時(shí) 磊 王 滿 汪 龍 劉權(quán)威 黃 滾

（1.新疆天華礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆尼勒克835700；2.煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044；3.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶400044）

隨著地下硐室、巷道的開挖深度不斷加大，大變形破碎巖體工程也在逐漸增多，而破碎巖體由于自身的節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，在水、夾層泥、開挖擾動(dòng)等外界因素干擾下極易產(chǎn)生破壞變形，導(dǎo)致支護(hù)失效和巷道失穩(wěn)，引發(fā)安全問題的同時(shí)也增加了維護(hù)成本［1］。

針對破碎巖體的支護(hù)技術(shù)研究，目前普遍提出采用注漿加固技術(shù)提高巖體整體強(qiáng)度從而達(dá)到支護(hù)的要求［2］。李召峰［3-5］選用不同的注漿材料對富水破碎巖體進(jìn)行注漿加固室內(nèi)試驗(yàn)，以硫鋁酸鹽水泥熟料和鋼渣微粉為原料制備高性能的注漿材料，并驗(yàn)證了其加固效果優(yōu)于傳統(tǒng)水泥材料；李立新［6］基于層流力學(xué)的本構(gòu)方程和耦合理論，提出了一套適用于破碎巖體注漿厚度的計(jì)算方法，并推斷出注漿滲透系數(shù)、注漿圈厚度及涌水量之間存在著一定的關(guān)系；康紅普、張璨等［7-8］結(jié)合工程案例從應(yīng)力的角度對破碎巖體中的應(yīng)力集中及其峰值進(jìn)行理論分析，提出了錨桿、錨索、注漿的綜合支護(hù)技術(shù)，為現(xiàn)場的支護(hù)施工提供了有效的參考。雖然注漿加固技術(shù)在破碎巖體支護(hù)中發(fā)揮較好的效果，但其復(fù)雜的施工工藝和高額的材料成本，在短服務(wù)期限的礦山巷道難以被廣泛應(yīng)用。因此，研究低成本、高效率的破碎巖體巷道支護(hù)技術(shù)對礦山安全生產(chǎn)意義重大。

本研究以某鐵礦破碎巖體巷道為工程背景，引入松動(dòng)圈支護(hù)理論，通過現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬提出一種適用于礦山破碎巖體的低成本支護(hù)方案。

1 工程概況

該鐵礦位于哈薩克斯坦板塊伊犁微地塊，因普遍遭受后期構(gòu)造的破壞而裂隙發(fā)育。礦體及圍巖受地應(yīng)力、地下水以及風(fēng)化影響較為嚴(yán)重，同時(shí)節(jié)理裂隙間夾雜著大量遇水軟化膨脹的泥質(zhì)充填物。巷道開挖時(shí)，在水的沖刷作用下巖石只能在短時(shí)間內(nèi)自穩(wěn)，一旦支護(hù)不及時(shí)極易造成垮冒變形現(xiàn)象。后期爆破作業(yè)的振動(dòng)、寒冬季雪水的結(jié)冰膨脹，使得裂隙繼續(xù)擴(kuò)張貫穿，極大地降低了巖石力學(xué)強(qiáng)度，給礦山帶來了嚴(yán)重的支護(hù)問題。目前該礦山破碎巖體巷道中使用長度為2 m的管縫式錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土的支護(hù)方式，但在回采進(jìn)路巷道、分段運(yùn)輸巷道和掘進(jìn)工作面面臨著嚴(yán)重的垮塌、變形問題。圖1為運(yùn)輸大巷坍塌情況，由于巷道破損嚴(yán)重造成大面積的礦石難以回采，同時(shí)垮塌巷道處的二次支護(hù)工作量大、耗時(shí)長且作業(yè)安全性差，這對該礦山的正常生產(chǎn)組織和成本控制產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2 松動(dòng)圈半徑計(jì)算

巷道冒頂、片幫發(fā)生的根本原因是塑性區(qū)和破裂區(qū)的繼續(xù)破裂，而巷道的支護(hù)不僅要降低破裂區(qū)巖石的變形同時(shí)應(yīng)阻止塑性發(fā)生破裂，因此準(zhǔn)確得到塑性區(qū)和破裂區(qū)半徑大小可為支護(hù)方案選擇提供有效的依據(jù)［9-11］。袁文伯等［12］根據(jù)彈性理論的基本假設(shè)，考慮巖石在塑性區(qū)與破裂區(qū)的臨界狀態(tài)及邊界條件r=a（巷道半徑）時(shí)得出松動(dòng)圈計(jì)算公式：

式中，φ為內(nèi)摩擦角；υ為泊松比；P0為原巖應(yīng)力；σc為單軸抗壓強(qiáng)度；σ*c為巖石殘余強(qiáng)度；R為塑性區(qū)半徑；Rt為破裂區(qū)半徑；Pi為支護(hù)抗力；E為巖體的彈性模量；M0為軟化模量。

已知該礦山破壞巷道的基本參數(shù)為：原巖應(yīng)力12.8 MPa；單軸抗壓強(qiáng)度13.74 MPa；殘余強(qiáng)度4.48 MPa；泊松比0.21；內(nèi)摩擦角30°；巷道半徑1.9 m。代入式（1）、式（2）計(jì)算得到：塑性區(qū)大小為2.34 m；破裂區(qū)大小為1.76 m。根據(jù)文獻(xiàn)［14］中松動(dòng)圈大小分類，可初步判定該礦山巷道為大松動(dòng)圈類型。因此在該礦山巷道支護(hù)中，長度為2 m的管縫式錨桿難以將破裂區(qū)的破碎巖體固定于穩(wěn)定頂板層中，原支護(hù)難以達(dá)到支護(hù)要求。

3 松動(dòng)圈現(xiàn)場實(shí)測

3.1 破裂區(qū)測量

本次巷道圍巖松動(dòng)圈的測量采用的設(shè)備是由武漢長盛公司生產(chǎn)的JL-IUCA6（A）基樁多孔自動(dòng)超聲儀，見圖2。測量地點(diǎn)選在2 580分段的CM24和CM16兩條進(jìn)路內(nèi)來布置測孔，測孔傾角為-5°，孔深約為5 m，孔間距為1.7 m。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)超聲波測量的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制成如圖3所示波速變化曲線，分析圖3可知：在CM24和CM16兩條進(jìn)路巷道的圍巖中，隨著圍巖中測孔深度的增加，圍巖中超聲波波速都有著明顯的“穩(wěn)定不變—降低—增大—穩(wěn)定不變”的變化趨勢，這說明巷道圍巖中存在松動(dòng)圈。

深度2.4 m以上的圍巖波速穩(wěn)定值在3 000～3 400 m/s之間，說明此處圍巖完整；深度在2.4～1.8 m波速發(fā)生急劇下降，圍巖由原巖狀態(tài)過渡到破裂區(qū)，說明此處巖石處于塑性狀態(tài)，巖石開始發(fā)生一定程度的破壞；因此，可以從關(guān)系曲線中判斷出圍巖松動(dòng)圈厚度的大小約為1.8 m，其結(jié)果與松動(dòng)圈理論計(jì)算值比較吻合。根據(jù)現(xiàn)有的松動(dòng)圈支護(hù)理論［13-14］分析發(fā)現(xiàn)，該礦山的松動(dòng)圈范圍為大松動(dòng)圈，為一般不穩(wěn)定的Ⅳ類圍巖，針對大松動(dòng)圈破碎巖體表現(xiàn)出的軟巖工程特性，采用錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土的支護(hù)方式。

4 支護(hù)參數(shù)選擇及施工

4.1 支護(hù)方案選擇

根據(jù)該鐵礦在大變形破碎巷道支護(hù)方面取得的研究成果以及積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對其圍巖支護(hù)方案進(jìn)行初步選擇。

現(xiàn)場測得的松動(dòng)圈半徑為1.8 m，而礦山使用的管縫式錨桿長度為2 m（有效長度約1.8 m），難以將破裂區(qū)巖體固定于穩(wěn)定層，因此建議使用長度較長的錨索。目前礦山采用間距為1 m×1.2 m、長度2 m的管縫式錨桿，考慮單根錨桿需承受巖體的重量為

對現(xiàn)場錨桿進(jìn)行拉拔力測試得到平均拉拔力約為29 kN，遠(yuǎn)小于理論上單根錨桿的抗拉拔值，因此管縫式錨桿并不能滿足礦山破碎巖體巷道支護(hù)要求，故建議選用抗拉拔力更強(qiáng)的樹脂錨桿。

錨桿群與鋼筋網(wǎng)的結(jié)合可將破裂區(qū)的巖石固定形成組合拱，長錨索可將拱體懸吊于深部穩(wěn)定巖層中形成一個(gè)主動(dòng)承壓支護(hù)。通過高強(qiáng)度錨桿和長錨索的組合疊加，可有效控制破碎巖體小范圍的移動(dòng)以及大范圍的變形，解決礦山巷道支護(hù)的難題。

4.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及施工

具體支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：①錨桿：選用材質(zhì)25Mn螺紋鋼樹脂錨桿，直徑18 mm，長度2 200 mm，錨桿間距0.7 m×0.8 m，每排布置15根；②錨索：選用直徑17.8 mm，長度6.5 m，間排距1.5～2 m，每排布置5根；③鋼筋網(wǎng)：直徑6 mm的圓鋼點(diǎn)焊成1 300 mm×9 000 mm的網(wǎng)片，網(wǎng)孔的尺寸為100 mm×100 mm；托板選用碟形托板，規(guī)格為120 mm×120 mm×6 mm；④噴射混凝土：開挖后立即初噴30 mm厚的混凝土，掛網(wǎng)、安設(shè)樹脂錨桿后再噴40 mm的混凝土，最后復(fù)噴30 mm的混凝土，使達(dá)到永久支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)混凝土總厚度為100 mm。圖4為巷道斷面參數(shù)設(shè)計(jì)圖。

5 數(shù)值模擬驗(yàn)算

5.1 模型構(gòu)建

利用FLAC3D對優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬分析，采用摩爾—庫倫模型建立20 m×10 m×20 m的幾何模型，巷道采用的是3.8 m×（1.9+1.7）m的半圓拱形斷面，如圖4所示。

5.2 模型開挖

本次采用3種方案（圖5）對巷道開挖后的變形進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證不同錨桿支護(hù)間距下的支護(hù)效果。具體數(shù)值分析方案：方案一，僅進(jìn)行巷道的開挖；方案二，選用1 m×1.2 m的錨桿支護(hù)間距進(jìn)行噴射混凝土和錨桿支護(hù)；方案三，選用0.7 m×0.8 m的錨桿支護(hù)間距進(jìn)行噴射混凝土和錨桿支護(hù)。

5.3 結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的支護(hù)方案對3種支護(hù)方案下巷道的塑性區(qū)進(jìn)行分析，見圖6所示。同時(shí)對3種方案下的巷道拱頂垂直方向、右拱肩水平方向和拱底垂直方向的位移變形分別進(jìn)行監(jiān)測，以驗(yàn)證支護(hù)方案的合理性，見圖6。圖7為3種開挖方案下監(jiān)測點(diǎn)收斂量曲線。

從圖6和圖7可以看出：

（1）對比1 m×1.2 m支護(hù)間距，0.7 m×0.8 m的錨桿支護(hù)間距下的塑性區(qū)更小，說明設(shè)計(jì)的小支護(hù)間距對破碎巖體塑性區(qū)有更好的控制效果。

（2）3種開挖方式下巷道的拱頂、拱底和拱肩都發(fā)生不同程度的變形，且隨著時(shí)間的推移而逐漸增大，并最終趨于自穩(wěn)。其中拱頂和拱底在3種方案下的自穩(wěn)時(shí)間約為25 d，說明支護(hù)間距的改變對拱頂、拱底自穩(wěn)時(shí)間的影響較小，而右拱肩在支護(hù)前后的自穩(wěn)時(shí)間由20 d減少為10 d，收斂值從3.4 cm降低到1.5 cm，說明支護(hù)在降低巷道水平自穩(wěn)時(shí)間的同時(shí)也減小了巷道的收斂值。

6 結(jié)論

（1）利用理論計(jì)算得到破裂區(qū)和塑性區(qū)大小分別為1.75 m和2.34 m，現(xiàn)場松動(dòng)圈實(shí)測結(jié)果為1.8 m和2.4 m，與理論值吻合較好，以此確定了巷道圍巖為大松動(dòng)圈類型。同時(shí)發(fā)現(xiàn)礦山原采用長度2 m的管縫式錨桿并不能滿足1.8 m厚的松動(dòng)圈巷道支護(hù)要求，因此提出長錨索+高強(qiáng)度樹脂錨桿的組合支護(hù)方案。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，0.7 m×0.8 m的錨桿支護(hù)間距對塑性區(qū)范圍有明顯改善，對巷道開挖進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，采用錨桿+錨索的支護(hù)方案不僅能減少巷道圍巖變形量，同時(shí)能明顯縮小自穩(wěn)時(shí)間，對巷道的安全穩(wěn)定發(fā)揮重要作用。

（3）根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬，建議支護(hù)參數(shù)中錨桿的間排距選用0.7 m×0.8 m，并且每排布置15根錨桿，利用錨桿群形成組合拱的同時(shí)，長錨索可提供對破碎巖體的主動(dòng)支護(hù)，防止裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張。使用錨桿+長錨索+金屬網(wǎng)+噴射混凝土的組合支護(hù)方式施工簡單、材料成本低，可有效控制破碎巖體巷道的大變形，基本實(shí)現(xiàn)開挖巷道支護(hù)一次成功。