李鵬,朱永建,王平,任恒,張玉群,王希之

(1.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院,湖南 湘潭 411201;2.南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

我國進入深部開采階段的礦井逐年增加,部分軟弱圍巖巷道布置在構造帶附近,礦壓顯現(xiàn)比較強烈,圍巖變形嚴重,支護成本增高,對生產安全造成巨大隱患[1-4].因此,研究構造帶影響下軟弱圍巖巷道變形特征、變形機理對巷道支護結構、支護方法具有深遠的意義.

近年來,我國許多學者對軟弱巷道圍巖變形破壞機理及控制技術方面展開了研究,并取得了豐盛的成果.何滿潮[5]認為造成軟弱巷道圍巖破壞的原因是支護體系與圍巖體系的不耦合,并提出基于深部軟巖非線性力學設計的錨索網耦合支護設計方法.張農[6]等通過大量的礦山現(xiàn)場調研及巖石力學實驗研究了軟弱巷道圍巖的內部破裂過程,得到了典型軟巖巷道圍巖呈階段性和非均勻性破裂裂隙的規(guī)律,針對性地提出分階段、分區(qū)域控制技術.馬念杰[7,8]團隊以圓形巷道為研究對象,提出了軟巖巷道圍巖破壞具有圓形、橢圓形和蝶形三種塑性區(qū)形態(tài),并給出了三種破壞形態(tài)的判別標準,為控制技術的研究提供了方向.王衛(wèi)軍[9]認為軟巖巷道失穩(wěn)是由于圍巖應力場不均衡而引發(fā)的高偏應力造成塑性區(qū)的惡性擴展,并基于塑性區(qū)惡性擴展原理提出了相應的控制技術.朱永建[10]認為同一條巷道的頂板由于其影響因素之間復雜的非線性關系,穩(wěn)定性亦有所區(qū)別,并采用BP神經網絡對頂板穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)分類,為巷道頂板分區(qū)分類支護提供了參考依據(jù).侯朝炯[11]深入分析了底鼓和蠕變兩個軟巖巷道突出難點,將巷道底鼓特征劃分為“兩點三區(qū)”,提出底板錨桿、注漿孔深度應深入底板巖層“零位移點”以下的巷道底鼓控制原則.

這一系列關于軟巖巷道的研究成果豐富了我國巷道圍巖控制理論與技術領域,然而由于地下環(huán)境的錯綜復雜,許多軟巖巷道在掘進初期采取的控制技術可以基本控制圍巖穩(wěn)定性,但在經歷采掘,爆破等外界活動擾動時,支護結構失效,巷道大變形,冒頂、片幫等現(xiàn)象仍時有發(fā)生.因此,在已有研究成果基礎上,本文結合具體工程問題,采用現(xiàn)場調研、室內巖石力學實驗、理論分析等手段,研究構造帶影響下軟弱圍巖控制機理及其控制技術,探討軟巖巷道在掘進初后期支護效果差異性影響因素所在,并有針對性地提出控制原則及支護技術,進行現(xiàn)場試驗.

1 巷道工程條件及變形特征

1.1 工程條件

圖1為所選工程段巖層綜合柱狀圖，該研究地段為平煤十礦-320 m新東大巷外段連接戊組集中運輸巷與中區(qū)管子通道,向南為-320 m北石門,向東為戊組東區(qū)(已封閉);地面相對位置位于化工廠東部,地面標高+160～+185 m,井下標高-313～-314 m,工程設計長度為184 m(平距).巷道位于戊8煤層頂板以上0～4 m的砂質泥巖中,再上為10 m以上的厚層狀細至中粒砂巖.

圖1 工程段巖層綜合柱狀圖

1.2 巷道變形特征

如圖2所示，現(xiàn)場巷道變形特征主要表現(xiàn)為以下幾點：

1)支護結構失效.巷道開挖后圍巖變形不斷發(fā)展,錨桿預應力損失比較嚴重,托盤架空,錨桿拉出、拉斷、扭曲現(xiàn)象比較常見,破碎巖石鼓出,錨網被撕開,噴射混凝土開裂、垮落嚴重,支護結構整體失效,支護阻力顯著降低.

2)拱肩內移嚴重,直墻部分出現(xiàn)了貫通性裂縫,頂板拱部嚴重下沉,產生“尖桃形”破壞.圍巖的非均勻變形使得肩部產生嚴重壓剪破壞.

3)底鼓災害嚴重.巷道底板支護強度低,圍巖應力重新分布,變形首先發(fā)生在支護強度低的位置,為高應力釋放提供空間,致使巷道底板隆起,對材料及礦物的運輸、行人造成嚴重的影響.

圖2 現(xiàn)場巷道變形特征

2 巷道變形原因及穩(wěn)定性分析

2.1 巷道圍巖巖性較差

平煤十礦-320 m新東大巷外段連接戊組集中運輸巷與中區(qū)管子通道位于戊8煤層頂板以上0～4 m的砂質泥巖中,泥巖為沉積巖中典型的黏土巖,主要成分為高嶺石、微晶高嶺石、水云母等,因此,泥巖的性質比較差,厚度薄、強度低、抗水性差、易軟化和泥化性質突出,在高應力作用下,圍巖片幫,破碎,導致冒頂,底鼓現(xiàn)象發(fā)生.

2.2 水平應力大

圖3 塑性區(qū)形態(tài)演化圖

平頂山十礦基本為一單斜構造,隨著開采年限的增加,開采深度快速增加,巷道在構造應力作用下,水平應力通常大于垂直應力,最大主應力主要表現(xiàn)為水平應力,側壓系數(shù)大于1[12].如圖3塑性區(qū)形態(tài)演化圖可知，在λ=1.0時,塑性區(qū)邊界為規(guī)則的圓形;伴隨著巷道周邊開采、掘進、爆破等擾動,側壓系數(shù)逐漸增大,λ=1.5 時,塑性區(qū)半徑沿最大主應力方向減小,塑性區(qū)沿最大、最小主應力夾角方向開始擴展;隨著側壓系數(shù)的進一步增加,λ=2.0,2.5,3.0時,塑性區(qū)邊界沿最大、最小主應力夾角方向進一步擴展,逐漸向“蝶形”演化.圖4為塑性區(qū)與破碎區(qū)關系，塑性區(qū)蝶葉部位作為潛在的破碎區(qū)域[13],一旦受到外界擾動,破碎區(qū)立即向蝶葉部位迅速擴張,導致巷道大變形.

圖4 塑性區(qū)與破碎區(qū)關系

3 巷道圍巖破壞力學機理分析

3.1 拱部與肩部破壞機理分析

根據(jù)松動圈理論[14]計算公式(如圖5所示)：

l2=Rp-h;

(1)

(2)

圖5 計算公式示意圖

式中:l2為巷道頂板巖體破碎帶高度,m;Rp為巖體破碎帶半徑,m;圓巷h為R0,非圓巷h為等效圓中心至頂板的距離,m;R0為圓形巷道(或非圓形巷道的等效半徑)的掘進半徑,m;γ為巖體容重,多種巖層時取加權平均容重,kN/m3;Z為巷道中心距地表深度,m;φ為巖體內摩擦角,(°);C為巖體粘結強度,kN/m2.

為確保巷道的支護錨桿錨固在穩(wěn)定巖石中并提供足夠的拉拔力,錨固端長度為800 mm(須確保合適的三徑比,并根據(jù)巷道服務年限和巷道頂板穩(wěn)定性在設計時進行調整),錨桿的外露長度0.05 m,則錨桿長度L≥0.8+0.05+1.41=2.26 m,錨桿設計長度不夠,未能延伸到塑性區(qū)范圍內,破碎區(qū)未進行注漿固結,錨網支護結構不能起到應有的效果,導致錨桿脫錨等支護結構嚴重失效現(xiàn)象[16].

3.2 幫部內移機理分析

A-破碎區(qū);B-塑性區(qū);C-彈性區(qū);D-原巖應力區(qū)圖6 巷道圍巖受力簡化分析

巷道開挖后,原巖應力重新分布,巷道圍巖出現(xiàn)應力集中.臨近巷道圍巖受力情況由三向應力向單向應力轉化.巷道圍巖受力簡化分析如圖6所示.原巖應力區(qū)D,巖石基本不受開挖影響,處于原始應力區(qū),受三向應力作用.靠近巷道的破碎區(qū)A處于臨空面,三向應力轉化為雙向應力,側向應力不斷釋放,最終只受到頂板的自重應力和底板的支撐力,近似可以看成是僅受單軸應力.破碎區(qū)圍巖抗壓強度降低,上覆巖層自重作用大于巖石抗壓強度,巖石發(fā)生剪切滑移破壞,最終導致巷道兩幫嚴重內移.

3.3 底鼓機理分析

巷道開挖后,形成一個自由空間,巷道布置在同一巖層層位,巷道圍巖可以近似為均勻連續(xù)介質.巷道底板主要受兩幫傳遞的豎直力以及地應力作用,因此可以將巷道底板簡化為簡支梁模型進行計算.

巷道底板受力簡化模型如圖7所示，F(xiàn)1,F2均為巷道兩幫對底板施加的垂直于底板的力,F3為作用到板上的地應力,底板受力情況由圖7a簡化為圖7b.

圖7 巷道底板受力狀態(tài)

(3)

(4)

(5)

由式(4)和式(5)繪出剪力圖和彎矩圖,如圖8所示.

圖8 巷道底板受力分析

巷道開挖后底鼓災害異常突出,從剪力圖可以看出兩幫底角剪力最大,最容易出現(xiàn)切底現(xiàn)象,假如底板軟弱,底角發(fā)生剪切破壞,巷道兩幫在水平應力作用下對地板進行內擠,鼓出方向為結構軟弱方向,即巷道臨空面,因此出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象,另一方面,假如底板堅硬,在沒有出現(xiàn)切底之前,底板中間位置彎矩最大,出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)明顯的裂紋,巷道破壞進一步惡性擴展.

4 高水平應力下的巷道變形控制

4.1 巷道穩(wěn)定性控制對策[15]

圖9 巷道穩(wěn)定性控制對策

巷道圍巖破碎區(qū)及塑性區(qū)形態(tài)如圖9所示[17],具體控制對策為

1)強化最大破壞深度圍巖強度.巷道開挖后,原巖應力重新分布,應力狀態(tài)由初始的三向應力轉變?yōu)殡p向甚至是單向應力狀態(tài),巷道周圍圍巖出現(xiàn)破碎區(qū).破碎區(qū)巖體作為非連續(xù)松散介質,其基本喪失了承載能力,而破碎區(qū)巖體變形將直接導致巷道的大變形[18].因此,為了控制塑性區(qū)的不斷擴展,采用高強預應力注漿錨桿強化破碎區(qū)圍巖強度,通過注漿使錨桿和錨固后的破碎區(qū)協(xié)同作用,形成統(tǒng)一的承載結構.

2)關鍵區(qū)域強力控制.在高水平應力作用下,塑性區(qū)呈“蝶形”形態(tài),蝶葉部位分別位于巷道頂板兩肩(最大尺寸)及底板拱腳位置處.蝶葉部位作為潛在的破碎區(qū)域,隨著巷道服務年限的推移,一旦變形速率進入不穩(wěn)定階段,蝶葉部位進入破碎階段,巷道穩(wěn)定性迅速降低.在巷道上方及頂板兩肩處安裝高強預應力注漿錨索,底板拱腳安裝45°高強預應力注漿錨桿,采用“錨桿+錨索”支護結構提高圍巖的粘聚力和內摩擦力,遏制塑性區(qū)的惡性擴展.

4.2 控制效果

4.2.1 支護方案

如圖10所示,針對巷道穩(wěn)定性控制對策,采用高強預應力“錨桿+錨索”錨注支護,具體支護參數(shù)如下:

錨桿長度的確定:錨桿長度L≥0.8+0.05+1.41=2.26 m,同時考慮到掘進過程中其他因素,對比當前使用錨桿型號,則應選用Φ25 mm×2 600 mm的高強預應力注漿錨桿.

錨桿間排距確定:為保證支護系統(tǒng)有足夠的承載能力以承受頂板破壞的“靜載荷”.按靜載荷對錨桿密度計算H= 錨桿長度×圍巖容重×1 m2=7.02 t,H為每平方米錨固長度內靜載荷;K=(每排錨桿數(shù)×錨桿屈服強度)÷(巷道寬度×排距)= 10.7 t,K為巷道支護系統(tǒng)每平方米提供的支護強度,錨桿間距取1 200 mm.

錨桿采用Φ25 mm×2 600 mm厚壁無縫鋼管滾絲預應力注漿錨桿,間排距1 200 mm ×1 400 mm.

錨索支護參數(shù):錨索采用Φ22 mm×7 300 mm高強預應力注漿錨索,間排距1 200 mm ×1 400 mm.

注漿:采用新型預應力注漿復合料,425硅酸鹽水泥.按水灰比0.5∶1.0在水中加入425硅酸鹽水泥,同時加水泥量8%的預應力注漿復合料添加劑,邊加入邊攪.注漿時,每排自兩幫最下部的中空錨注錨索(桿)開始、逐根向上進行.

圖10 支護方案

4.2.2 數(shù)值模擬對比分析[19]

通過數(shù)值模擬計算6 000步對上述支護方案進行驗證,圖11為巷道位移云圖,圖12為巷道變形曲線圖.由圖12可以看出,該支護方案在數(shù)值模擬計算至3 000步時,巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定,其中,頂?shù)装遄冃尉闯^50 mm,兩幫變形不超過25 mm.數(shù)值模擬結果驗證了所提支護方案足以支護該巷道.

圖11 巷道位移

圖12 巷道變形曲線

4.2.3 現(xiàn)場應用

如圖13所示為注漿支護后的巷道情況,在3個月的觀測期內,所維修巷道的表面變形基本為零,3年內的巷道表面變形最大處僅僅為15 mm,與數(shù)值模擬結果基本吻合,從工程上驗證了所提支護方案的可行性,真正實現(xiàn)了巷道維修后的零修復,為煤礦的安全生產提供了最基本的保障.

圖13 現(xiàn)場效果

5 結論

1)塑性區(qū)擴展范圍最終大于錨固范圍是造成圍巖變形破壞的主要原因.

2)巷道兩肩和拱腳處首先破壞,以剪切破壞為主,其中頂板破碎帶高度可達1.41 m,為錨桿型號的選取和參數(shù)的設計提供了理論依據(jù).

3)根據(jù)高水平應力下的巷道變形特點,提出“強化最大破壞深度圍巖強度,巷道關鍵區(qū)域強力控制”原則的巷道穩(wěn)定性對策,旨在通過提高破碎圍巖的粘聚力和內摩擦力,賦予破碎圍巖再次承載能力,達到巷道圍巖整體穩(wěn)定的目的.

4)高強預應力“錨桿+錨索”聯(lián)合錨注支護控制技術可以有效控制圍巖變形.