深部高應力軟巖巷道圍巖破壞機理及全錨索支護技術研究

董社

（河南能源集團有限公司焦煤公司古漢山礦，河南焦作 454000）

0 引言

深井動力災害的顯現特征、演化規律以及致災機制均不同于淺部礦井[1-3]。進入深部開采階段后，深部巖體呈現軟巖特征，隨之發生的大變形動力現象尤為突出，造成深部軟巖巷道支護困難[4-6]。為此，專家學者對深部高應力軟巖巷道圍巖控制技術開展了大量研究，取得了豐富的研究成果。

康紅普等為表征深部軟巖巷道圍巖擴容與流變特性模型問題，將改進的應變軟化塑性體、改進黏塑性體和伯格斯體進行串聯[7]；張紅軍等研發了一種由桿體1、托盤、桿體2、夾片、連接套、滑移套管、錐形套等組成的新型高預應力增錨桿來控制深部高應力軟巖巷道圍巖大變形[8]；左建平等針對深部軟巖巷支護困難的問題，提出了開槽卸壓控制技術，并建立了開槽卸壓等效橢圓模型，揭示了開槽卸壓控制深部軟巖巷道圍巖大變形機理[9]；孟慶彬等自主研制了破裂巖樣承壓注漿試驗設備，開展了破裂巖體注漿加固力學特性試驗[10]。

古漢山礦1606 底抽巷回風巷是典型的深部軟巖巷道。該區域巷道掘出后，圍巖短時間內即發生大變形。本文通過建立該礦1606 底抽巷回風巷圍巖變形破壞的數值模型，分析研究深部軟巖巷道變形破壞機理，提出深部軟巖巷道“短錨索固幫+長錨索強頂”的全錨索加固技術。現場工程實踐表明，采用該技術后，可明顯控制深部軟巖巷道圍巖大變形，對提高支護剛度與強度，以及錨固范圍內的破碎圍巖力學性質具有顯著作用。

1 概況

古漢山井田位于焦作市東北，井田走向長10 km，傾向寬1.7 km。1606 底抽巷回風巷地面標高+96.1—+97.8 m，井下標高-603—-627 m，已進入深部開采序列，巷道揭露區域圍巖體呈現出典型的軟巖特征。巷道設計為直墻半圓拱形，設計長度為101.5 m，巷道掘進寬度為5200 mm，掘進高度為4100 mm，直墻高度為1500 mm，掘進斷面面積為18.4 m2。

2 深部高應力軟巖巷道圍巖破壞數值模擬分析

基于古漢山礦1606 底抽巷回風巷生產地質條件，建立FLAC3D 數值模型，模型長×寬×高為80 m×60 m×80 m，巷道為直墻拱型。模型四周邊界與底部邊界固定速度，模型頂部邊界為垂直應力邊界，側壓系數取值1.2，摩爾-庫倫強度準則為材料變形破壞強度準則。巷道開挖無支護情況下的巷道圍巖塑性區、垂直應力分布及偏應力分布情況如圖1 所示。

圖1 巷道開挖無支護情況下的巷道圍巖塑性區、垂直應力分布及偏應力分布Fig.1 The plastic zone,vertical stress and deviatoric stress distribution of roadway surrounding rock without support in roadway excavation

由圖1 可知，巷道開挖后，在沒有支護情況下，巷道圍巖塑性區較大，且巷道肩角及頂板塑性區深度明顯大于巷道兩幫及底板；巷道頂底板在開挖后形成較大范圍的應力低值區，巷幫深部圍巖則形成近似對稱的應力集中區域；此外，巷道開挖后，圍巖將形成偏應力環形峰值帶，且距離巷道表面較遠。

3 深部高應力軟巖巷道圍巖破壞機理分析

（1） 深部高應力導致巷道圍巖發生大變形破壞。進入深部開拓階段后，深部巖體處于高滲透壓力、高地應力、高地溫梯度和強烈采掘擾動的“三高一擾動”相互耦合的復雜環境，隨之發生的大變形動力現象尤為突出，造成深部巷道支護困難。

（2） 古漢山礦1606 底抽巷回風巷圍巖巖性較為松軟、破碎，整體性差，屬于典型的軟巖巷道，在深井高應力復雜環境下，易導致巷道圍巖進一步劣化，巷道圍巖擴容和流變效應凸顯，使得巷道圍巖控制難度加大。

4 深部高應力軟巖巷道圍巖控制對策及支護技術

4.1 圍巖控制對策

巷道圍巖塑性區深度遠超出傳統錨桿支護范圍，巷道圍巖全斷面利用錨索代替錯桿進行支護，擴大錨固結構控制范圍。巷道圍巖全錨索支護系統能充分發揮其施加高預緊力的優勢，使錨索控制范圍內的巖體近似呈三向受壓狀態，有效控制淺部圍巖受開挖或采動影響而誘發的裂隙拓展，圍巖松動破碎圈范圍大幅縮減，使得巷道圍巖松動破碎帶范圍控制在錨索支護范圍內。

考慮到巷道頂板及肩角圍巖破壞程度大于巷道兩幫破壞程度的圍巖破壞特征，本文特提出深部軟巖巷道“短錨索固幫+長錨索強頂”的全錨索控制對策。

4.2 支護技術參數

巷道永久支護為錨網噴支護，錨網索噴支護后巷道凈寬5000 mm，凈高4000 mm，直墻高度1500 mm，基礎深度100 mm，初噴厚度為20 ～50 mm，凈斷面為17.3 m2。頂板打設φ21.6 mm×7300 mm錨索，幫部打設中φ17.8 mm×4300 mm 高強預應力錨索，錯索間排距為800 mm×800 mm，頂板錨索預緊力為300 kN，幫部錨索預緊力為200 kN，噴漿厚度為≤100 mm。外露長度為150～250 mm（鎖具以外）。混凝土拌料選用P.C42.5 復合硅酸鹽水泥，砂為機制砂，石子粒徑為5 ～10 mm，速凝劑型號為782-3 型。混凝土重量配合比水泥∶機制砂=1∶4，速凝劑摻入量為水泥用量的3%～5%，其最小值不低于標準值的90%為合格。現場巷道支護方案如圖2 所示。

圖2 現場巷道支護方案Fig.2 On-site roadway support scheme

為了解巷道圍巖采取新技術后的控制效果，開展了深部軟巖巷道“短錨索固幫+長錨索強頂”的全錨索加固技術圍巖控制效果的數值模擬研究，錨桿錨索采用cable 結構單元進行模擬，噴漿層采用shell 結構單元進行模擬。模擬結果如圖3 所示。

圖3 新支護情況下的巷道圍巖塑性區、垂直應力分布及偏應力分布Fig.3 The plastic zone,vertical stress and deviatoric stress distribution of roadway surrounding rock with support in roadway excavation

由圖3 可知，巷道圍巖采用“短錨索固幫+長錨索強頂”的全錨索加固技術后，巷道圍巖塑性區明顯減小，且錨索均可錨固在穩定的彈性區巖體中，巷道圍巖應力低值區域范圍明顯縮小且偏應力峰值帶明顯向圍巖淺部轉移。表明新技術明顯改善了圍巖淺表面的應力環境，使得淺部圍巖承載能力得到較大幅度提升。

4.3 現場應用效果

采用十字測點法對巷道頂底板及兩幫圍巖收斂情況進行觀測，觀測結果如圖4 所示。

圖4 巷道頂底板及兩幫圍巖收斂情況Fig.4 The surrounding rock convergence of the roof,floor and the two sides

巷道圍巖采用“短錨索固幫+長錨索強頂”的全錨索加固技術后，圍巖變形得到了較好控制，頂底板變形程度整體上大于巷幫變形程度。巷道頂底板相對移近量最終穩定在105 mm 左右，巷道幫部移近量穩定在91 mm 左右，圍巖的變形量較小，處于可控范圍內，該技術實現了對巷道圍巖的有效控制。

5 結語

（1） 本文建立了深部高應力軟巖巷道圍巖破壞數值模型，探究深部高應力軟巖巷道圍巖破壞機理，提出了深部高應力軟巖巷道圍巖控制對策，并提出深部軟巖巷道“短錨索固幫+長錨索強頂”的全錨索加固技術。

（2） 巷道圍巖全錨索支護系統能充分發揮其施加高預緊力的優勢，使錨索控制范圍內的巖體近似呈三向受壓狀態，有效控制淺部圍巖受開挖或采動影響而誘發的裂隙拓展，圍巖松動破碎圈范圍大幅縮減，使巷道圍巖松動破碎帶范圍控制在錨索支護范圍內。

（3） 現場工程實踐表明，該技術可提高支護剛度與強度，以及錨固結構范圍的破碎圍巖力學性質，巷道頂底板相對移近量最終穩定在105 mm 左右，巷道幫部移近量穩定在91 mm 左右，圍巖變形量較小，該技術實現了對巷道圍巖的有效控制。