冷光海

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土城礦深部高應力軟巖巷道支護技術研究與應用

冷光海

(貴州盤江精煤股份有限公司土城礦，貴州 盤州市 553529)

針對軟巖巷道遇水膨脹泥化、變形量大、錨桿索失效嚴重等技術難題，以貴州盤江礦區(qū)土城礦131運煤上山為工程背景，通過數(shù)值模擬及工業(yè)性試驗等方法，揭示了圍巖變形特征以及巷道失穩(wěn)破壞原因，設計了“錨桿(索)+灌漿+雙U型鋼”的聯(lián)合支護方案。通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對設計方案進行模擬分析，驗證了方案合理性。最后，該聯(lián)合支護成功運用于土城礦，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：巷道最大變形收斂率為10.21％，較巷道修復前55％的變形收斂率，有效地控制了軟巖巷道的收斂變形。研究與應用結(jié)果可為類似復雜條件下的高應力大變形軟巖巷道控制提供借鑒。

高應力；大變形；軟巖巷道；聯(lián)合支護

軟巖巷道支護問題一直是當今世界地下工程中一項重要而復雜的技術問題，隨著淺部煤炭資源日漸枯竭，煤礦開采深度及開采強度不斷提高，軟巖巷道的數(shù)量也在逐漸增多，支護難度也不斷提高，采用傳統(tǒng)的支護方式已無法維持巷道的穩(wěn)定。因此，對軟巖巷道支護問題的研究已迫在眉睫[1?3]。

深部高應力軟巖巷道主要呈現(xiàn)出長期受高應力影響，圍巖變形速度快，支護構(gòu)件失效嚴重等一系列現(xiàn)象，給煤礦的生產(chǎn)安全帶來了巨大的隱患。因此，國內(nèi)外眾多學者對軟巖巷道的支護理論及支護技術進行了深入的研究，并取得一系列的研究成果[4?10]。但對于高應力且應力復雜、圍巖松散破碎、巷道泥化現(xiàn)象嚴重的軟巖巷道支護效果不甚理想。因此筆者以貴州省盤江礦區(qū)土城礦131運輸上山為工程背景，通過分析和試驗研究，并基于高阻灌漿圍巖控制理論提出了“錨桿錨索+灌漿+雙U型鋼棚”的聯(lián)合支護方案并得到成功應用，支護效果良好。

1 巷道圍巖變形特征及原因分析

土城礦位于貴州省盤江礦區(qū)，礦井井田地形多為山區(qū)地形，褶皺、斷層分布廣泛。該礦131運輸上山位于13采區(qū)，周邊煤層已先后采空，3號煤層上距1號煤層9.60 m，下距5號煤層7.25 m，巷道埋深886 m，圍巖巖性多以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細砂巖等軟弱巖層為主，屬于典型的深部高應力工程軟巖巷道。

巷道原支護方式為網(wǎng)噴+錨桿索聯(lián)合支護，錨桿采用是Φ20 mm×L2200 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，預緊扭矩為150 N·m；錨索為Φ17.8 mm×L4200 mm鋼絞繩，間排距為1200 mm ×1200 mm；鋼筋網(wǎng)規(guī)格為1800 mm×860 mm，網(wǎng)格為100 mm×100 mm；噴射混凝土厚度為150 mm。

1.1 巷道圍巖變形破壞特征

對131運輸上山進行現(xiàn)場勘察和記錄，總結(jié)分析得出巷道具有以下變形特征：

(1) 頂板及兩幫變形量大。經(jīng)現(xiàn)場實測頂板最大下沉量為1200 mm，兩幫移近量850 mm，局部巖石冒落，影響正常生產(chǎn)。

(2) 圍巖變形速率快，持續(xù)時間長。巷道支護完成后，圍巖持續(xù)變形，變形速率最快達到20 mm/d，后期變形速率為4 mm/d，巷道圍巖的持續(xù)變形，導致巷道經(jīng)多次返修，支護效果不佳。

(3) 支護結(jié)構(gòu)失效嚴重。隨著圍巖變形量的逐漸增大，出現(xiàn)錨桿索拉斷、扭彎、滑脫；托盤錨空、壓裂、壓彎及脫落；金屬網(wǎng)網(wǎng)兜撕裂，局部巖石冒落。大量支護結(jié)構(gòu)失效，主動承載性能失效。

1.2 巷道圍巖變形破壞原因

(1) 圍巖軟弱，抗壓強度低且受水理作用影響。回采巷道圍巖巖性多以中砂巖、粉砂巖、泥巖等低強度的巖層為主，軟弱巖性加之采動影響，導致圍巖較為破碎，抗壓強度低。室內(nèi)采用panalytical多功能粉末X射線衍射儀對巖樣進行分析，泥巖單軸抗壓強度低于0.8 MPa，粉砂巖當中含有一定的植物化石，使其圍巖自身強度較低，而中砂巖的組份以石英為主，當中粘土礦物質(zhì)如高嶺石等含量也偏高，粘土礦物質(zhì)有遇水易膨脹的特性，該巷道有透水現(xiàn)象發(fā)生，當水滲入圍巖中時會引發(fā)圍巖膨脹，導致其破碎，使其強度降低從而導致巷道的失穩(wěn)變形。

(2) 受重復采動影響，應力復雜且集中。首先，由于12#、13#、14#等近距離煤層群的開采，對131運輸巷造成了重復采動影響；同時，該巷道所處環(huán)境周圍有較多的硐室、聯(lián)絡巷等人為開鑿區(qū)域，而該巷道又處于中心交匯點的位置，其本身的原始應力場與其周圍各應力擾動形成的擾動應力場相疊加，使得該巷道原本的應力環(huán)境變得復雜且應力集中現(xiàn)象嚴重。

(3) 原有支護方案不能滿足巷道支護要求。巷道原支護方式錨桿索聯(lián)合支護，據(jù)松動圈范圍測試，原方案錨桿錨固范圍小于圍巖松動圈范圍，無法充分發(fā)揮錨桿的主動承載性；同時圍巖兩幫破碎且軟弱，該方案對兩幫未采取加強支護，從而導致圍巖兩幫破壞嚴重，巷道失穩(wěn)，未形成合理穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)。

2 圍巖穩(wěn)定性控制技術

2.1 高阻灌漿圍巖控制原理

對長期處于高應力環(huán)境中的巷道，提供較大支護工作阻力等是保證巷道圍巖穩(wěn)定性的關鍵。依據(jù)巷道圍巖變形破壞特征以及破壞原因，基于以上分析提出高阻灌漿圍巖控制理論，其機理為：

(1) 采用可縮性環(huán)形支架，支架接頭處可縮量可實現(xiàn)自行調(diào)節(jié)，對圍巖四周來壓大、受力不均，支架可提供較大的主動承載性能。當圍巖壓力超過支架工作阻力時，可縮性環(huán)形支架可利用自身可縮性來避免過載而失效。隨著支架的不斷收縮，支護阻力也不斷增大，進而限制圍巖的變形，同時也能釋放集聚在圍巖中的壓力，做到高阻讓壓。

(2) 進行全斷面環(huán)形灌漿。在高壓泵的作用下可將漿液擠壓、滲透到破碎圍巖裂隙中，在圍巖內(nèi)部形成網(wǎng)絡骨架架構(gòu)，提高圍巖的粘聚力及內(nèi)摩擦角；其次漿液可將圍巖中較大的裂隙充填，提高圍巖完整性。同時也可將圍巖中的導水裂隙進行封堵，阻止水對圍巖的侵蝕作用，強化圍巖的強度，提高圍巖的自承載性能。

(3) 底板灌漿可將底板因高應力作用而產(chǎn)生的裂縫和間隙充填，灌漿體的硬化將底板因開挖所受的二向應力狀態(tài)向三向應力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，使得底板的極限承載能力得到提高，從而有效控制底鼓。

高阻灌漿圍巖控制機理主要表現(xiàn)在能提供較大的主動承載性能，環(huán)形可塑性支架既能高強度讓壓又能適度讓壓，灌漿漿液硬化形成的混凝土支護結(jié)構(gòu)也能提供較大的支護阻力，二者的相互配合實現(xiàn)高阻；灌漿主要提高圍巖強度，阻隔導水裂隙，防止水的侵蝕作用，使圍巖的主動承載性能得到充分發(fā)揮。

2.2 巷道圍巖穩(wěn)定性控制對策及支護參數(shù)

基于131運輸上山變形破壞特點及變形破壞原因，同時根據(jù)高阻灌漿圍巖控制原理，提出錨桿錨索+灌漿+雙U型鋼棚的聯(lián)合支護方式，控制對策如下：

(1) 避免出現(xiàn)支護薄弱環(huán)節(jié)，對關鍵部位進行加強支護。巷道的失穩(wěn)變形首先從支護的薄弱環(huán)節(jié)開始破壞，隨著第一次破壞而惡性擴展，進而導致巷道整體失穩(wěn)變形。131運輸上山原巷道斷面為直墻半圓拱，變形破壞首先從巷道肩窩、肩角及底角等關鍵部位開始。因此，斷面形狀采用馬蹄形巷道斷面，既能避免支護出現(xiàn)薄弱點又能對底板起一定的支護作用。

(2) 經(jīng)現(xiàn)場實測，1.85 m范圍內(nèi)圍巖破碎嚴重，為避免錨桿支護失效，采用Φ20 mm×L2400 mm的超強螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm，每排布置錨桿15根，每根錨桿采用K2350樹脂藥卷3卷；錨索采用Φ17.8 mm×L8000mm的預應力錨索，錨索間排距為1200 mm×1200 mm，每排打5根預應力錨索，每根錨索采用4卷K2350樹脂藥卷。該巷道底鼓類型為擠壓流動性底鼓，底板巖層在高應力作用下發(fā)生剪切破壞，打底角錨桿控制兩幫應力傳遞，大幅減少 底鼓。

(3) 巷道所處位置四周來壓強烈，長期受高應力影響，圍巖本身松散破碎，主動承載性能不能得到充分發(fā)揮，因此需要較大支架工作阻力來維持巷道的穩(wěn)定，同時采用灌漿漿液的滲透固結(jié)來提高圍巖的整體性能。因此打完錨桿索后架設第一層型號為29號U型鋼棚，U型鋼形狀與斷面形狀吻合，各U型鋼之間搭接處采用3副卡纜固定，卡攬間距為170 mm，每500 mm架設一架支架，之間采用支拉桿進行連接，防止支架滑倒；第一層U型鋼支架架設完成后，對底板進行灌漿，灌漿厚度為500 mm。之后架設第二層U型鋼支架，支架間留有500 mm間隙用于高壓灌漿，在第二層支架表面鋪設鋼筋網(wǎng)和阻燃性布料，支架架設完成后進行高壓灌漿，水泥砂漿配合比為水泥：砂子=1:2.5，速凝劑的比例為水泥用量的3%~5%，噴射灌漿用的工作壓風控制在0.15~0.18 MPa。支護設計斷面如圖1所示。

圖1 支護設計

3 數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場實測

3.1 模型建立

模型采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立，尺寸為50 m×15 m×60 m，共有101648個節(jié)點和93240個單元，頂部施加12 MPa的垂直載荷，模型限制底部移動，左右前后限制水平方向移動，巖層力學參數(shù)見表1。

表1 巖石力學參數(shù)

數(shù)值模擬過程中錨桿和錨索采用Cable單元，支架采用Beam單元，支護模擬方案如圖2所示。

圖2 支護數(shù)值模擬方案

3.2 結(jié)果分析

數(shù)值模擬支護采用3種方案進行對比分析，分別為錨桿索、錨桿索+U型鋼支護、錨桿索+灌漿+雙U型鋼，數(shù)值模擬結(jié)果位移云圖如圖3所示。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，巷道開挖后沒有采取任何的支護措施時，頂?shù)装逦灰屏糠謩e為300 mm和250 mm，巷道變形破壞嚴重，嚴重影響巷道的正常使用，故巷道開挖后應該立即施加支護；巷道開挖后采用錨桿索支護有一定效果，頂?shù)装遄畲笪灰屏糠謩e為240 mm和200 mm，但仍未滿足支護要求；采用錨桿索+U型鋼支護，相比無支護和錨桿索支護效果進一步提升，但原巷道為高應力軟巖巷道，且受重復采動影響顯著，單憑傳統(tǒng)的錨桿索+U型鋼支護無法長期維持巷道的穩(wěn)定；而采用錨桿索+灌漿+雙U型鋼的聯(lián)合支護方式，支護效果明顯，頂板的最大下沉量為24 mm，底鼓量為20 mm，相比前兩種支護方案，支護效果更好。

3.2 現(xiàn)場實測

該支護方案應用于貴州盤江土城礦131運輸上山，布置1個測點，并進行180 d觀測，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測結(jié)果表明，巷道采用該支護方案后，支護效果良好，頂板、兩幫以及底板的最大變形量分別為124，91，69 mm，巷道圍巖的整體變形量在可控范圍內(nèi)，可有效控制圍巖變形。

4 結(jié) 論

(1) 圍巖破碎自承能力低、高應力且應力環(huán)境復雜、支護參數(shù)不合理以及底板未支護等因素是土城礦131運輸上山變形破壞的主要原因。

(2) 基于131運輸上山變形破壞特點及破壞原因，同時根據(jù)高阻灌漿圍巖控制原理，提出“錨桿錨索+灌漿+雙U型鋼棚”的聯(lián)合支護方案，支護效果良好。

(3) 井下試驗表明：巷道采用支護方案半年內(nèi)未出現(xiàn)較大變形，頂板、兩幫及底板平均變形分別為0.57，0.43，0.36 mm/d，變形量在可控范圍內(nèi)。

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(2018?09?21)

冷光海(1989—)，男，貴州威寧縣人，采礦工程師，主要從事煤礦一線安全生產(chǎn)管理工作，Email：703518118@ qq.com。