岳南煤礦破碎帶軟巖巷道支護(hù)技術(shù)的研究

李飛

(山西澤州天泰岳南煤業(yè)有限公司，山西晉城048000)

破碎帶軟巖受其復(fù)雜地質(zhì)因素和大變形力學(xué)特性的雙重影響，在初期容易在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯的變形，而且在趨于穩(wěn)定之后內(nèi)部蠕變持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。因此，在破碎帶軟巖開挖巷道后瞬時(shí)承壓較大，巷道一次支護(hù)的穩(wěn)定性較差，單一的巷道支護(hù)方式遠(yuǎn)不能滿足破碎帶軟巖巷道安全支護(hù)的要求。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)破碎帶軟巖巷道進(jìn)行支護(hù)，具體選用何種形式的聯(lián)合支護(hù)措施，又受到巷道實(shí)際條件的限制。

本文根據(jù)岳南煤礦破碎帶軟巖巷道支護(hù)過(guò)程中的實(shí)際工況，分析現(xiàn)有支護(hù)措施中存在的不足，通過(guò)研究該軟巖巷道的變形機(jī)制和現(xiàn)有的聯(lián)合支護(hù)方法，確定合理的支護(hù)方式和相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)形式試驗(yàn)檢驗(yàn)理論分析的準(zhǔn)確性，為破碎帶軟巖巷道的可靠支護(hù)提供參考。

1 研究概況

破碎帶軟巖巷道支護(hù)研究首先要確保圍巖體的穩(wěn)定性和安全性，避免巷道發(fā)生過(guò)量的變形。同時(shí)，為了確保巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)固，必須引導(dǎo)破碎帶黏塑性區(qū)域的圍巖體所承受的圍巖應(yīng)力逐漸緩和并且最終演變?yōu)榱髯兺Ｖ範(fàn)顟B(tài)［1］。上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)支護(hù)強(qiáng)度有著嚴(yán)格的要求，需要通過(guò)充分的大變形圍巖穩(wěn)定性控制試驗(yàn)檢驗(yàn)不同支護(hù)措施的實(shí)際效果，最終確定最為有效的支護(hù)方式。岳南煤礦破碎帶軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究流程見圖1。

2 巷道原有支護(hù)方式

圖1 支護(hù)技術(shù)研究流程

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得知，岳南煤礦破碎帶軟巖巷道目前所采用的聯(lián)合支護(hù)方式為:錨網(wǎng)噴+全封閉式U29型鋼可縮支架+注漿全斷面封閉支護(hù)。為檢驗(yàn)原支護(hù)方式的穩(wěn)定性和可靠性，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員在施工完畢的巷道段內(nèi)選擇有代表性的3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行為期130d的連續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)前期未受到外界因素干擾，監(jiān)測(cè)中后期受到輕微的掘進(jìn)擾動(dòng)影響，但不直接影響最終測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性。監(jiān)測(cè)工作主要測(cè)量記錄巷道圍巖斷面位移量 (變形量)和變形速率，最終將觀測(cè)數(shù)據(jù)取平均值后匯總編制表1。

表1所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以清晰地反映出巷道現(xiàn)有支護(hù)方式存在以下問(wèn)題:

(1)巷道圍巖變形量大 破碎帶軟巖巷道易發(fā)生塑性變形，在觀測(cè)的130d內(nèi)，巷道圍巖兩幫相對(duì)平均位移量為399mm，頂?shù)紫鄬?duì)平均移近量為483 mm，在新建巷道圍巖表面的大部分位置出現(xiàn)明顯的變形。

(2)建成初期變形速率大 在巷道支護(hù)建成初期，兩幫相對(duì)平均變形速率值在首日約為12.5mm/d，在第12d時(shí)仍然達(dá)到8.3mm/d，而頂?shù)装逑鄬?duì)平均變形速率值在首日更是高達(dá)17 mm/ d，在第12d時(shí)達(dá)到12.3mm/d。

表1 現(xiàn)有支護(hù)方式下巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

(3)變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng) 破碎帶軟巖巷道圍巖具有時(shí)效性的特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示建成初期圍巖變形劇烈，且后期蠕變周期較長(zhǎng)，在130d后兩幫和頂?shù)装逑鄬?duì)平均日變形速率值均達(dá)到1.7mm/d。顯而易見，巷道變形持續(xù)周期很長(zhǎng)，施工結(jié)束130d后圍巖穩(wěn)定性未得到完全控制，仍在不間斷發(fā)生小幅變形。

3 復(fù)合型破碎帶軟巖巷道支護(hù)技術(shù)

3.1 破碎帶軟巖巷道支護(hù)理論分析

對(duì)岳南煤礦破碎帶軟巖巷道的支護(hù)現(xiàn)狀、巷道圍巖變形機(jī)理進(jìn)行了深入分析，掌握了影響巷道圍巖變形的主觀因素和客觀因素。其中，主觀因素包括巷道布置情況和支護(hù)工作阻力;客觀因素包括地質(zhì)構(gòu)造、巖層物理力學(xué)性能、地應(yīng)力和水因素。深入分析巷道對(duì)稱型尖頂、兩幫凸向內(nèi)彎曲和底鼓的變形破壞形式和破壞過(guò)程，在理論分析的基礎(chǔ)上提出了破碎帶軟巖巷道支護(hù)方案的改進(jìn)思路。一方面，一次支護(hù)要適度變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)軟巖巷道圍巖體要有較大的讓壓幅度，最大限度地釋放和抵消圍巖體自身能量，同時(shí)盡可能利用圍巖自身的承受能力;另一方面，采用超高強(qiáng)度二次支護(hù)措施，避免圍巖體的進(jìn)一步變形，改善圍巖體的受力狀況，促使圍巖應(yīng)力向穩(wěn)定的流變停止?fàn)顟B(tài)演變。

鑒于軟巖巷道支護(hù)的復(fù)雜性，在確定最終方案之前利用FLAC3D分析軟件對(duì)該軟巖巷道在常見的幾種支護(hù)形式下的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行了模擬計(jì)算，重點(diǎn)分析對(duì)比了不同支護(hù)模式下圍巖體的應(yīng)力分布情況、形變情況和塑性區(qū)分布情況這3項(xiàng)主要參數(shù)指標(biāo)［2－3］。模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)后續(xù)的方案制定具有理論上的參考價(jià)值，同時(shí)也可以從理論上檢驗(yàn)改進(jìn)方案的可行性。

3.2 改進(jìn)后的破碎帶軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期理論分析結(jié)果，結(jié)合岳南煤礦破碎帶軟巖巷道地質(zhì)構(gòu)造、巷道布置、支護(hù)現(xiàn)狀等實(shí)際參數(shù)，研究制定聯(lián)合支護(hù)方案:一次錨網(wǎng)索噴臨時(shí)支護(hù)，然后進(jìn)行二次U29超高強(qiáng)度型鋼支架支護(hù)，并且在架間架后噴射混凝土進(jìn)行注漿穩(wěn)固，同時(shí)巷道鋪底采用鋼筋+混凝土模式［4－6］。該聯(lián)合支護(hù)方案的具體支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 破碎帶軟巖巷道聯(lián)合支護(hù)方案

該聯(lián)合支護(hù)方案具體支護(hù)參數(shù)如下:

(1)錨桿 用于提高圍巖體的整體承載強(qiáng)度，選用具有凹凸紋路的高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿直徑22mm，錨桿長(zhǎng)度2500mm，采用加長(zhǎng)錨固方式，錨固劑采用 M2360樹脂藥卷，設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度為1200mm，錨桿布置間排距為800mm×1000mm，錨桿的屈服強(qiáng)度為345MPa、抗拉強(qiáng)度為510MPa，注漿壓力為5MPa。確定錨桿安裝時(shí)的預(yù)應(yīng)力要大于65kN，錨固力大于85kN。

(2)錨索 錨索的作用是強(qiáng)化圍巖體承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，選用φ17.8mm鋼絞線錨索，錨索長(zhǎng)度為6300mm，每個(gè)巷道斷面在中頂、兩肩窩和兩幫各固定1根錨索，錨索排距2400mm，安裝錨索時(shí)要求預(yù)緊力大于100kN，錨固力大于200kN。

(3)架棚 高強(qiáng)度型鋼支架起主要支護(hù)作用，支架對(duì)巖體作用力的超高阻力能夠促使圍巖體應(yīng)力向流變停止?fàn)顟B(tài)演變。每副U29超高強(qiáng)度型鋼支架是由6段獨(dú)立結(jié)構(gòu)搭接而成的封閉支架，搭接處用卡纜固定，各段搭接長(zhǎng)度為500mm，支架棚距為500mm，支架架間用8個(gè)拉桿實(shí)現(xiàn)固定連接，拉桿均勻布置在型鋼圓周面內(nèi)層一方，架棚的頂板和兩幫位置采用φ10mm菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，在架間和架后要充填混凝土。

(4)注漿 注漿的作用是充填和膠結(jié)破碎帶圍巖體間隙，提高圍巖體的整體密度和強(qiáng)度。選用的注漿錨桿由普通的φ20mm無(wú)縫鋼管加工而成，長(zhǎng)度為2000mm，設(shè)計(jì)間排距為2000mm×2000mm。

(5)鋪底 鋪底能夠提高軟巖巷道圍巖體的整體性，優(yōu)化圍巖體的整體受力狀況，將巷道的底鼓量控制在合理范圍內(nèi)。巷道鋪底采用φ20mm鋼筋網(wǎng)加C30混凝土，初噴時(shí)要求混凝土層完全覆蓋鋪設(shè)的鋼筋網(wǎng)，復(fù)噴時(shí)要求混凝土厚度覆蓋U29型架棚2/3為宜［7］。

3.3 改進(jìn)后支護(hù)方案形式試驗(yàn)

按照上述支護(hù)方案對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)施工后，需要通過(guò)形式試驗(yàn)檢驗(yàn)支護(hù)效果，形式試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行150d，選擇有代表性的4個(gè)測(cè)量斷面，每個(gè)測(cè)量斷面之間間距為10m，采用十字布點(diǎn)法，在巷道頂部、兩幫和底板各設(shè)一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，主要測(cè)量巷道圍巖表面位移量［8］。

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法將試驗(yàn)記錄的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理，將不同測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值取平均值繪制成曲線。其中，圖3所示為巷道圍巖表面隨時(shí)間變化的位移曲線，圖4所示為巷道圍巖表面隨時(shí)間變化的位移變化速率曲線。

圖3 巷道圍巖表面平均位移觀測(cè)曲線

圖4 巷道圍巖表面平均移近速率觀測(cè)曲線

分析圖3和圖4曲線可知，該破碎帶軟巖巷道采用新的支護(hù)方式之后，前1個(gè)月圍巖表面位移增幅較明顯，1個(gè)月即可達(dá)到100mm的變形量，之后位移變化趨于平緩，3個(gè)月之后兩幫平均相對(duì)移近速率僅為0.038mm/d，頂?shù)装迤骄鄬?duì)移近速率僅為0.040mm/d，巷道圍巖趨于穩(wěn)定。觀測(cè)期間巷道兩幫平均相對(duì)最大位移量為138.8 mm，頂?shù)装迤骄鄬?duì)最大位移量為162.3 mm，變形后巷道的寬度為4061.2mm，高度為3337.7mm，即巷道斷面平均收斂率為7.79%。從數(shù)值上看，巷道圍巖體整體變形較小，總體收斂量在可控范圍內(nèi)。從支護(hù)效果看，巷道圍巖體的穩(wěn)定性得到了保證，改進(jìn)后的聯(lián)合支護(hù)方案滿足該破碎帶軟巖巷道支護(hù)安全要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)岳南煤礦破碎帶軟巖巷道的實(shí)地考察和理論分析，最終制定了“一次錨網(wǎng)索噴臨時(shí)支護(hù)+二次U29超高強(qiáng)度型鋼支架支護(hù)并進(jìn)行注漿穩(wěn)固+鋼筋、混凝土鋪底”的聯(lián)合支護(hù)方案。經(jīng)過(guò)連續(xù)5個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)測(cè)試，最終測(cè)量結(jié)果顯示巷道圍巖體變形量和變形率得到了有效控制，改進(jìn)后的聯(lián)合支護(hù)方案滿足該地質(zhì)條件下巷道對(duì)支護(hù)剛度和支護(hù)強(qiáng)度的技術(shù)要求，該支護(hù)措施是此類軟巖巷道支護(hù)技術(shù)的一次重大進(jìn)步，初步解決了該類典型巷道支護(hù)難的問(wèn)題。

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