孫俊彥

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著煤礦開采規(guī)模的加強(qiáng)，礦井開發(fā)深度的不斷加深，軟巖工程控制問題日益突出。軟巖巷道支護(hù)已成為當(dāng)今世界地下工程中一項(xiàng)復(fù)雜而重要的技術(shù)問題，軟巖巷道的圍巖控制，特別是深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制，已成為礦井生產(chǎn)與管理的關(guān)鍵性技術(shù)[1-3]。針對(duì)軟巖巷道的變形特征和控制研究，許多專家、學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，也取得許多顯著的成果，通過工程地質(zhì)分析和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)等手段對(duì)軟巖巷道圍巖礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，對(duì)軟巖黏土礦物吸水軟化和膨脹機(jī)制做出了解釋[4-6]；通過理論分析和數(shù)值模擬等手段，分析了軟巖巷道圍巖變形規(guī)律和變形破壞特征，對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化模擬[7-9]。

但就實(shí)際工程運(yùn)用來看，軟巖問題還沒有得到根本性解決，軟巖工程的控制等諸多問題還有待于進(jìn)一步的研究與探討。為此，基于某礦二采區(qū)2294運(yùn)輸平巷的具體地質(zhì)條件，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和力學(xué)分析等方法研究軟巖巷道圍巖的變形破壞機(jī)理和圍巖控制技術(shù)，以期對(duì)軟巖條件下巷道掘進(jìn)、工作面回采以及提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益提供借鑒。

1 工程概況

1.1 巷道圍巖

2294運(yùn)輸平巷的老頂為淺灰色礫狀粉砂巖，厚度為4.5～15.1 m，平均厚度為9.8 m，主要成分為石英、巖屑等，巖石較為堅(jiān)硬。直接頂為深灰色的黏土巖，巖層的厚度為1.5～5.8 m，平均厚度為2.7 m，呈片狀，巖石強(qiáng)度低。煤層厚度為2.6～7.8 m，平均厚度2.9 m，自西向東煤層厚度逐漸變厚。煤層傾角為3°～12°，平均傾角為7°。直接底為淺灰色的黏土巖，巖層的厚度為1.2～4.8 m，平均厚度為2.2 m，呈粒狀結(jié)構(gòu)，巖石強(qiáng)度低，老底為中細(xì)粒砂巖，厚度為3.6～12.5 m，平均厚度為7.8 m，主要成分同老頂。2294巷道頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 2294巷道頂?shù)装鍘r性

1.2 巷道現(xiàn)狀

由于巷道頂?shù)装寰鶠轲ね翈r，其吸水后會(huì)泥化、膨脹直至破壞，將對(duì)巷道圍巖的變形及支護(hù)控制產(chǎn)生較大的影響。2294運(yùn)輸平巷掘進(jìn)期間，發(fā)現(xiàn)巷道中存在幾處小的斷層，由于斷層處的圍巖更加破碎，局部出現(xiàn)導(dǎo)水的現(xiàn)象，使得巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)更加弱化，導(dǎo)致巷道圍巖不具備自穩(wěn)能力。2294運(yùn)輸巷道平面如圖2所示。

圖2 2294工作面巷道布置

2 軟巖巷道圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

為研究2294運(yùn)輸平巷圍巖變形規(guī)律，在巷道掘進(jìn)迎頭50 m處布置相應(yīng)的礦壓監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括巷道圍巖表面位移與U型鋼支架實(shí)際所受載荷。

2.1 巷道圍巖表面位移變形實(shí)測(cè)

對(duì)巷道圍巖表面位移每隔2 d監(jiān)測(cè)一次，監(jiān)測(cè)的時(shí)間累計(jì)30 d，巷道向前推進(jìn)的距離為120 m。巷道頂?shù)装迮c兩幫的圍巖變形隨掘進(jìn)工作面向前推進(jìn)及掘后時(shí)間變化曲線如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形隨掘進(jìn)時(shí)間的變化

由圖3可知，巷道掘進(jìn)初期，巷道圍巖變形量大。巷道掘進(jìn)10 d內(nèi)，頂?shù)装宓囊平繛?28 mm，占總的監(jiān)測(cè)位移量的60.55%；而兩幫的移近量為727 mm，占總的監(jiān)測(cè)位移的62.08%。巷道圍巖的變形對(duì)環(huán)境變化非常敏感。巷道圍巖變形進(jìn)入緩慢階段時(shí)，出現(xiàn)2次快速變形時(shí)期，分析2次不同時(shí)期，發(fā)現(xiàn)第1次快速變形時(shí)期，巷道U型鋼支架局部發(fā)生折損失效；而第2次快速變形時(shí)期，巷道受水的浸濕，使圍巖軟化與膨脹，巖石的強(qiáng)度與粘聚力降低，再加上U型鋼支架局部折損失效，從而使得巷道圍巖的變形速度增加。圍巖變形具有明顯的時(shí)間效應(yīng)與空間效應(yīng)。巷道初期變形量大，變形趨于穩(wěn)定后受環(huán)境影響，變形速度出現(xiàn)波動(dòng)，但后期再次趨于穩(wěn)定后，依舊以較大的變形速度持續(xù)；而空間效應(yīng)主要表現(xiàn)為掘進(jìn)過程中，工作面與圍巖的相對(duì)距離對(duì)圍巖的力學(xué)性能影響，此外巷道的埋深對(duì)巷道的圍巖變形與穩(wěn)定狀態(tài)也有明顯的影響。

2.2 U型鋼支架實(shí)際所受載荷

在對(duì)巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)的過程中，同時(shí)兼顧對(duì)U型鋼支架實(shí)際所受載荷進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，累計(jì)觀測(cè)時(shí)間為30 d，巷道向前推進(jìn)的距離為120 m。U型鋼支架實(shí)際所受載荷隨掘進(jìn)時(shí)間的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，對(duì)U型鋼支架整體受力進(jìn)行分析，可以看出巷道掘進(jìn)初期，支架所受承載力明顯增大，且增大的速度較快。隨著掘進(jìn)的時(shí)間推移，支架所受承載力依然增加，但增加的速度緩慢。從各個(gè)測(cè)點(diǎn)來分析，可以發(fā)現(xiàn)支架右側(cè)方要比左側(cè)方所受載荷力大，而兩側(cè)肩部所受的載荷力要比幫部的大，頂板所受的載荷最小。由此，可以得出支架在達(dá)到屈服強(qiáng)度后，發(fā)生曲折變形的時(shí)候，其變形的特點(diǎn)為尖頂型，肩部向巷道內(nèi)側(cè)發(fā)生變形，而幫腳發(fā)生彎曲曲折，支架整體向左發(fā)生傾斜。結(jié)合巷道圍巖變形特點(diǎn)來分析，可以看出支架所受載荷在后期出現(xiàn)小幅度的擾動(dòng)與巷道圍巖出現(xiàn)二次快速變形有關(guān)，且支架出現(xiàn)所受載荷增加超前于巷道圍巖二次快速變形，這也反應(yīng)了支架局部發(fā)生屈服，使得圍巖變形進(jìn)一步增加。此外圍巖遇水膨脹、軟化也同樣加劇了支架的彎曲、變形。

圖4 U型鋼支架受力隨掘進(jìn)時(shí)間的變化

3 軟巖巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 模擬方案

錨桿、錨索、U型鋼支架以及三者之間的組合形成的聯(lián)合支護(hù)方式是煤礦軟巖巷道常用的支護(hù)手段[10-12]。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，U型鋼棚距的選擇范圍為0.5～0.7 m，具體的棚距選擇0.5 m、0.6 m和0.7 m；而錨索的預(yù)緊力一般為錨索桿體拉斷載荷的40%～70%，具體的支護(hù)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)見表1。

表1 巷道圍巖支護(hù)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變形以及U型鋼支架實(shí)際所受載荷分析，設(shè)計(jì)錨索的強(qiáng)化部位為U型鋼肩部與水平夾角呈30°，拱頂處以及距幫部底腳0.2 m處，具體的支護(hù)模型與支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 巷道支護(hù)模型與支護(hù)結(jié)構(gòu)

3.2 模擬結(jié)果

采用數(shù)值模擬方法，對(duì)初步選擇的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從U型鋼棚距、錨索的長(zhǎng)度與預(yù)應(yīng)力3個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化分析。通過巷道圍巖的變形及應(yīng)力變化進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合考慮，最終確定優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)為U型鋼棚距0.6 m，錨索的長(zhǎng)度為6.5 m，預(yù)應(yīng)力為160 kN。

4 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及效果分析

4.1 軟巖巷道支護(hù)方案

巷道支護(hù)過程中，通過架設(shè)29U型鋼支架，布置托梁進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)于因浸水面積大，底板膨脹變形甚至泥化的局部區(qū)域進(jìn)行鋪設(shè)淺拱底梁。U型鋼支架架設(shè)過程中，在臨時(shí)支護(hù)基礎(chǔ)上，刷擴(kuò)兩幫，挖柱窩；架設(shè)棚腿，用卡纜將拱頂與幫腳組合在一起；緊卡纜、上好兩幫支拉板并將木背板插好兩幫。U型鋼支架后鋪設(shè)金屬網(wǎng)，其型號(hào)為16#鉛絲雙股雙聯(lián)，采用三星連接方式，間距不大于150 mm。幫部底腳距低板的距離為0.5 m，與水平的夾角為5°；肩部與水平以及拱頂處的夾角為30°。錨索選用的是φ17.8 mm×6 500 mm鋼絞線，其排距為1.2 m，托梁的長(zhǎng)度為2.4 m。局部底板支護(hù)的過程中，采用的圓弧結(jié)構(gòu)淺拱，半徑為6.0 m，長(zhǎng)度為4.9 m，矢高為0.5 m，搭接的長(zhǎng)度為0.2 m。巷道支護(hù)方案如圖6所示。

圖6 巷道支護(hù)方案

4.2 軟巖巷道礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

2294運(yùn)輸平巷掘進(jìn)的過程中，在工業(yè)性試驗(yàn)區(qū)域布置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容為巷道表面位移和錨索與U型鋼受力。

4.2.1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)分析

在工業(yè)性試驗(yàn)區(qū)布置的兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#與2#相離50 m，布置2#測(cè)點(diǎn)的時(shí)候，距離巷道掘進(jìn)迎頭30 m，1#與2#觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)觀測(cè)的時(shí)間為40 d和30 d，巷道圍巖位移隨觀測(cè)時(shí)間的變化如圖7所示。

由圖7可知，1#測(cè)站與2#測(cè)站巷道圍巖的位移變化趨勢(shì)相同，即初期的快速變形，中期的緩慢變形，后期的趨于穩(wěn)定。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的支護(hù)方案，從巷道兩幫與頂?shù)装宓奈灰埔平縼砜矗锏绹鷰r變形得到較好的控制，兩幫的圍巖位移變化最大減少74.4%，頂?shù)装宓膰鷰r位移變化最大減少73.9%。

圖7 巷道圍巖位移隨觀測(cè)時(shí)間的變化

4.2.2 錨索與U型鋼支架受力監(jiān)測(cè)分析

對(duì)1#與2#觀測(cè)站收集的錨索與U型鋼實(shí)際所受載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析與整理，1#、2#測(cè)站錨索與U型鋼支架受力隨觀測(cè)時(shí)間變化曲線如圖8所示。

由圖8中U型鋼與錨索的受力變化曲線可知，相對(duì)于原支護(hù)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的支護(hù)方案U型鋼支架整體所受承載力明顯降低，U型鋼支架所受最大承載力為91 kN；錨索所受載荷總體隨觀測(cè)時(shí)間逐漸增加，左幫、拱頂及右?guī)退茌d荷變化較為穩(wěn)定，而左右兩肩所受載荷在不同觀測(cè)時(shí)間出現(xiàn)波動(dòng)，特別是左肩出現(xiàn)載荷明顯降低的現(xiàn)象；錨索與U型鋼支架的聯(lián)合支護(hù)，從兩者所承受載荷來看具有協(xié)調(diào)性與補(bǔ)償性，錨索局部的補(bǔ)強(qiáng)作用使得U型鋼所受載荷明顯降低，巷道圍巖的變形破壞得到較好的控制。

圖8 1#、2#測(cè)站錨索與U型鋼支架受力隨觀測(cè)時(shí)間的變化

綜上分析可知，在錨索的補(bǔ)強(qiáng)作用下，U型鋼支架局部受到約束，較大的變形通過搭接處縮動(dòng)來釋放，實(shí)現(xiàn)U型鋼支架的可縮性特性。

4.2.3 巷道支護(hù)效果對(duì)比分析

對(duì)于2種方案的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化后的方案在巷道掘進(jìn)支護(hù)方面的成本能夠節(jié)省2 000元/m。而相對(duì)于原支護(hù)方案，優(yōu)化后的方案因?yàn)樵阢@孔與安裝錨索的過程中需要花費(fèi)大量時(shí)間，因而前期的巷道施工速度相對(duì)較慢，但原支護(hù)方案因后期需要多次翻修，造成巷道運(yùn)輸中斷，影響后期工作面的正常作業(yè)，且需要大量的人力物力。因此，總的來說優(yōu)化后的支護(hù)方案施工速度較高。

5 結(jié)論

(1)對(duì)巷道圍巖的實(shí)測(cè)變形量與U型鋼的實(shí)際所受載荷進(jìn)行了分析，得出圍巖變形破壞的規(guī)律。

(2)對(duì)于高應(yīng)力膨脹性較為破碎的三軟煤層巷道，U型鋼對(duì)圍巖的控制效果要優(yōu)于錨桿的支護(hù)效應(yīng)，且對(duì)圍巖的護(hù)表能力較好；但隨著圍巖變形的繼續(xù)加劇，現(xiàn)有的29U型鋼將發(fā)生局部屈服、失穩(wěn)等特征，巷道圍巖變形將難以控制。

(3)采用數(shù)值模擬方法，對(duì)初步選擇的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從U型鋼棚距、錨索的長(zhǎng)度與預(yù)應(yīng)力3個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化分析，通過巷道圍巖的變形及應(yīng)力變化進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合考慮，最終確定優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)為U型鋼棚距0.6 m，錨索的長(zhǎng)度為6.5 m，預(yù)應(yīng)力為160 kN。

(4)在試驗(yàn)區(qū)域布置了2個(gè)測(cè)站，監(jiān)測(cè)的結(jié)果表明，巷道兩幫移近量為302 mm，頂?shù)装逡平繛?30 mm，相對(duì)于原支護(hù)方案減少了74.4%和73.9%；U型鋼支架整體實(shí)際所受載荷明顯低于原支護(hù)方案，錨索在預(yù)應(yīng)力較高的條件下，能發(fā)揮其補(bǔ)償性與協(xié)調(diào)性，并在與U型鋼支架共同作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的較好控制。