淺談軟巖巷道的平衡機(jī)理與支護(hù)技術(shù)

趙杰偉

(大同煤礦集團(tuán)安全監(jiān)管五人小組管理部軒煤分部，山西 原平 034100)

0 引言

隨著礦井開(kāi)采深度不斷加深，煤礦深部井巷工程需要承受的地應(yīng)力、地溫、地下涌水等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題也將加重。破碎帶圍巖巷道、大變形松動(dòng)軟圍巖巷道、三軟煤層巷道等典型的軟巖巷道數(shù)量不斷增多，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境常導(dǎo)致井巷支護(hù)困難。不恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式無(wú)法維持軟巖巷道力學(xué)平衡，頂板下沉和底板底鼓導(dǎo)致井巷必須返修重新支護(hù)，下沉量過(guò)大又可能會(huì)使井巷廢棄。因此深部軟巖災(zāi)害控制和井巷支護(hù)技術(shù)的研究無(wú)疑成為巖石力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)。目前，較為成熟的巖石力學(xué)理論和地下工程災(zāi)害控制技術(shù)主要針對(duì)淺部工程和硬巖工程，本文通過(guò)分析針對(duì)深部軟巖工程的破壞機(jī)理，探討深部軟巖巷道的幾種支護(hù)方式。

1 軟巖井巷變形特征與平衡拱機(jī)理

1.1 軟巖井巷變形特征

根據(jù)對(duì)高應(yīng)力軟巖圍巖穩(wěn)定性和變形機(jī)理的特征研究，其表現(xiàn)形式為3個(gè)方面。

圍巖變形量：受到例如全煤巷之類軟巖圍巖特性影響，井巷的破壞主要出現(xiàn)在頂?shù)装逡约皟蓭?，破壞程度都十分明顯，巷道斷面收縮率能超過(guò)80%以上，頂板垮落、嚴(yán)重底鼓和大面積片幫發(fā)生幾率也較高。

圍巖變形速率：均質(zhì)的煤體圍巖受到的構(gòu)造應(yīng)力，水平方向大于垂直方向，因此即使表面的井巷平衡后流變趨勢(shì)仍存在，因此該類圍巖變形速度大。

圍巖變形時(shí)效：由于軟巖的流變性，其不可能達(dá)到穩(wěn)定性狀態(tài)，圍巖各個(gè)方向上的變形隨著時(shí)間緩慢變化，明顯的變形需要當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力在時(shí)間上積累到一定的程度，所以說(shuō)軟巖的變形具有時(shí)效性。

1.2 軟巖平衡拱機(jī)理

大同煤田主采煤層為太原組、大同組2個(gè)煤系，煤層上部頂板、偽頂多層狀強(qiáng)度較低的泥巖、頁(yè)巖、砂質(zhì)泥巖，有節(jié)理和裂隙發(fā)育。由于軟巖以泥質(zhì)礦物為主，同時(shí)由于軟巖的力學(xué)和結(jié)構(gòu)面特性存在可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動(dòng)性等特點(diǎn)。軟巖的巖石特性在地應(yīng)力作用下呈現(xiàn)出第三階段的蠕變突然加速，該階段呈現(xiàn)均速流變，再進(jìn)行加速流變，變化趨勢(shì)呈現(xiàn)復(fù)雜高度的非線性。

傳統(tǒng)理論中認(rèn)為巖體做為一個(gè)整體，其所受到地應(yīng)力超過(guò)塑性階段就會(huì)形成失穩(wěn)巖體。但是實(shí)際井巷開(kāi)鑿過(guò)程中圍巖發(fā)生塑性變形和斷裂后，承壓狀態(tài)下仍然保持承載能力，井巷圍巖變形、片幫和冒落到一定程度會(huì)與垂直應(yīng)力平衡，圍巖呈現(xiàn)自穩(wěn)狀況，形成的理論被稱為“自穩(wěn)平衡現(xiàn)象”。井巷的頂板應(yīng)力會(huì)隨井巷的開(kāi)鑿而重新分布，垂直方向受到地應(yīng)力會(huì)逐步減弱至零甚至出現(xiàn)相反懸拉應(yīng)力，水平方向也會(huì)隨擠壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為局部拉應(yīng)力。井巷頂板受到的擠壓應(yīng)力會(huì)在圍巖中形成“拱狀承載結(jié)構(gòu)”，這種平衡狀態(tài)被稱為“自穩(wěn)平衡拱”，形成的理論被稱為“自穩(wěn)平衡拱理論”。在此理論中根據(jù)井巷的巖體受力狀態(tài)，由于在垂直方向受到拉應(yīng)力可能存在冒落危險(xiǎn)，水平方向受到剪應(yīng)力的巖體單元體可能存在片幫等危險(xiǎn)，并根據(jù)危害程度分為穩(wěn)定區(qū)、擠壓受壓區(qū)、易冒落區(qū)，如圖1所示。

圖1 巖體穩(wěn)定性分區(qū)

巖體的破壞狀態(tài)及應(yīng)變隨應(yīng)力變化趨勢(shì)，巖體隨應(yīng)力作用達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)細(xì)小裂紋，當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增加到屈服強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生不可逆的塑性變形，巖體的塑性破壞階段的承載力會(huì)隨變形而下降，但還會(huì)具有承載能力，當(dāng)?shù)竭_(dá)破碎的強(qiáng)度極限會(huì)直接發(fā)生巖體破碎，如圖2所示。在研究出巖體的受力狀態(tài)，據(jù)確定巖體穩(wěn)定性區(qū)域確定錨桿支護(hù)參數(shù)和其他必備輔助支護(hù)方式，起到有效圍巖平衡狀態(tài)。

圖2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

1.3 平衡拱理論平衡方程

根據(jù)普氏的關(guān)于松散介質(zhì)的壓力拱理論：井巷開(kāi)鑿形成空腔后，井巷周圍的軟巖會(huì)成為松散狀巖體，頂板巖體由于巖石抗壓作用大于抗拉性時(shí)，會(huì)造成“自然平衡拱”。頂板壓力與兩幫的巖體形成的45°-φ/2的夾角處會(huì)形成2個(gè)自由滑動(dòng)面，頂板處所承受的壓應(yīng)力只剩余平衡拱內(nèi)的巖石自重。

關(guān)于自然平衡拱的計(jì)算，可以根據(jù)圖3所示模型作為計(jì)算模型。在自然平衡拱模型中只剩余軸向壓力，而任意點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為(x，y)。

(1)

圖3 模型計(jì)算模型

2 巷道失穩(wěn)分析及支護(hù)技術(shù)

2.1 巷道頂板與兩幫失穩(wěn)分析

井巷在破壞變形過(guò)程中，冒落會(huì)在巖體所受拉應(yīng)力區(qū)域，井巷承壓過(guò)程會(huì)在頂板上存在拉應(yīng)力為零的點(diǎn)形成一個(gè)接近橢圓型圓弧，也就是“自穩(wěn)平衡拱”。而在巷道頂板和自穩(wěn)平衡拱所包含的區(qū)間，這一部分區(qū)域巖體會(huì)呈現(xiàn)出拉應(yīng)力。通常拉應(yīng)力區(qū)是在巷道開(kāi)鑿后呈現(xiàn)出來(lái)的，巖體頂板處的冒落碎塊基本存在這一部分區(qū)域的圍巖中，由于這種巖體受到的抗拉應(yīng)力作用，這個(gè)就成為了應(yīng)重點(diǎn)治理的危險(xiǎn)源。根據(jù)井巷斷面、巖石圍巖性質(zhì)和地應(yīng)力等影響井巷支護(hù)的因素帶入到自穩(wěn)平衡拱模式中，推導(dǎo)出自穩(wěn)平衡拱曲線方程如下。

(2)

式中：W0—巷道原始寬度，m；P0—原巖應(yīng)力，MPa；σ—抗拉強(qiáng)度，MPa。

2.2 巷道兩幫失穩(wěn)分析

巷道開(kāi)鑿過(guò)程中會(huì)打破原有巖體的應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力失衡，巖體會(huì)發(fā)生下沉或冒落，直到圍巖應(yīng)力狀況重新平衡，而對(duì)井巷兩幫會(huì)產(chǎn)生裂紋，裂紋會(huì)延伸發(fā)育，承載能力會(huì)下降，兩幫發(fā)生片幫和冒落。如果不做好井巷兩幫的支護(hù)，兩幫的片幫會(huì)與頂板狀況相互影響，成為一個(gè)惡性循環(huán)：頂板受地應(yīng)力彎曲變形，兩幫處受擠壓應(yīng)力產(chǎn)生裂隙，裂隙擴(kuò)展致使巖體碎裂，邊幫進(jìn)一步擴(kuò)展片幫、垮幫，兩幫處對(duì)巖體自身承載力下降，頂板整體承載力下降，頂板變形量加大，頂板支護(hù)狀況惡化會(huì)進(jìn)一步惡化兩幫的支護(hù)狀況。巷道發(fā)生破壞的形式會(huì)受到圍巖巖性的特性和結(jié)構(gòu)面特性影響，進(jìn)而出現(xiàn)壓剪式、滑落式、劈裂式或橫拱式等不同形式的邊幫失穩(wěn)的地質(zhì)災(zāi)害。

2.3 軟巖支護(hù)技術(shù)

整體剛性支護(hù)：相對(duì)其他支護(hù)方式有效限制圍巖位移量，減少圍巖松動(dòng)、滑動(dòng)和破碎，能夠提拱圍巖的最小松動(dòng)壓力，如全封閉鋼支架支護(hù)、整體預(yù)制模板支護(hù)、現(xiàn)澆封閉鋼筋混凝土支護(hù)等。但缺點(diǎn)也較為明顯，承載力雖然提高，但不適于大變形、大地壓軟巖，成本也較高，巷道斷面也較大。

剛性支護(hù)加柔體墊層支護(hù)：在剛性支護(hù)的基礎(chǔ)上增加了可縮層或條帶碹，與單純剛性支護(hù)相比，提高了一定的可縮性，但允許變形量有效，與剛性支護(hù)缺點(diǎn)相同，施工進(jìn)度慢，相對(duì)投入較多且用工量大。

U型鋼可縮性支架支護(hù)：U型鋼可縮性支架提高了支護(hù)過(guò)程中可縮性和允許位移量，適用于對(duì)膨脹性巖層及斷層破碎帶的支護(hù)工作。相對(duì)于剛性支護(hù)有較好的初承力和支撐能力，使用過(guò)程中壓力會(huì)隨巖體位移下降而減弱，支架伸縮后可有效降低載荷。但缺點(diǎn)在于對(duì)材料使用量較多，成本過(guò)高。

超高強(qiáng)度錨桿：超高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿與傳統(tǒng)錨桿、錨索支護(hù)方式相比，其抗屈服強(qiáng)度、抗破裂強(qiáng)度、支護(hù)阻力都是普通錨桿3倍，超高強(qiáng)度錨桿能進(jìn)一步控制巷道圍巖離層、變形量和層理裂隙。

錨注支護(hù)：圍巖巖體強(qiáng)度低，松動(dòng)范圍大，巷道開(kāi)挖后頂板巖體易破壞，傳統(tǒng)支護(hù)方式不能使頂板成為圍巖形成完整受壓狀態(tài)的組合拱，錨注支護(hù)方式實(shí)現(xiàn)“錨注一體化”，注漿充填圍巖縫隙，同時(shí)錨桿作為注漿通道，同時(shí)利用錨桿提高圍巖強(qiáng)度和變形模量。

錨噴支護(hù)：屬于聯(lián)合支護(hù)方法之一，減少模板使用，同時(shí)利用噴層形成粘結(jié)作用，與巖體和噴層連接共同承壓，同時(shí)減少松散巖塊冒落，控制錨桿的初始滑移，提高圍巖預(yù)應(yīng)力，適用于臨時(shí)和永久支護(hù)。

3 結(jié)論

(1)本文簡(jiǎn)單分析了軟巖巷道變形量大、變形速率快、變形存在失效性的3種特征。

(2)對(duì)深部工程支護(hù)的自穩(wěn)平衡拱理論機(jī)理進(jìn)行了分析，根據(jù)平衡拱理論對(duì)井巷支護(hù)中頂板承載能力計(jì)算和兩幫破壞形式的分析。

(3)分析了整體剛性支護(hù)、剛性加柔體墊層支護(hù)、U型鋼可縮性支架支護(hù)、超高強(qiáng)度錨桿、錨注和錨噴支護(hù)6種常用的軟巖支護(hù)方式的機(jī)理和特性。