謝生榮,謝國強,何尚森,張廣超,楊軍輝,李二鵬,孫運江

(1.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京 100083;2.冀中能源股份有限公司邢東礦,河北邢臺 054000)

深部軟巖巷道錨噴注強化承壓拱支護機理及其應用

謝生榮1,謝國強2,何尚森1,張廣超1,楊軍輝2,李二鵬1,孫運江1

(1.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京 100083;2.冀中能源股份有限公司邢東礦,河北邢臺 054000)

針對深部軟巖巷道圍巖總變形量大、收斂速率快、持續(xù)變形時間長以及支護系統(tǒng)損毀等礦壓顯現(xiàn)特點,分析了復雜應力場和高滲透壓作用下的變形破壞機制,并結合深部巷道的“應力恢復、圍巖增強、固結修復和主動卸壓”控制原則,提出了集密集高強錨桿承壓拱、厚層鋼筋網噴層拱和滯后注漿加固拱于一體的錨噴注強化承壓拱支護技術,并闡明其成拱及強化支護的機理。結合現(xiàn)場地質生產條件采用理論計算、數(shù)值模擬和工程類比法綜合確定試驗巷道圍巖支護方案,并進行現(xiàn)場應用?，F(xiàn)場實踐表明,采用錨噴注強化承壓拱支護技術后,巷道圍巖總體變形量較小,圍巖收斂率從擴刷修復前的2.6 mm/d降至0.56 mm/d,且支護系統(tǒng)亦無開裂損毀現(xiàn)象發(fā)生,實現(xiàn)了對深井軟巖巷道的有效控制。

深井軟巖巷道;高強錨桿承壓拱;變形破壞機制;厚層鋼筋網噴層拱

隨著我國大多數(shù)煤礦相繼進入深部開采狀態(tài),巷道支護困難,且常出現(xiàn)重復翻修現(xiàn)象,維護費用高[1]。深部軟巖巷道控制成為這些企業(yè)亟待解決的關鍵難題之一。近年來,我國學者在深井巷道控制方面進行了不斷探索與實踐,取得了諸多成果[2－4]。袁亮院士提出了基于“應力恢復、圍巖增強、固結修復、轉移擴大”的深部巖巷圍巖穩(wěn)定控制理論,并針對深部巖巷圍巖分類標準體系形成了相應的深部圍巖控制技術體系[5]。何滿潮、孫曉明等提出了與深部軟巖巷道在強度、剛度和結構上相匹配的錨網索耦合支護技術和柔層桁架支護技術[6]?？导t普提出了高預應力、強力支護理論,開發(fā)了相應的高預應力強力支護系統(tǒng),并進行了大量的現(xiàn)場實踐[7－8]。柏建彪、侯朝炯認為深部巷道圍巖控制的基本方法是提高圍巖強度、轉移圍巖高應力以及采用合理的支護技術[9]。常聚才、謝廣祥分析了深部開挖后圍巖應力演化特征和變形破壞規(guī)律,揭示了深井巷道圍巖穩(wěn)定性的控制原理[10]。牛雙建、靖洪文等針對深部礦井極軟巷道提出了剛柔耦合動態(tài)加固技術[11]。林惠立、石永奎研究得出深部構造復雜區(qū)內大斷面硐室圍巖的變形破壞原因和穩(wěn)定性控制對策[12]。拱形支護結構因其具有受力合理、承載能力高、施工速度快和經濟效益高等優(yōu)點,在深部服務年限較長的巷道得到了廣泛應用。本文在前人研究的基礎上,分析深部軟巖巷道變形破壞機制,提出了密集高強錨桿承壓拱、厚層鋼筋網噴層拱和滯后注漿加固拱于一體的錨噴注強化承壓拱支護技術,實現(xiàn)深井軟巖巷道圍巖的有效控制,并為更深區(qū)域巷道圍巖控制提供借鑒。

1 深部巷道破壞機制及控制對策

邢東礦在向－980 m水平延伸開采過程中,巷道出現(xiàn)了一系列劇烈的礦壓顯現(xiàn),呈現(xiàn)出圍巖變形量大、持續(xù)時間長和破壞性強等特征,其變形破壞機制分析如下:

(1)復雜圍巖應力場作用。

邢東礦二水平采區(qū)埋深達1 000 m以上,僅原巖應力即可達25 MPa左右,且深部煤系地層賦有的較高構造應力導致應力場值更高[13]。深部復雜應力場使得巷道開挖后出現(xiàn)圍巖應力集中、非固有屬性惡化以及強度顯著降低等特征,常規(guī)支護系統(tǒng)不能有效解決深部巷道圍巖高應力與低強度之間的突出矛盾,從而使得圍巖經歷“損傷擴容—剪切滑移破壞—碎脹大變形”失穩(wěn)進入圍巖破裂損傷區(qū),圍巖應力向深部轉移,如此反復直至達到新的平衡[2－3]。邢東礦深部巷道在這一過程中出現(xiàn)大變形、頂板錨索間漏冒以及支護系統(tǒng)損毀支護體損毀[5,7]等現(xiàn)象,如圖1(a),(b)所示。

圖1 深井巷道圍巖及支護系統(tǒng)破壞狀況Fig.1 Damage situation of deep roadway surrounding rock and supporting system

(2)深部巖體的流變特性。

在深部復雜應力場作用下,一些普通巖石往往呈現(xiàn)出軟巖特征,即具有軟弱、破碎、松散、膨脹以及流變等特征。邢東礦主副暗斜井開掘后發(fā)生持續(xù)大變形,為了維持巷道的正常使用,不得不專門安排一支隊伍對其進行不間斷的整修;工作面區(qū)段平巷在服務期間內至少進行一次擴幫整修以維持其正常使用功能;－980 m大巷經歷2次大規(guī)模整修后,仍發(fā)生大變形,如圖1(c)所示。

(3)高滲透壓力作用。

在高應力和高滲透壓耦合作用下,巖體裂隙的啟裂、擴展、貫通以及分支裂紋的產生等劣化行為均有加劇趨勢。邢東礦二水平巷道部分區(qū)域頂板有淋水現(xiàn)象,如圖1(d)所示,因此,邢東礦深部淋水區(qū)巷道圍巖在高滲透壓作用下,其軟弱結構面的強度特性和變形特性會進一步產生不同程度的降低。

根據邢東礦二水平巷道礦壓顯現(xiàn)及變形破壞機制,提出了集密集高強錨桿承壓拱、厚層鋼筋網噴層拱和滯后注漿加固拱于一體的錨噴注強化承壓拱支護技術,符合深部復雜困難巷道圍巖控制的“應力恢復、圍巖增強、固結修復和主動卸壓”的控制原則[5]。該技術能大幅降低錨固區(qū)圍巖力學性能的劣化程度并先于非錨固區(qū)穩(wěn)定,之后穩(wěn)定錨固區(qū)對深部非錨固區(qū)產生高效徑向限制作用,促使深部圍巖向穩(wěn)定狀態(tài)轉變,從而使得巷道保持長期穩(wěn)定,解決深部巷道控制難題[14]。

2 深井巷道強化承壓拱支護機理

2.1 密集高強錨桿承壓拱支護機理

在拱形斷面巷道錨桿錨固區(qū)內,高預緊力高強錨桿加固影響范圍趨近于一段圓弧,且互相疊加,形成一個連續(xù)壓應力承壓拱,能與圍巖共同抵抗上部巖體的載荷。該承壓拱承載能力與施加的錨桿強度、長度、預緊力和間距以及圍巖的力學性質等因素密切相關。圖1(b)中錨桿間巖體漏冒現(xiàn)象表明常規(guī)錨桿支護形成承壓拱,無法適應深部軟巖巷道圍巖控制。因此,提出采用高強錨桿、施加高預緊力和密集間距布置等技術措施,形成一個高應力區(qū)疊加的厚強化承壓拱,提高其承載能力。常規(guī)錨桿支護與密集錨桿支護的承壓拱形成原理如圖2所示。

圖2 不同錨桿密度支護承壓拱形成原理Fig.2 Schematic diagram of bearing arch with different supporting density

圖2中左半部分為常規(guī)錨桿支護密度形成厚度為hd的低壓應力連續(xù)承壓拱,而施加的較高壓應力區(qū)未能有效重疊,未能形成連續(xù)有效壓應力區(qū)。l1為錨桿端部無有效壓應力影響的長度,它跟錨桿長度、預緊力大小和錨固性能有關;l2和l3分別為連續(xù)承壓拱頂環(huán)厚度和拱底環(huán)厚度。拱形巷道布置的錨桿深部間距大于淺部間距,導致l2＞l3,錨桿形成的有效成拱厚度減少。采用密集錨桿支護后,低壓應力承壓拱范圍增加,厚度hmd＞hd,其l2和l3值亦相應減小。密集布置錨桿的高壓應力區(qū)疊加,形成了厚度為hmg的高壓應力連續(xù)承壓拱。該承壓拱可以大幅改善淺部圍巖受力狀態(tài),提高巖體殘余強度,增強拱內巖體承載能力,從而控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展,有利于巷道圍巖穩(wěn)定。

2.2 厚層鋼筋網噴層拱支護機理

2.2.1 厚層鋼筋網噴層拱支護的理論分析

巷道開挖后及時給錨桿施加高預應力恢復和改善圍巖應力狀態(tài),有利于保持圍巖的完整性,而常規(guī)錨噴支護產生的圍壓不均、效能低,未能有效改變莫爾圓超出圍巖強度包絡線的實質,難以維持深部軟巖巷道圍巖的穩(wěn)定[5]。因此,提出在圍巖開挖后及時噴漿封閉圍巖,施加第1層錨桿和鋼梁壓經緯網,再進行第2次噴漿覆蓋第1層錨桿梁網,后施加第2層錨桿繩網,并進行第3次噴漿,最終形成厚層鋼筋網噴層拱[15]。該技術措施增加了噴層厚度,形成雙層鋼筋網混凝土結構,具有較高的抗彎強度和剛度,變形適應能力強。厚層鋼筋網噴層拱亦相當于形成了一個整體拱形大托盤,密集布置高強錨桿對其施加的整體預應力亦大幅增加且實現(xiàn)整體有效均勻擴散,對圍巖支護作用強[16]。

根據Rabcewicz承壓拱理論,鋼筋噴層拱承載能力可表示為鋼筋網承載能力和混凝土拱承載能力之和,其計算公式[17]為

其中,P為厚層鋼筋噴層拱的承載能力,MPa;r0為巷道等效半徑,m;τc為混凝土抗剪強度,一般取單軸抗壓強度的20%～40%;tc為噴層厚度,m;τm為鋼筋網所用材料的抗剪強度,MPa;Fm為沿巷道軸線方向單位長度鋼筋網橫截面積,m2;θ為圍巖剪切破壞角, (°);α為混凝土剪切破壞角,通常取30°;β為金屬網所用材料剪切破壞角,(°)。由式(1)可知,鋼筋噴層拱的承載能力與噴層厚度呈線性關系,其增長率與混凝土抗剪強度與剪切破壞角等參數(shù)相關;拱形半徑增加,其承載能力較小。邢東礦深井軟巖巷道圍巖噴C20混凝土,厚度tc=200 mm,采用?6 mm的鋼筋網,抗剪強度145 MPa,其承載能力可達37 MPa以上。

2.2.2 厚層鋼筋網噴層拱支護的數(shù)值模擬分析

(1)數(shù)值模型建立與模擬方案。

根據邢東礦－980 m水平試驗巷道地質條件,采用FLAC3D軟件建立厚層鋼筋網噴層拱支護的計算模型。模擬對象為千米深井軟巖巷道,半圓拱形斷面,寬4.5 m,高3.5 m,頂板厚度46.5 m,底板厚度30 m,模型尺寸為200 m×50 m×80 m(長×寬×高)。錨桿為?22 mm×2 400 mm的高強螺紋鋼錨桿。圍巖本構關系采用摩爾－庫侖模型。模型四周及底部均為固定邊界條件,上邊界為自由邊界條件,考慮服務時間長且多次擴刷等因素施加20 MPa均布載荷,沿模型x,y方向施加17 MPa水平壓應力載荷。模型模擬噴層總厚度分別為60,140和200 mm時巷道圍巖應力場分布特征、圍巖塑性破壞范圍和圍巖移近量變化規(guī)律,分析厚層鋼筋網噴層拱的支護機理及其優(yōu)越性。

(2)數(shù)值模擬結果分析。

數(shù)值模擬結果如圖3和圖4所示。

圖3 深部軟巖巷道圍巖垂直應力分布云圖Fig.3 Vertical stress distribution nephogram of deep roadway with soft surrounding rock

圖4 深部軟巖巷道塑性破壞區(qū)分布Fig.4 Distribution of failure plastic zone of deep roadway with soft surrounding rock

由圖3可以看出,當噴層厚度由80 mm增加到200 mm過程中,圍巖應力峰值有向淺部圍巖移動的趨勢。這表明噴層厚度增加,使得巷道圍巖側向壓應力增加,提高了圍巖峰值強度和殘余強度,從而使得圍巖應力大于巖體強度的區(qū)域減小,巷道圍巖彈性區(qū)范圍向巷道淺表面擴大,有利于保持巷道穩(wěn)定。

由圖4可以看出,巷道塑性破壞區(qū)主要發(fā)生在頂部兩肩窩及兩幫區(qū)域,且變形破壞范圍均較大。當噴層厚度由80 mm增至140 mm,頂板兩肩窩塑性破壞區(qū)范圍明顯減小,破壞深度由5.28 m降至3.12 m,兩幫和底板塑破壞性區(qū)范圍亦減小;當噴層厚度由140 mm增至200 mm,巷道圍巖塑性破壞區(qū)范圍進一步減少,且大部分塑性區(qū)深度小于2.4 m,即錨桿錨固在彈性區(qū)巖體內。在模型巷道圍巖設置測點進行巷道圍巖位移量監(jiān)測,監(jiān)測數(shù)據表明,隨著噴層厚度的增加,巷道圍巖及頂?shù)装逦灰屏烤蕼p小趨勢。噴層厚度80,140和200 mm的頂板位移量分別為443, 207和144 mm,兩幫位移量分別為422,290和215 mm。

上述分析表明,增加噴層拱厚度不僅提高了其抗彎強度和剛度,增強了鋼筋噴層拱的承載能力,有助于圍巖表面應力擴散,使得深部軟巖巷道圍巖強度亦得到增強,有效限制了圍巖塑性區(qū)的發(fā)展,有利于巷道保持穩(wěn)定。厚層鋼筋網噴層拱支護較大限度地恢復巷道自由面上的法向應力,有效改善深部軟巖巷道近表圍巖的應力狀態(tài),提高了圍巖的非固有強度和變形模量,限制了圍巖沿巷道自由面法向和結構面法向的張開變形,實現(xiàn)了“應力恢復”,符合深井軟巖巷道圍巖的控制原則[5]。

2.3 滯后注漿加固拱支護機理

邢東礦－980 m水平巷道服務時間長,且經過多次擴刷整修,巷道圍巖塑性區(qū)范圍大,圍巖經歷多次破裂,較深區(qū)域裂隙發(fā)育[18]。因此,在密集高強錨桿壓厚層鋼筋網噴層拱封閉圍巖條件下進行注漿,巷道圍巖能保持較高的殘余注漿壓力,大幅改善圍巖應力狀態(tài),且能有效防止巷道開挖后出現(xiàn)顯著的水頭壓降,從而有效減弱深部高滲透壓對圍巖裂隙擴展的作用。較高殘余注漿壓力的漿液能充滿到淺部圍巖裂隙、錨桿與孔壁間隙和深部裂隙區(qū),形成了包括密集高強錨桿、固結漿液和淺深部巖體的網絡骨架結構,使得承壓拱范圍進一步擴大,增強拱形支護結構的承載能力,有利于圍巖體抵抗深部高地應力的作用而保持長期穩(wěn)定。此外,形成的密集高強錨桿類似全長錨固能及時和節(jié)理一同發(fā)揮抗剪作用,能有效控制結構弱面的擴展,具有較強的控制和適應能力。

3 工程應用

3.1 深井巷道地質生產條件

邢東礦－980 m水平試驗巷道埋深達1 040 m,所處的煤系地層多為薄層狀細粒砂狀結構,裂隙發(fā)育,含植物化石碎片,賦存有1號、2號和2下煤層。其中2號煤層結構較簡單,賦存較穩(wěn)定,厚度3.1～4.3 m,平均厚度3.5 m,平均傾角12°。直接頂為粉砂質泥巖或粉砂巖,上部灰色、深灰色,下部灰白色含植物化石碎片,裂隙較發(fā)育,局部有風化現(xiàn)象,巖體強度差;底板為灰白色粉砂巖,炭質頁巖,富含植物根部化石,裂隙較發(fā)育,遇水變軟。巷道設計斷面為半圓拱形斷面,寬4.5 m,高3.5 m。原支護采用錨網噴復合支護,變形量大,影響生產且安全性差。

3.2 深井巷道支護方案及效果分析

3.2.1 深井軟巖巷道強化承壓拱支護方案

針對邢東礦－980 m水平巷道礦壓顯現(xiàn)特征,綜合理論計算、數(shù)值模擬和工程類比等方法,確定錨噴注強化承壓拱的支護方案,并采用“擴刷→初噴→初錨→掛梁網→復噴→再錨→掛繩網→再噴→后注”的工藝流程進行現(xiàn)場實踐,從而形成深部軟巖巷道強化承壓拱支護技術,如圖5所示。

圖5 深井軟巖巷道強化承壓拱支護方案Fig.5 Strengthen bearing arch supporting program of with soft surrounding rock

密集高強錨桿承壓拱采用2個層次間距700 mm×700 mm高強錨桿交錯布置形成。錨桿采用?22 mm×2 400 mm高強螺紋鋼錨桿,樹脂加長錨固,錨固力不小于80 kN,錨桿扭矩大于300 N·m。厚層鋼筋網噴層拱由3層噴層和2層繩梁壓經緯網構成,即擴刷后及時噴射80 mm厚混凝土,采用錨桿穹形托盤和?14 mm鋼筋梯子梁壓經緯網,形成第1層鋼筋網;之后噴60 mm的混凝土,再結合第2層錨桿穹形托盤和鋼絲繩壓經緯網,如圖6(a)所示,形成第2層鋼筋網后實施第3次噴漿,噴漿厚度為60 mm。鋼絲繩選用?6 mm兩股鋼絲繩,鋼絲繩吊掛縱向長度不得少于8 m,鋼絲繩搭接長度大于400 mm,并要求插交搭接。滯后注漿加固拱采用?22 mm×2 000 mm注漿錨桿進行封閉圍巖內注漿,間排距1 500 mm× 1 500 mm。注漿壓力為1.5～2.5 MPa,每孔采用3～5卷水泥藥卷進行封孔,保證注漿時不漏漿且錨桿不被沖出。漿液選用425號水泥,水灰比為(0.7～1)∶1。此外,在一次支護完成3 d后,在巷道兩幫底角處開挖400 mm×400 mm的矩形卸壓槽進行卸壓。

圖6 試驗巷道圍巖支護的照片F(xiàn)ig.6 Support photos of test roadway surrounding rock

3.2.2 支護效果分析

修復后的深井巷道支護效果如圖6(b)所示。為了進一步掌握深部軟巖巷道錨噴注強化承壓拱支護效果,設置測站進行巷道表面位移監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據顯示深井軟巖巷道擴刷支護后,頂板、兩幫和底板分別以近似1.15,3.01和1.41 mm/d的速率進行收斂。頂?shù)装迨諗克俾试?0 d以后變緩;兩幫收斂速率在40 d左右趨于變小,平均速率為0.56 mm/d,大幅低于原有錨噴支護后的2.6 mm/d,且總體變形量值較小,支護系統(tǒng)亦無開裂損毀現(xiàn)象發(fā)生。礦壓監(jiān)測結果表明,錨噴注強化承壓拱支護有效降低了圍巖的變形速率,顯著改善了支護效果,實現(xiàn)了對深井軟巖巷道的有效控制。

4 結 論

(1)采用高預應力錨桿密集間距布置方式使得其施加的產生有效高壓應力區(qū)相互重疊,有效控制錨桿之間圍巖的變形和破壞,形成一個高壓應力連續(xù)承壓拱,能與強化圍巖共同抵抗上部巖體的載荷。

(2)提出了能施加圍巖表面高應力的厚層鋼筋網噴層拱,有效改善巷道近表圍巖的應力狀態(tài),且控制圍巖裂隙產生、擴展與貫通,提高了圍巖的承載能力,具有更強的變形適應能力。采用數(shù)值模擬方法,計算分析了不同噴層厚度下拱形巷道圍巖應力場和塑性破壞區(qū)的分布規(guī)律。

(3)厚層鋼筋網噴層拱封閉圍巖注漿能保持淺表面圍巖具有較高的殘余壓力,應力狀態(tài)進一步改善;注漿使得錨桿由加長錨固轉變?yōu)轭愃迫L錨固,有效控制錨固巖體弱面的擴展,增大了切向錨固力,且錨固體自承能力提高。

(4)采用密集高強錨桿承壓拱、厚層鋼筋網噴層拱和滯后注漿加固的錨噴注強化承壓拱支護技術后,將圍巖收斂速率控制在0.56 mm/d以內,有效地解決了深部軟巖巷道控制難題,并為類似條件下的巷道支護提供理論和技術依據。

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Anchor-spray-injection strengthened bearing arch supporting mechanism of deep soft rock roadway and its application

XIE Sheng-rong1,XIE Guo-qiang2,HE Shang-sen1,ZHANG Guang-chao1,
YANG Jun-hui2,LI Er-peng1,SUN Yun-jiang1

(1.Faculty of Resources&Safety Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Xingdong Mine,Jizhong Energy Group Co.,Ltd.,Xingtai 054000,China)

According to the strata behavior features of deep roadway with soft surrounding rock such as large amounts of total deformation,high convergence rate,long continuous time and support system damage,after having analyzed the deformation and failure mechanism affected in role of complicated stress field and osmolality,combining with control principles of deep roadway that are stress recovery,the surrounding rock enhancing,consolidation repair and active pressure relief,this paper put forward the anchor-spray-injection to strengthened bearing arch supporting technology integrated with high strength anchor bearing arch,thick steel mesh spray-up arch and lag grouting reinforcement arch, and clarified its arching and strengthening mechanism.The support program of test roadway was finally determined using the theoretical calculation,numerical simulation and engineering analogy method and combining field production and geological conditions,and the program was then put into field application.After the adoption of the anchor injection to strengthen bearing arch supporting technology,field practice shows that total roadway surrounding rock deformation amounts is small.Convergence rate of surrounding dropped from 2.6 mm/d before expansion brush repair to 0.56 mm/d.Besides,there is no cracking and damaged phenomena occurred in the support system.The above factsdemonstrate that the technology achieves effective control of deep roadway with soft surrounding rock.

deep roadway with soft surrounding rock;high strength anchor bearing arch;deformation and failure mechanism;thick steel mesh spray layer arch

TD353

A

0253－9993(2014)03－0404－06

謝生榮,謝國強,何尚森,等.深部軟巖巷道錨噴注強化承壓拱支護機理及其應用[J].煤炭學報,2014,39(3):404－409.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0323

Xie Shengrong,Xie Guoqiang,He Shangsen,et al.Anchor-spray-injection strengthened bearing arch supporting mechanism of deep soft rock roadway and its application[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):404－409.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0323

2013－03－18 責任編輯:王婉潔

國家自然科學基金重點資助項目(51234005);國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2010CB226802);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2010QZ06)

謝生榮(1981—),男,江蘇六合人,講師,博士。Tel:010－62339153,E－mail:xsrxcq@163.com