高應(yīng)力軟巖巷道大變形機(jī)理及返修支護(hù)技術(shù)研究

閆小衛(wèi)

(陜西煤礦安全監(jiān)察局 榆林監(jiān)察分局， 陜西 榆林 719054)

0 引言

高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)是深部開采面臨的主要難題之一[1-3]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，取得了較為豐富的研究成果?？导t普等[4-5]針對(duì)深部高應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)巷道提出了“支護(hù)-改性-卸壓”協(xié)同控制技術(shù)，并在中煤新集能源股份有限公司口孜東礦千米深井軟巖巷道成功應(yīng)用。何滿潮等[6-7]對(duì)軟巖巷道變形力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了分類，發(fā)展了高應(yīng)力軟巖巷道的支護(hù)理論與技術(shù)。姜耀東等[8]對(duì)深部軟巖巷道底鼓特征進(jìn)行總結(jié)，揭示了巷道底鼓變形的力學(xué)機(jī)制。李術(shù)才等[9]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究了深部巷道分區(qū)破裂化現(xiàn)象，研究了高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)失效及控制技術(shù)。張農(nóng)等[10-11]針對(duì)淮南礦區(qū)煤巷進(jìn)行分級(jí)并提出了相應(yīng)的支護(hù)對(duì)策，針對(duì)淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司朱集礦沿空留巷提出了留巷擴(kuò)刷修復(fù)結(jié)構(gòu)臨近失穩(wěn)的概念，確定了留巷擴(kuò)刷修復(fù)的合理時(shí)機(jī)及工序。柏建彪等[12]提出了針對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道的耦合支護(hù)原理及技術(shù)。Tan Yunliang等[13]針對(duì)深部堅(jiān)硬頂板沿空留巷提出了圍巖控制策略。黃炳香等[14]提出了深井采動(dòng)巷道圍巖流變及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)理論。余偉健等[15]研究了深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形與破壞特征，提出了針對(duì)軟巖巷道的控制技術(shù)。李為騰等[16]以兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦1 000 m深井為工程背景，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圍巖變形破壞及支護(hù)失效規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬研究了拱架支護(hù)模式下巷道圍巖變形、塑性破壞區(qū)分布特征及支護(hù)構(gòu)件受力狀態(tài)。然而，對(duì)于已發(fā)生大變形巷道如何科學(xué)合理返修支護(hù)，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖有效控制的研究相對(duì)較少。

川煤集團(tuán)芙蓉公司白皎煤礦+300水平4號(hào)石門運(yùn)輸大巷為高應(yīng)力軟巖巷道，埋深650 m，巷道開掘后圍巖穩(wěn)定時(shí)間短、破壞嚴(yán)重，巷道持續(xù)變形，難以滿足使用要求。本文綜合分析了巷道圍巖變形破壞原因，提出了巷道返修支護(hù)對(duì)策及技術(shù)，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 工程概況

1.1 巷道圍巖條件及原支護(hù)情況

白皎煤礦+300水平4號(hào)石門運(yùn)輸大巷依次穿越頁(yè)巖、泥巖、砂質(zhì)頁(yè)巖，巷道所在煤巖層構(gòu)造較多，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，分層較多且各分層厚度小，巖石強(qiáng)度較低。頂?shù)装鍘r性見表1。巷道周圍布置有+300水平4號(hào)石門錯(cuò)車場(chǎng)、避難硐室、西三井底車場(chǎng)，形成密集巷道(硐室)群，其平面布置如圖1所示。

表1 巷道頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of roadway roof and floor

圖1 巷道布置Fig.1 Roadway layout

巷道寬度為5.5 m，高度為3.8 m(其中墻高2.0 m，拱高1.8 m)，掘進(jìn)斷面面積為19.0 m2。巷道初始支護(hù)方案采用錨桿、鋼梁、金屬網(wǎng)、錨索和噴層：φ20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm；鋼梁長(zhǎng)度為2 800 mm和2 000 m2種規(guī)格；金屬網(wǎng)長(zhǎng)度為2 800 mm和2 000 mm2種規(guī)格，寬度為950 mm；φ15.24 mm×6 300 mm錨索，排距為3 000 mm，錨索沿巷頂中心線布置。

1.2 巷道變形特征

對(duì)+300水平4號(hào)石門運(yùn)輸大巷圍巖變形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，表現(xiàn)為以下特征：

(1) 變形速度快，長(zhǎng)期無法穩(wěn)定。巷道新掘后變形速度達(dá)50～100 mm/d，持續(xù)時(shí)間通常為25～60 d，有的長(zhǎng)達(dá)半年以上仍無法穩(wěn)定。對(duì)發(fā)生變形的巷道進(jìn)行加固和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后仍繼續(xù)變形，無法形成有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

(2) 全斷面收縮變形。與強(qiáng)采動(dòng)巷道更多表現(xiàn)為底鼓和兩幫移近不同，該巷道掘進(jìn)后表現(xiàn)為全斷面持續(xù)收縮變形，頂板、巷幫、底板變形均較大，頂板平均下沉量達(dá)600 mm，兩幫移近量達(dá)500 mm，底鼓量達(dá)700 mm。

2 巷道圍巖內(nèi)部破壞及大變形機(jī)理分析

2.1 巷道圍巖結(jié)構(gòu)窺視

巷道圍巖持續(xù)變形與頂板巖層結(jié)構(gòu)裂隙分布及演化密切相關(guān)。對(duì)巷道頂板、兩幫10 m范圍內(nèi)巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆孔窺視，分別距+300水平4號(hào)石門錯(cuò)車場(chǎng)20，80，200 m處布置鉆孔窺視站(圖1)，每個(gè)鉆孔窺視站布置3個(gè)窺視鉆孔(頂板、兩幫各1個(gè))，窺視鉆孔直徑64 mm、深10 m(圖2)。

圖2 窺視鉆孔布置Fig.2 Observation boreholes layout

鉆孔窺視結(jié)果如圖3所示。從圖3(a)可看出，巷道頂板窺視鉆孔距孔口0.5 m以內(nèi)圍巖完全破碎，距孔口5 m以外圍巖較為完整。從圖3(b)可看出，巷道左幫窺視鉆孔距孔口2 m以內(nèi)圍巖完全破碎，距孔口2.7～3.0 m范圍內(nèi)圍巖破碎，距孔口3.3～4.2 m范圍內(nèi)橫向裂隙發(fā)育明顯，距孔口5 m以外圍巖較為完整。從圖3(c)可看出，巷道右?guī)透Q視鉆孔距孔口0.9 m以內(nèi)圍巖完全破碎，距孔口1.6～2.5 m范圍內(nèi)圍巖多條橫向裂隙發(fā)育，距孔口4.7～7.0 m范圍內(nèi)圍巖較為完整，距孔口7.9～8.2 m范圍內(nèi)圍巖破碎。

圖3 鉆孔窺視結(jié)果Fig.3 Boreholes observation results

2.2 圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)測(cè)量結(jié)果分析

綜合巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)及巷道圍巖窺視結(jié)果，可得以下結(jié)論：

(1) 巷道淺部(2 m以內(nèi))圍巖破碎嚴(yán)重，說明巷道淺部初始支護(hù)強(qiáng)度和剛度較低，無法有效控制淺部圍巖碎脹變形。因此，在巷道返修補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)過程中，應(yīng)提高補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的強(qiáng)度和剛度，保證錨桿、錨索支護(hù)預(yù)緊力和預(yù)緊力有效擴(kuò)散。

(2) 巷道左幫2.7～3.0 m范圍內(nèi)圍巖破碎，結(jié)合巷道支護(hù)設(shè)計(jì)分析可知此深度為錨桿支護(hù)區(qū)分界面，臨近巖體受拉，易出現(xiàn)離層。

(3) 巷道左幫3.3～4.2 m范圍內(nèi)圍巖橫向裂隙發(fā)育明顯，由于初始支護(hù)兩幫未打設(shè)錨索，而錨桿支護(hù)范圍僅為2 m左右，2 m以外煤巖體處于無支護(hù)狀態(tài)，受高應(yīng)力及掘進(jìn)擾動(dòng)影響易破碎。此外，原支護(hù)僅沿巷道頂板中部布置錨索，錨索布置數(shù)量較少，導(dǎo)致錨桿錨固范圍以外(深度大于2 m)巖體破碎。因此，應(yīng)適當(dāng)增加錨索數(shù)量，對(duì)錨桿錨固范圍以外巖體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

(4) 原設(shè)計(jì)兩幫支護(hù)強(qiáng)度和剛度較低，對(duì)比巷道兩幫與頂板的窺視結(jié)果可知，巷道兩幫巖體破碎程度和深度都超過頂板，因此，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)應(yīng)重視巷道兩幫的支護(hù)，保證兩幫圍巖穩(wěn)定。

(5) 由于圍巖已經(jīng)破碎，形成不連續(xù)裂隙，巷道需要先通過注漿加固對(duì)圍巖進(jìn)行修復(fù)。窺視結(jié)果表明圍巖淺部破碎范圍為2 m，深部破碎范圍為5 m?；诟Q視結(jié)果，分析得出注漿淺孔深度宜為3 m，深孔深度宜為6 m。

2.3 巷道變形破壞機(jī)理分析

綜合分析巷道圍巖條件、應(yīng)力環(huán)境、原支護(hù)設(shè)計(jì)及圍巖變形破壞特征可知，導(dǎo)致+300水平4號(hào)石門運(yùn)輸大巷持續(xù)變形的主要因素為斷層等構(gòu)造引起的水平應(yīng)力突出[17]、巷道布置層位圍巖巖性軟弱(所穿巖層均為軟弱巖層)[18]、巷道集中布置、原支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)材料不匹配、施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等，具體體現(xiàn)在以下方面：

(1) 構(gòu)造復(fù)雜、斷層切割嚴(yán)重。白皎煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，揭露斷層多達(dá)1 500余條，巷道受斷層切割嚴(yán)重，導(dǎo)致巷道水平構(gòu)造應(yīng)力集中。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，白皎煤礦以水平應(yīng)力為主。在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，頂板巖層受到很大的剪切應(yīng)力作用，使巷道頂板巖層分層變形，如不能及時(shí)支護(hù)，巖層易沿層理發(fā)生離層。

(2) 圍巖強(qiáng)度低且具有膨脹性。通過巷道掘進(jìn)及鉆孔取芯發(fā)現(xiàn)，巷道布置的巖層為黏土巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、頁(yè)巖、煤線等軟弱巖體，其中砂質(zhì)泥巖飽和抗壓強(qiáng)度為15.1 MPa、軟化系數(shù)為0.35，黏土巖飽和抗壓強(qiáng)度僅為0.27～3.8 MPa、軟化系數(shù)為0.27，巖石強(qiáng)度低、遇水易軟化。通過X射線衍射儀對(duì)泥巖礦物成分分析可知，泥巖中黏土礦物占69.8%，其中以高嶺石、綠泥石為主，易發(fā)生泥化，導(dǎo)致巷道膨脹性變形。

(3) 巷道硐室密集布置，導(dǎo)致應(yīng)力集中。+300水平4號(hào)石門運(yùn)輸大巷附近巷道及硐室密集布置，其中石門運(yùn)輸大巷與+300水平4號(hào)石門錯(cuò)車場(chǎng)之間巖柱寬度僅10 m，鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)巖柱已基本破碎。

(4) 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，石門運(yùn)輸大巷現(xiàn)有兩幫下部錨桿施工滯后，錨索滯后工作面20 m施工，不能及時(shí)支護(hù)圍巖，導(dǎo)致圍巖發(fā)生破壞。錨桿、錨索“三徑”不匹配；兩幫錨桿鉆孔太深，部分錨固劑無法得到攪拌，有效錨固長(zhǎng)度過小，且現(xiàn)場(chǎng)錨固劑包裝袋太厚，不利于攪拌錨固，導(dǎo)致圍巖變形過程中錨固力不足，造成支護(hù)失效。錨桿、錨索支護(hù)預(yù)緊力偏低，不能有效抑制不連續(xù)變形的擴(kuò)展，巷道變形破壞大。

3 巷道返修支護(hù)對(duì)策及技術(shù)

3.1 巷道返修支護(hù)對(duì)策

對(duì)于已發(fā)生離層、破壞的巷道破碎圍巖，僅采用錨桿、錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)，由于圍巖內(nèi)部不連續(xù)變形，無法恢復(fù)原完整圍巖狀態(tài)，且可錨性下降，導(dǎo)致巷道圍巖結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性不足，無法有效抵抗應(yīng)力的持續(xù)擠壓作用，巷道易發(fā)生持續(xù)變形。需進(jìn)行注漿加固，將圍巖中不連續(xù)變形產(chǎn)生的裂隙進(jìn)行充填，進(jìn)而通過錨桿、錨索進(jìn)行支護(hù)[19-20]。

針對(duì)石門運(yùn)輸大巷持續(xù)變形的特征，在對(duì)圍巖注漿加固的基礎(chǔ)上，需通過強(qiáng)力錨桿、錨索在圍巖中形成承載結(jié)構(gòu)，通過錨桿、錨索提供的整體結(jié)構(gòu)抵抗應(yīng)力場(chǎng)對(duì)圍巖的逐步破壞。此外，為避免石門運(yùn)輸大巷持續(xù)風(fēng)化，在完成上述支護(hù)后還需通過表面噴漿封閉圍巖。

3.2 巷道返修支護(hù)技術(shù)

(1) 巷道圍巖注漿?；谙锏绹鷰r結(jié)構(gòu)鉆孔窺視結(jié)果及巷道變形破壞特征，提出采用先淺孔后深孔注漿。先通過淺孔充填巷道淺部圍巖裂隙，再通過深孔充填巷道深部圍巖裂隙，注漿材料以水泥基為主，并輔以添加劑。根據(jù)裂隙發(fā)育程度，確定淺孔深度為3 000 mm、注漿壓力為2～3 MPa，深孔深度為6 000 mm、注漿壓力為4～6 MPa。圍巖注漿深淺孔布置如圖4所示。

(a) 淺孔注漿鉆孔布置

(b) 深孔注漿鉆孔布置

(2) 巷道圍巖高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)。通過注漿對(duì)已破壞圍巖加固后，再進(jìn)行高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。錨桿、錨索布置如圖5所示。選用φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋錨桿，錨固長(zhǎng)度為675 mm，配合鋼號(hào)Q235、規(guī)格450 mm×280 mm×5 mm(長(zhǎng)×寬×高)的W鋼護(hù)板護(hù)表；錨桿預(yù)緊力矩大于400 N·m；選用φ22 mm×5 300 mm錨索，錨固長(zhǎng)度為2 733 mm，配合300 mm×300 mm×14 mm(長(zhǎng)×寬×拱高)的高強(qiáng)度錨索托板；錨索預(yù)緊力不小于300 kN；采用金屬網(wǎng)護(hù)表，金屬網(wǎng)網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm。

圖5 錨桿、錨索布置Fig.5 Layout of anchor bolt and cable

(3) 巷道噴漿。錨桿、錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，對(duì)巷道表面進(jìn)行噴漿，封閉巷道表面圍巖，減少圍巖風(fēng)化，并對(duì)巷道表面圍巖起到一定程度的加固作用。噴層混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，噴層厚度為100 mm。

3.3 巷道返修支護(hù)效果模擬

為驗(yàn)證支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，通過FLAC3D對(duì)+300水平4號(hào)石門運(yùn)輸大巷返修前后圍巖變形及應(yīng)力狀況進(jìn)行模擬。

數(shù)值模擬采用基于Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則的本構(gòu)模型，模型尺寸為4 m×50 m×50 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型剖分時(shí)采用六面體單元，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模型施加垂直應(yīng)力15.76 MPa，水平應(yīng)力20.42 MPa。模型中巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。模型邊界條件：底端固支，側(cè)面限制水平位移。錨固范圍內(nèi)網(wǎng)格加密處理，開挖前施加原巖應(yīng)力載荷，模型力學(xué)狀態(tài)平衡后位移清零再進(jìn)行巷道開挖與支護(hù)模擬分析。

表2 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of roadway surrounding rock

(a) 水平位移分布

(b) 垂直位移分布

原支護(hù)方案下巷道圍巖水平位移和垂直位移分布如圖6所示。可看出原支護(hù)方案下巷道頂?shù)装寰l(fā)生了較大變形，受高應(yīng)力下巷道兩幫上角擠壓影響，頂板下沉量為600 mm，由于底板未進(jìn)行任何支護(hù)，底鼓量達(dá)750 mm；巷道幫部變形主要分布在巷道兩幫下部，兩幫移近量為550 mm。在高應(yīng)力作用下，原支護(hù)無法有效控制巷道圍巖大變形。

巷道返修支護(hù)后圍巖應(yīng)力及位移分布如圖7所示。從圖7(a)可看出，兩幫水平應(yīng)力集中范圍為1.8 m，最高可達(dá)5 MPa；頂板水平應(yīng)力集中范圍為4 m，最高可達(dá)21.7 MPa；底板水平應(yīng)力集中范圍為5 m，最高可達(dá)21 MPa。從圖7(b)可看出，兩幫垂直應(yīng)力集中范圍為5 m，最高可達(dá)20.6 MPa；頂板垂直應(yīng)力集中范圍為5 m，最高可達(dá)4 MPa；底板垂直應(yīng)力集中范圍為3 m，最高可達(dá)5 MPa。從圖7(c)、圖7(d)可看出，巷道兩幫移近量為199.5 mm，發(fā)生變形的兩幫圍巖范圍為2 m左右；頂板下沉量為121.4 mm，發(fā)生變形的頂板圍巖范圍為4.5 m；底鼓量為119.1 mm，發(fā)生變形的底板圍巖范圍為5 m。由此可見，巷道返修支護(hù)后圍巖變形得到了有效控制。

(a) 水平應(yīng)力分布

(b) 垂直應(yīng)力分布

(c) 水平位移分布

(d) 垂直位移分布

3.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

巷道加固及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行了表面位移監(jiān)測(cè)，其中加固及擴(kuò)巷施工期間每1～2 d監(jiān)測(cè)1次，加固施工完成后、巷道圍巖穩(wěn)定前每周監(jiān)測(cè)2次，錨桿、錨索受力及表面位移穩(wěn)定后每月監(jiān)測(cè)1～2次。

現(xiàn)場(chǎng)共監(jiān)測(cè)178 d，巷道監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，返修加固后23 d頂板下沉速度穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笠平繛?09 mm，返修加固后32 d兩幫移近速度穩(wěn)定，兩幫最大移近量為212 mm。

4 結(jié)論

(1) 分析了白皎煤礦+300水平4號(hào)石門運(yùn)輸大巷變形破壞特征，揭示了高應(yīng)力軟巖巷道持續(xù)大變形的主要影響因素，包括斷層等構(gòu)造引起的水平應(yīng)力突出、巷道布置層位圍巖巖性軟弱、巷道集中布置、原支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)材料不匹配、施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等。

(2) 提出了“高壓注漿+高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)+噴漿”的巷道返修支護(hù)方案。首先，通過注漿對(duì)圍巖裂隙及不連續(xù)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行及時(shí)加固；然后，通過強(qiáng)力錨桿、錨索對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，在圍巖中形成承載結(jié)構(gòu)；最后，通過表面噴漿封閉圍巖，阻止圍巖風(fēng)化，提高表面圍巖穩(wěn)定性。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用“高壓注漿+高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)+噴漿”后，頂?shù)装遄畲笠平繛?09 mm，兩幫最大移近量為212 mm，能有效控制巷道圍巖變形。