開挖擾動下軟巖斜巷破壞及支護技術(shù)研究

張旭

（山東科技大學安全與環(huán)境工程學院，山東 青島 266000）

0 引 言

西北部地區(qū)地質(zhì)條件復雜多變，在煤炭開采中經(jīng)常遇到強度低、膠結(jié)差、易風化、遇水泥化的軟巖，導致深部傾斜巷道的支護面臨巨大的困難。因此，深部高應力軟巖傾斜巷道的支護技術(shù)是目前擺在煤炭開采工作中的關(guān)鍵問題之一。葉文登、徐營等[1]分析了巷道穿層過程中存在的典型弱結(jié)構(gòu)類型及其變形破壞特征，確定了對不同弱結(jié)構(gòu)進行加強支護的具體方案。包海玲[2]利用Ansys 建立了三維數(shù)值模型，研究了軟巖夾層影響下的斜巷變形特征，指出斜巷支護應以頂板、兩幫以及墻角為關(guān)鍵部位。姚祺、楊明[3]通過現(xiàn)場實測研究表明，二次支護可有效控制軟巖斜巷的強烈變形，實現(xiàn)巷道的穩(wěn)定。唐小波[4]針對斜巷掘進過程中的頂板破碎、錨桿拉斷、施工速度緩慢等問題，提出了松軟頂板傾斜巷道掘進的優(yōu)化方案。黃克軍、李亮等[5]指出，對高應力軟巖斜巷的支護需要針對不同圍巖條件進行相應的支護設(shè)計，錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護能夠較好地控制圍巖變形。還有部分學者[6-15]分析了軟巖巷道的破壞機理、變形規(guī)律及支護原則，并提出相應的支護方案，為高應力軟巖區(qū)域穿層斜巷的支護設(shè)計提供了依據(jù)。

目前對于弱膠結(jié)遇水泥化軟巖斜巷支護方法的研究，還沒有形成一套行之有效的體系，對于該類型巷道還缺乏實踐經(jīng)驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)。以伊犁一礦3煤運輸上山為研究對象，采用FlAC3D 對其破壞特征與支護方案進行模擬，獲得適合該巷道的最優(yōu)支護方案，為深部高應力軟巖斜巷的支護與維護提供參考。

1 概 況

伊犁一礦所在地區(qū)為南北天山及烏孫山之間的盆地中，山脈走向為東西方向，巷道受地應力影響較大，最大水平主應力為垂直應力的1.513～1.621倍。煤層頂?shù)装宓膸r層屬于典型的強度低、膠結(jié)差、易風化、遇水泥化的弱膠結(jié)巖層，且煤層的頂?shù)装宥加泻畬印ｋm然煤層強度也較低，但煤層不存在遇水泥化的情況，且伊犁一礦的煤層厚度較厚，因此將巷道布置于3 煤層當中。3 煤運輸上山地面投影位置位于南工廣以北斜坡地帶，地勢較為平坦，南高北低，地面標高+1 150—1 123 m。埋深+362～+442 m，傾角為14°。3 煤層屬弱膠結(jié)軟巖，巷道煤巖具有自穩(wěn)時間短、變形大、流變特征明顯等特點，并且受較大水平地應力的影響，3煤運輸上山出現(xiàn)了冒頂、片幫等現(xiàn)象，嚴重威脅礦井生產(chǎn)安全。巷道原支護參數(shù)如下。

（1） 錨桿：φ20 mm×2 400 mm 左旋無縱肋螺紋鋼等強錨桿，間排距800 mm×800 mm，拱頂5 根，每幫2 根，其中底角錨桿下扎30°。

（2） 錨索：φ17.8 mm×5 000 mm，自正頂向兩側(cè)按1 600 mm 間距布置，正頂及兩肩窩處錨索取代3 根五花布置錨桿，排距1 600 mm。

（3） 鋼筋網(wǎng)：φ8 mm 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸80 mm×80 mm。

（4） 混凝土：水泥標號425 號，混凝土強度C20，噴漿厚度150 mm。

2 松動圈觀測

采用鉆孔電視對3 煤運輸上山進行圍巖松動圈觀測，7 號聯(lián)絡巷標高為+380 m，V1、V2、V3 測站布置如圖1（a） 所示，在巷道頂板A、左幫B及C 右肩窩鉆孔探測，直觀得到巷道圍巖破裂情況，并得到圍巖松動圈范圍如圖1（b） 所示。

圖1 運輸上山松動圈測站布置Fig.1 Layout of loose ring station for transport uphill

3 煤運輸上山進行了多個測孔的測試工作，在此僅選每個測站處最大的裂隙圖，如圖2 所示，圍巖松動圈范圍數(shù)值見表1。3 煤運輸上山處于弱膠結(jié)軟巖中，圍巖強度低，承載能力差，受開挖影響大；開挖后在巷道圍巖形成了較大松動圈，3 煤運輸上山松動圈范圍為0.5~4.7 m。這類軟巖長期受沖擊震動影響，巷道開挖后不及時噴漿固化，沖擊震動作用對巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生極不利的影響，造成圍巖體強度劣化，引起圍巖變形持續(xù)增加，進而導致巷道圍巖松動圈范圍不斷擴大。

圖2 3 煤運輸上山松動圈觀測結(jié)果Fig.2 Observation results of loose circle in No.3 coal transportation uphill

表1 松動圈范圍Table 1 The loosening range of the rock

3 深部軟巖斜巷支護數(shù)值模擬

根據(jù)工程概況及松動圈測試的結(jié)果，針對3 煤運輸上山的支護設(shè)計提出2 種對比方案，數(shù)值模擬方案如圖3 所示。以原支護方案（a） 為對照組，方案（b） 在原支護基礎(chǔ)上進行頂板注漿，采用φ22 mm×5 000 mm 的中空預應力注漿錨索，全長錨固，預緊力150 kN。方案（c） 在方案（b）的基礎(chǔ)上進行底板錨注，采用5 根底板錨桿，間排距750 mm×800 mm；采用2 根φ22 mm×4 000 mm 的注漿錨索，分別取代兩側(cè)第二根錨桿，排距1 600 mm。

3.1 數(shù)值模型及參數(shù)

3 煤運輸上山所在煤層及頂?shù)装迩闆r建立模型如圖4 所示，共包含25 326 個節(jié)點，23 000 個網(wǎng)格。模型底部采取滾支邊界，其他邊界及初始地應力條件按照現(xiàn)場測量結(jié)果設(shè)置為Sxx=38.83 MPa，Syy=24.85 MPa，Szz=24.07 MPa，巖體力學參數(shù)見表2。

圖3 數(shù)值模擬支護方案Fig.3 Numerical simulation support scheme

圖4 3 煤運輸上山數(shù)值模擬模型（半剖）Fig.4 Numerical simulation model of No.3 coal transportation uphill(half section)

表2 煤巖力學參數(shù)Table 2 Coal rock mechanics parameter

3.2 應力分析

3.2.1 垂直應力

原巖應力中垂直應力約為30 MPa，3 種支護方案下垂直應力峰值如圖5 所示，分別為42.16、41.82 和39.49 MPa。隨著支護強度的增加，巷道兩幫的垂直應力集中峰值和頂?shù)装逦恢眯秹簠^(qū)的范圍逐漸減小，說明支護能在一定程度上改善巷道圍巖的應力分布狀態(tài)，提高巷道的穩(wěn)定性和可靠性。

圖5 垂直應力（半剖/MPa）Fig.5 Normal stress(half section/MPa)

3.2.2 水平應力

3 種支護方案下圍巖的水平應力集中峰值如圖6 所示，分別為11.73、11.56 和11.41 MPa。隨著支護強度的增加，巷道頂?shù)装宓乃綉蟹秶兴鶞p小，應力集中峰值減小；其中底板水平應力集中程度明顯降低，說明采取的注漿加強措施，有助于控制巷道底鼓。

3.3 塑性區(qū)分析

巷道的破壞形式以剪切為主，如圖7 所示，隨著支護強度的增加，巷道兩肩和底腳圍巖的塑性區(qū)體積逐漸減小。從支護的形式來說，錨網(wǎng)索支護不能從根本上解決軟巖巷道圍巖的破碎，因而有必要采取注漿措施。

圖6 水平應力（半剖/MPa）Fig.6 Horizontal stress(half section/MPa)

圖7 巷道塑性區(qū)Fig.7 Roadway plastic zone

3.4 位移分析

位移監(jiān)測結(jié)果如圖8 所示。方案a 頂板下沉量為150 mm，兩幫變形量并未得到有效控制；方案b 通過對巷道頂板進行注漿，能使頂板下沉量降低到100 mm 以下，兩幫收斂量也明顯減少；方案c采用全斷面注漿支護，巷道兩幫收斂量進一步減小，而頂板變形與方案b 基本一致。可以看出，受較大水平地應力的影響，支護初期巷道兩幫變形速度高于頂板；隨著支護強度的增加，巷道頂板與兩幫變形量逐漸減小，注漿比未注漿支護對巷道變形的控制效果更好。

圖8 位移監(jiān)測Fig.8 Displacement monitoring

綜上所述，注漿加固措施有助于改善巷道圍巖的應力分布狀態(tài)，減小塑性區(qū)范圍與巷道收斂量；從應力、塑性區(qū)、位移等方面分別進行方案b 與c的對比，發(fā)現(xiàn)方案b 即頂板注漿可達到減少3 煤運輸上山圍巖破壞的效果，從實用性與經(jīng)濟性考慮，不必采取巷道全斷面注漿。

4 支護參數(shù)優(yōu)化與工程應用

4.1 3 煤運輸上山加固支護

根據(jù)數(shù)值模擬圍巖控制效果的對比，結(jié)合現(xiàn)場工況及考慮經(jīng)濟因素，針對3 煤運輸上山的支護問題，可采取錨網(wǎng)索噴+頂板錨注的支護方案。伊犁一礦3 煤運輸上山支護方案如圖9 所示。

圖9 3 煤運輸巷巷道支護Fig.9 Support of No.3 coal transportation roadway

支護材料參數(shù)和材料如下。

（1） 錨索孔兼做注漿孔：鉆孔深8.0 m，直徑56 mm，排距2 800 mm；間距分別為（弧長）1 600 mm 和1 800 mm；底板鉆孔深6.0 m，排距2 000 mm，間距1 500 mm（弧長）。

（2） 錨索：φ22 mm×8 300 mm；拉斷載荷607 kN；排距1.6 m；錨固力為400 kN；預緊力為250~300 kN。

（3） 錨桿：間排距800 mm×800 mm；錨固段長度≥1 400 mm；錨固力≥130 kN；預緊力矩≥400 N·m。

（4） 鋼筋網(wǎng)：選用φ8 mm 鋼筋焊制的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸80 mm×80 mm。

（5） 鋼筋混凝土：雙層鋼筋混凝土，鋼筋直徑φ22 mm，水泥標號425 號，混凝土強度C25。

4.2 巷道變形觀測

為驗證支護方案的可行性，優(yōu)化支護方案及參數(shù)，在3 煤運輸上山7 號聯(lián)絡巷以下進行現(xiàn)場工業(yè)性實踐，對巷道頂板下沉量和兩幫移近量進行了實時監(jiān)測，共布置3 個監(jiān)測斷面，測站D1、D2、D3分別布置在7 號聯(lián)絡巷以下40.5、51.2、80.4 m處，圍巖收斂變形監(jiān)測結(jié)果如圖10 所示。

圖10 巷道位移監(jiān)測Fig.10 Monitoring displacement of roadways

由圖10 可以得出，在頂板錨注加固支護作用下，所有兩幫移近速率小于巷道可視為穩(wěn)定狀態(tài)時水平支護結(jié)構(gòu)變形速率（0.15 mm/d），所有測站頂板下沉速率小于巷道可視為穩(wěn)定狀態(tài)時垂直支護結(jié)構(gòu)變形速率（0.1 mm/d），表明巷道已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。雖然巷道變形量不大，但巷道要達到穩(wěn)定的時間較長，為30～50 d。

4.3 鉆孔注漿觀測

為判斷注漿參數(shù)選取的合理性，特將注漿效果檢測孔布置在單個注漿孔控制范圍最遠的位置，以判斷漿液擴散效果，觀測結(jié)果如圖11 所示。對比加固工程實施前的觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0~1 m 灰白色的加固體幾乎貫穿整個鉆孔，在1~2.4 m 的裂隙基本被加固體充滿，加固后的圍巖恢復了較好的完整性，圍巖內(nèi)部裂隙和空洞得到有效加固，注漿效果明顯。

圖11 3 煤運輸上山7 號聯(lián)絡巷加固測孔Fig.11 Reinforcement measurement hole of No.7 contact lane in transportation uphill of No.3 Coal Seam

5 結(jié) 論

（1） 3 煤運輸上山處于弱膠結(jié)軟巖中，圍巖強度低，承載能力差，在高地應力及沖擊振動的作用下，松動圈不斷擴大，在錨網(wǎng)索噴支護的情況下，巷道變形仍較大。

（2） 數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著支護強度的增加，巷道的變形量、圍巖最大主應力、塑性區(qū)的體積都有所減小，巷道的主要破壞形式為剪切破壞，破壞位置集中在巷道兩肩和底腳，采用錨網(wǎng)索噴+頂板錨注的支護方案可以維持巷道的穩(wěn)定性。

（3） 注漿后漿液擴散范圍大，松散巖塊被黏聚為整體，形成高強度的承載結(jié)構(gòu)，該承載結(jié)構(gòu)一方面為錨桿提供承載力，充分發(fā)揮錨桿的懸吊作用，另一方面主動對其上覆巖層進行支撐，有效控制巷道頂板，工程實驗效果明顯。