景海河 呂 謙 趙術(shù)江 孫銀磊

(1.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150027; 2.神華能源公司沙吉海煤礦，新疆和布克賽爾 834411)

0 引言

軟巖問(wèn)題是影響礦井生產(chǎn)的一大難題，目前全國(guó)許多礦井由于是軟巖巷道而導(dǎo)致支護(hù)的難度和破壞程度不斷增加[1-5]，一般的支護(hù)方法不能有效的控制軟巖巷道的大變形破壞，這就給煤礦的安全與生產(chǎn)帶來(lái)了不可估計(jì)的損失和困難。因此，軟巖巷道的支護(hù)問(wèn)題就變成急需解決的課題，本文就沙吉海煤礦B103W01工作面運(yùn)輸順槽的支護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了研究，并提出了以恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角注漿鋼管為主體的耦合支護(hù)技術(shù)。

1 工程地質(zhì)特征

1.1 地層巖性

沙吉海煤礦B103W01工作面運(yùn)輸順槽標(biāo)高為+300 m，布置在B10煤層中，頂板為泥巖，厚度8 m;泥質(zhì)粉砂巖，厚度12 m，底板為泥巖，厚度8 m。

1.2 巖性分析

為了全面的了解運(yùn)輸順槽圍巖的膨脹性粘土礦物的種類(lèi)及含量的多少，所以在運(yùn)輸順槽內(nèi)進(jìn)行巖樣的采集并進(jìn)行了電鏡分析、能譜分析、X射線衍射分析，分析結(jié)果如表1，表2所示。

表1 粘土礦物種類(lèi)及相對(duì)含量

表2 全巖礦物種類(lèi)及含量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:運(yùn)輸順槽巷道圍巖粘土礦物主要為蒙脫石、伊/蒙混層和高嶺石，對(duì)圍巖的強(qiáng)度影響較大。其中，膨脹性及吸水性較強(qiáng)的蒙脫石和伊/蒙混礦物的相對(duì)含量達(dá)45%;其混層比達(dá)到51%。由此可見(jiàn)，運(yùn)輸順槽圍巖屬膨脹性軟巖。

1.3 物理力學(xué)性質(zhì)

首先對(duì)運(yùn)輸順槽巷道的圍巖進(jìn)行了巖石和煤樣的采集并將其加工成標(biāo)準(zhǔn)的試件，先后對(duì)加工好的試件進(jìn)行了容重，孔隙率，單軸、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)以及變形實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3，表4所示。

表3 不同巖樣的主要物理力學(xué)參數(shù)(一)

表4 不同巖樣的主要物理力學(xué)參數(shù)(二)

從表3可以明顯看出，軟巖巷道的圍巖強(qiáng)度普遍較低，其中泥巖的吸水性較強(qiáng)，在飽和狀態(tài)下泥巖的抗壓強(qiáng)度僅為3.5 MPa，而抗壓強(qiáng)度最小的煤的抗壓強(qiáng)度卻達(dá)到18.52 MPa，所以在飽和狀態(tài)下的煤體的抗壓強(qiáng)度顯著大于泥巖的抗壓強(qiáng)度，此時(shí)吸水后的泥巖的抗壓強(qiáng)度大幅降低(軟化系數(shù)僅為0.13)，且?guī)r體會(huì)因膨脹而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，這對(duì)巷道的穩(wěn)定性控制將極為不利。

2 巷道變形力學(xué)機(jī)制分析

通過(guò)對(duì)運(yùn)輸順槽圍巖的試驗(yàn)研究和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查并依據(jù)實(shí)際工程的破壞特點(diǎn)，可分析出可能造成運(yùn)輸順槽破壞的原因如下:

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘查可知，沙吉海煤礦B103W01工作面運(yùn)輸順槽圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀呈隨機(jī)分布，大大削弱了圍巖的整體性和穩(wěn)定性;巷道開(kāi)挖之后，巷道頂板受礦山壓力影響產(chǎn)生裂隙，由于錨索端部伸入到煤層上部含水層中，水順錨索桿體通過(guò)圍巖裂隙進(jìn)入到泥巖當(dāng)中，水被泥巖吸收后膨脹變形，且泥巖遇水后其抗壓強(qiáng)度急劇降低，這使得巖體自身不能充分發(fā)揮自身的承載能力，而普通錨網(wǎng)的支護(hù)強(qiáng)度低，且錨固的深度有限，錨桿的延性差，根本無(wú)法限制圍巖所產(chǎn)生的大變形問(wèn)題。由于圍巖壓力過(guò)大經(jīng)常使得錨桿發(fā)生破斷失效，對(duì)于巷道的頂板支護(hù)極其不利;

2)由于膨脹性粘土礦物的蒙脫石和伊/蒙混合層在圍巖中含量達(dá)到45%以上，這就使的圍巖具有較高的膨脹性和吸水性，這些因素對(duì)圍巖的變形和破壞有著非常重要的影響;

3)從運(yùn)輸順槽現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)施工情況來(lái)看，頂板淋水大，掘進(jìn)工作面涌水量可達(dá)45 m3/h，在水的作用下，巷道圍巖的穩(wěn)定性將進(jìn)一步惡化，因此，水是巷道圍巖的不穩(wěn)定因素中最為不利的因素之一;

4)受工程擾動(dòng)嚴(yán)重，運(yùn)輸順槽巷道受到相互之間施工擾動(dòng)影響，可能會(huì)加大巷道的變形破壞。

經(jīng)以上分析，該工程部位的變形力學(xué)機(jī)制為ⅠAⅡBCDⅢE型，即不但具有分子膨脹機(jī)制型、而且還具有重力及水影響的應(yīng)力擴(kuò)容型，同時(shí)還具有隨機(jī)節(jié)理型。

對(duì)ⅠAⅡBCDⅢE復(fù)合型軟巖巷道，引進(jìn)“以柔克剛、剛?cè)岵?jì)”的恒阻大變形錨桿支護(hù)體系及中空注漿錨索等新型支護(hù)工藝。首先通過(guò)恒阻大變形錨桿的支護(hù)，可以吸收掉圍巖中一定的變形膨脹能和塑性能，使圍巖的ⅠAⅡBCDⅢE復(fù)合型軟巖巷道轉(zhuǎn)化為比較簡(jiǎn)單的ⅡBCDⅢE型。利用恒阻大變形錨桿的恒阻大變形力學(xué)機(jī)制和能吸收圍巖部分能量的特點(diǎn)，當(dāng)巷道圍巖發(fā)生大變形的時(shí)候，恒阻大變形錨桿會(huì)隨著圍巖的膨脹變形而自動(dòng)延伸，并能在一定范圍內(nèi)保持恒定的阻力值，此時(shí)恒阻大變形錨桿可以通過(guò)恒阻大變形的工作特性吸收圍巖多余的能量，這就使得恒阻大變形錨桿在圍巖產(chǎn)生大變形的條件下仍具有良好的支護(hù)作用并能保證巷道的穩(wěn)定。

同時(shí)采用了錨桿的三維優(yōu)化技術(shù)，可以有效地控制圍巖結(jié)構(gòu)變形，使其轉(zhuǎn)化為ⅡBCD型。

巖體錨注加固技術(shù)是對(duì)巖體實(shí)施外錨內(nèi)注加固處理的一種加固方式，其中特種中空錨桿(索)兼作注漿管。它是巖體注漿加固技術(shù)與巖體錨桿(索)加固技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，充分利用注漿加固與錨桿加固的各自優(yōu)點(diǎn)，對(duì)軟弱、破碎圍巖進(jìn)行錨注支護(hù)，就是通過(guò)漿液的充填、膠結(jié)與錨桿的組合、懸吊以及噴射混凝土的封閉和支撐等作用來(lái)改善圍巖的受力狀況以及它的整體性，就是用注漿來(lái)改變圍巖的松散結(jié)構(gòu)，封閉裂隙，可以有效的阻止水對(duì)巖體的侵蝕，從而提高圍巖的強(qiáng)度，改善圍巖的受力狀態(tài)，繼而達(dá)到維護(hù)圍巖穩(wěn)定性的目的，而恒阻大變形錨桿又是起支護(hù)作用的。最后通過(guò)中空注漿錨索、底角注漿鋼管與恒阻大變形錨桿支護(hù)技術(shù)可以使圍巖與支護(hù)體變形協(xié)調(diào)、達(dá)到相互耦合作用，最終達(dá)到巷道圍巖的穩(wěn)定的目的。具體的轉(zhuǎn)化及支護(hù)力學(xué)對(duì)策如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸順槽巷道復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化圖

3 工程實(shí)例

3.1 巷道斷面形狀及支護(hù)形式

斷面設(shè)計(jì)形狀為梯形，支護(hù)形式為恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管耦合支護(hù)，如圖2所示。

3.2 支護(hù)材料及參數(shù)

支護(hù)所用材料有錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼筋梯、底角鋼管，具體參數(shù)如下:

1)錨桿。

采用φ20 mm×2 700 mm恒阻大變形錨桿，間排距700 mm ×800 mm，三花布置，預(yù)緊力不小于300 kN。

2)錨索。

采用φ22 mm×7 000 mm中空注漿錨索，間排距1 600 mm×2 400 mm，錨索緊跟迎頭安裝時(shí)預(yù)緊力為100 kN，滯后迎頭安裝時(shí)預(yù)緊力為120 kN。

3)金屬網(wǎng)。

采用φ6.5 mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)片的尺寸為1 700 mm×900 mm，網(wǎng)格尺寸100 mm×100 mm。

4)底角鋼管。

采用φ43 mm×2 500 mm無(wú)縫鋼管，內(nèi)插鋼筋并注漿，排距為500 mm。

5)鋼筋梯。

鋼筋梯采用10號(hào)圓鋼焊接而成，其頂部的規(guī)格(長(zhǎng)×寬)為4 900 mm×100 mm，幫部規(guī)格(長(zhǎng)×寬)為5 000 mm×100 mm。

圖2 支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖

4 支護(hù)效果分析

B103W01工作面運(yùn)輸順槽巷道采用了恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管支護(hù)技術(shù)，軟巖巷道的大變形問(wèn)題得到了有效的解決，巷道的整體造型良好。為了檢驗(yàn)支護(hù)效果，在運(yùn)輸順槽兩側(cè)分別設(shè)一組測(cè)站，分別監(jiān)測(cè)巷道圍巖的兩幫收縮及頂板下沉和底臌，經(jīng)過(guò)120 d的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道圍巖最大變形量74 mm，在可接受的范圍內(nèi)，巷道穩(wěn)定，支護(hù)效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，確定了B103W01工作面運(yùn)輸順槽巷道的破壞原因;

2)確定了B103W01工作面運(yùn)輸順槽巷道的變形力學(xué)機(jī)制，提出了恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管的支護(hù)對(duì)策;

3)工程實(shí)踐表明，恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管支護(hù)方案在軟巖巷道維護(hù)圍巖的穩(wěn)定、有效遏制圍巖大變形和應(yīng)對(duì)工程擾動(dòng)的影響等方面有著獨(dú)特的作用，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值，可以作為類(lèi)似巷道的設(shè)計(jì)參考和依據(jù)。

[1] Sellers E J，Klerck P.Modeling of the effect of discontinuities on the extent of the fracture zone surrounding deep tunnels[J].Tunneling and Underground Space Technology，2000，15(4):463-469.

[2] Kidybinski A，Dubinski J.Strata Control in Deep Mines[M].Rotterdam:A.A.Balkema，1990.

[3] 許興亮，張 農(nóng).富水條件下軟巖巷道變形特征與過(guò)程控制研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36(3):298-302.

[4] 何滿潮，孫曉明.中國(guó)煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計(jì)與施工指南[M].北京:科學(xué)出版社，2004.

[5] 何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2002.