道開挖后支護措施不當會引起劇烈變化。這種巷道支護要求具有抗高壓的高強度，適應圍巖大變形的可減量結構，以及有效防止底鼓的封閉性能。

2 高應力破碎圍巖控制技術研究

主排水泵房高復合應力、破碎圍巖、大斷面巷道變形量大、速度快，采用單一支護形式難以控制圍巖變形，因此決定采用復合支護技術。在巷道開挖初期，主動支護頂板，允許一定的變形量來提高和利用自身對圍巖的承載能力。在二次支護過程中，采用高阻支架和巖石注漿復合支護技術控制圍巖變形。

2.1 正向支持

第一類支護充分發揮了協調支護的作用，實現了主動支護，改善了圍巖應力狀態，同時達到一定的平衡，提高了圍巖自身承載能力。采用高強度預緊錨桿、錨桿、金屬網和高強度噴射混凝土進行首次支護，可達到深淺巖體共同承載的目的，使圍巖產生一定的變形，釋放集中應力。

2.2 反向支持

高強度二次支承的工作阻力為被動配重。高強度的支護強度補償了由于圍巖演化而減少的應力，保證了圍巖應力能夠轉移到長期強度和巷道穩定性的演化暫停狀態，并逐漸削弱了圍巖演化的變形趨勢。

在復合應力高、圍巖破碎的巷道中，二次支護采用了重的、拱形的、可縮小的金屬支架來支撐頂板。但是,支護阻力不能有效控制巷道的快速變形，因此我們將對支架進行重新設計。

當圍巖復合應力較大時，支架受力情況比較復雜，為了便于計算，將其視為等效梁結構進行了一定程度的簡化。支架可受集中或分散荷載和彎矩的影響，具有純彎曲特性。等效梁結構發生純彎曲時截面上任意點的正應力公式為:

式中：M為截面彎矩，與支架荷載、長度有關；IZ為截面相對于中性軸Z的慣性矩；y是得到的應力點的縱坐標。IZ計算公式為：

表1對不同夾層空間條件下抗彎強度進行對比，工字梁示意圖如圖1所示。

表1 不同夾層空間條件下抗彎強度對比

圖1 工字梁布置圖

2.3 注漿加固

注漿加固技術是利用大小對圍巖中各種裂隙和軟弱面進行堵塞，使回填體與圍巖再次膠結形成一個整體。這樣可以提高巖石的力學性能，從而提高圍巖的整體穩定性，提高巖石的承載能力。對于高應力破碎巖體，注漿加固技術是提高圍巖整體穩定性和自身承載能力的有效方法。

3 控制技術在工程上的應用

3.1 支護參數

1）第一次支護。采用Φ20 mm×2 400 mm高強度變形鋼筋錨桿，行間距為800 mm×800 mm的半長錨桿，用標準螺母組合緊固蝶形錨桿托盤。每個錨分配一個K2560和一個Z2560樹脂錨定劑；Φ17.8 mm×6 300 mm鋼絞線，頂置錨栓，每行3支，行間距為1 600 mm。每個錨固電纜分配兩個K2560和兩個Z2560樹脂錨固劑，托盤由500 mm長的18號槽鋼構成。從內到外，采用10 mm×150 mm×150 mm鋼板和滑車。錨固長度為2 400 mm，錨固索預應力不低于30 MPa。防拉力不低于70 kN。金屬網：采用Φ5.6 mm鋼筋連接，網孔尺寸為100 mm×100 mm，網條尺寸為900 mm×1 700 mm，網搭長度為100 mm，每100 mm用14號鐵絲固定搭接，接縫均勻布放。在墻面上噴涂C40高強高性能混凝土，直到表面濕而不流動。

2）第二支護。開挖反仰，根據要求設置高阻力封閉支架，底部與工字梁焊接，肩部與工字梁接頭連接，反仰處澆注C25混凝土，灌漿圍巖。

3.2 監控效果

采用地表位移法監測復合支護技術效果，巷道每10 m布置工位，共14個工位。經過一段時間的觀察，得到的數據如表2所示。

表2 各個位置的變形結果

前瞻數據后，可以得到的結果的最大變形巷道是24.96 mm，它顯示了使用bolt-wire網和錨索第一支持第二支持與高阻閉括號，把腳板和灌漿的圍巖適應條件和高應力破碎巖石，成功地支護了巷道，保證了巷道的穩定。

4 結論

通過理論分析、現場實測等方法，對高應力破碎圍巖大斷面巷道聯合支護技術進行了研究。主要得出以下結論。

1）在分析巷道變形原因的基礎上，確定了主支護為錨桿-網孔-錨桿支護，次支護為充分發揮主動與被動兩種支護方式的封閉注漿聯合支護技術。

2）支架重新設計。與原支座相比，新設計的鋼支座使承載力成倍增加，而不增加成本。

3）通過底板澆筑和圍巖注漿加固，使鋼支架的抗轉矩能力大大提高，以適應圍巖受力條件，在控制圍巖方面取得了良好效果。

4）試驗證明，采用適應高應力破碎圍巖條件的底板澆筑與圍巖注漿聯合支護技術是巷道支護的成功，保證了巷道的穩定性。