弱面影響下深部大斷面巷道修護加固技術(shù)研究

楊志磊 汪 鵬 胡海永

（應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029）

隨著開采深度的不斷增加，深部地層巷道受“三高一擾動”影響，地應(yīng)力呈非線性遞增，巷道圍巖破壞嚴重，巷道維護工程量和支護投入成本急劇增大。深部巷道多布置在巖性強度較低的砂質(zhì)泥巖、泥巖等沉積體層中，當(dāng)圍巖含有強度較低、變形較大或受力狀況惡化的巖體，即圍巖中的軟弱夾層、破碎夾層等，則圍巖變形產(chǎn)生非均勻性失穩(wěn)[1-2]。巷道圍巖中的軟弱面將加劇圍巖剪切破壞，增加相鄰圍巖體的松動破壞范圍，嚴重威脅著巷道正常安全使用[3-4]。

許多學(xué)者針對弱面對圍巖破壞的影響進行了研究。樊克恭等[5-6]針對半煤巖巷層狀結(jié)構(gòu)特征，提出了巷幫“弱結(jié)構(gòu)”的概念，分析了圍巖塑性區(qū)與松動圈的發(fā)育特征，提出了非均稱控制理論與技術(shù)；張志強[7-8]等采用FINAL軟件研究了應(yīng)力環(huán)境、弱面產(chǎn)狀等因素對地下硐室穩(wěn)定性的影響；王襄禹[9]等采用理論分析、數(shù)值模擬及工業(yè)性試驗等方法，研究了弱面影響下深部傾斜巖層巷道變形特征。為應(yīng)對深部巷道圍巖支護，國內(nèi)外已形成以注漿加固、錨桿（索）支護為核心的成套支護技術(shù)體系，并取得了大量巷道失穩(wěn)機制和控制機理研究成果。

基于以上研究基礎(chǔ)，本文以顧橋煤礦-780 m北二采區(qū)軌道大巷為工程背景，針對巷道在弱面作用下非均勻大變形現(xiàn)象，采用理論分析、數(shù)值模擬及工業(yè)性試驗相結(jié)合的方法，研究深部巷道圍巖受弱面影響導(dǎo)致非均稱失穩(wěn)原因，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測反饋提出弱面作用下圍巖維護加固措施，為類似弱面作用下深部巷道圍巖加固提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

北二13-1軌道大巷從北一軌道大巷開始，施工穿越北一采區(qū)至北二采區(qū)，共計施工3560 m，巷道埋深-769～ -748 m。北二13-1軌道大巷上覆13-1煤層即1122（3）工作面，下覆11-2煤層即1122（1）工作面已回采完畢。巷道掘進過程中，頂板上距13-1煤層（采空區(qū)）底板法距45.6～51.6 m，底板距11-2煤層（采空區(qū)）頂板法距28.2～12.9 m。揭露的巖性主要為粉砂巖、粉細砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂泥巖互層、細砂巖、煤線，煤巖層傾角2°～4°，構(gòu)造發(fā)育處頂板會有淋水現(xiàn)象。軌道大巷巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 軌道大巷巖層柱狀圖

13-1軌道大巷為直墻半圓拱斷面，凈寬×凈高=5600 mm×4400 mm。支護錨桿采用左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ22 mm×2500 mm（錨桿蓋板規(guī)格：200 mm×200 mm×10 mm），間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿配2卷Z2850型錨固劑。錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×6200 mm，配300 mm×300 mm×10mm、150 mm×150 mm×10 mm鋼板，錨索呈5-4-5布置，間排距為1600 mm×1600mm，每根錨索配3卷Z2850型錨固劑。巷道圍巖變形多以煤線部位巖層線狀開裂、臺階狀錯動型破壞為主?；谧冃螄乐貐^(qū)巷道圍巖巖性，主要是煤線等軟弱巖層與堅硬巖層間膠結(jié)位置的層間滑移及軟弱巖層的變形破壞為主，其中部分區(qū)域斷面中泥巖受淋水影響，造成巷道底鼓等變形。

2 弱面影響下巷道圍巖失穩(wěn)分析

由于巷道埋深大，圍巖受高地應(yīng)力作用。巷道開挖后，高地應(yīng)力首先沿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、強度低的弱面圍巖卸載，造成其內(nèi)部原生裂隙的擴展、張開與次生裂隙的產(chǎn)生及再破壞，引起弱面圍巖屈服破壞后的峰后巖體沿裂隙面產(chǎn)生大范圍的剪切滑移變形。由于巖層有傾角及斷層影響，煤線弱面結(jié)構(gòu)相對于巷道位置不同，導(dǎo)致巷道圍巖變形與破壞區(qū)發(fā)育形態(tài)發(fā)生異性變化。軌道大巷為直墻半圓拱巷道，變形后依據(jù)弱面分布位置不同，巷道圍巖變形破壞分為3種情況：

（1）巷道揭露弱面位于半圓拱以上頂板時，受垂直應(yīng)力作用，頂部弱面巖層受剪切力作用變形，在水平應(yīng)力擠壓作用下，將從頂部中間位置開始出現(xiàn)巷道強擠壓破壞，如圖2。

圖2 弱面位于半圓拱上頂擠強壓破壞前后

（2）巷道揭露弱面位于巷道內(nèi)時，在高應(yīng)力作用下，圍巖弱面裂隙擴張，兩側(cè)巖體發(fā)生剪切錯動、片幫等問題，如圖3。劇烈變形引起巷道產(chǎn)生區(qū)域性破壞，從而引起整個巷道的圍巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力向圍巖深部傳動。

圖3 弱面位于巷道內(nèi)強擠壓破壞前后

（3）巷道揭露弱面位于直墻以下底板時，底板弱面受高應(yīng)力作用破斷變形，產(chǎn)生底鼓大變形，巷道兩幫受底鼓影響，向巷道內(nèi)移近收縮，如圖4。

圖4 弱面位于直墻以下底板強擠壓破壞前后

3 巷道注漿加固數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型建立與方案設(shè)計

本文以顧橋煤礦某采區(qū)軌道巷為研究對象，采用數(shù)值模擬程序（FLAC3D）建立數(shù)據(jù)模型。模型尺寸取為50 m×50 m×60 m，巷道斷面為直墻半圓拱形，巷道寬度和高度分別為5.6 m×4.4 m，計算模型如圖5所示。根據(jù)表1給模型附值。模型水平方向及底面固定，頂面施加18.7 MPa垂直應(yīng)力。破壞準側(cè)選用摩爾-庫倫準則。

表1 巷道圍巖巖體力學(xué)相關(guān)參數(shù)值

在對延伸軌道巷圍巖進行注漿前，模擬巷道開挖過程，先讓巷道圍巖發(fā)生變形，變形量為巷道開挖后至注漿前的實際變形值，使得圍巖內(nèi)部產(chǎn)生不同的承載范圍，設(shè)置為圍巖注漿數(shù)值模擬初始化研究模型。詳細數(shù)值模擬方案見表2。

表2 采用的模擬計算方案明細

3.2 注漿加固控制效果分析

方案1～3分別為破裂區(qū)注漿、峰值附近注漿、彈性區(qū)注漿。圍巖塑性破壞情況如圖5所示。

圖5 不同開挖試驗塑性區(qū)發(fā)育情況

結(jié)合現(xiàn)場試驗效果，如上圖5所示，隨著對圍巖不同位置和由淺變深進行注漿控制，巷道圍巖巖體的塑性區(qū)域發(fā)育有較大的差異，且塑性區(qū)域發(fā)育范圍逐漸增大，得出注漿位置越深，反而對巷道圍巖的控制作用越小越弱的結(jié)論。在對破裂區(qū)域1圍巖注漿后，圍巖塑性區(qū)范圍控制效果較好，“彈—塑性”受力狀態(tài)的峰值區(qū)域2注漿塑性區(qū)范圍明顯小于區(qū)域3、4區(qū)，因此，在應(yīng)力峰值區(qū)域附近注漿可以很好地控制塑性區(qū)的發(fā)育。

4 弱面巷道現(xiàn)場注漿加固技術(shù)

巷道圍巖表面噴100 mm厚度漿層，噴漿材料為PC32.5水泥、粒徑5～10 mm碎石、黃砂，連續(xù)養(yǎng)護7 d。注漿分為一次注漿（淺部）和二次注漿（深部）兩步施工，具體如下：

（1）一次注漿孔深3000 mm，錨注管規(guī)格Ф26.25 mm×3.25 mm×2000 mm，孔口加絲，實管長2 m，每眼1根。二注孔深6000 mm，錨注管規(guī)格Ф26.25 mm×3.25 mm×2000 mm，孔口加絲，實管長4 m，每眼2根。

（2）5 m范圍內(nèi)打一注一并及時掛注漿孔牌。斷面內(nèi)先下后上注漿。二次注漿一般滯后一注20 m，即一次注漿漿液產(chǎn)生一定強度后再進行二次注漿。

（3）漿液選用PS32.5水泥，水泥漿按0.75:1的水灰比配制（水高0.4 m，4袋水泥）。一次注漿注漿壓力參數(shù)終壓為2 MPa，二次注漿注漿壓力參數(shù)終壓為5 MPa。

5 結(jié)論

（1）由于巷道幫部的巖層受煤線等軟弱巖層影響，產(chǎn)生非勻稱性變形，變形從弱面部位巖層線狀開裂，臺階狀錯動型破壞為主。根據(jù)巷道揭露弱面的不同位置，將巷道變形分為三類。針對弱面影響下巷道變形特征，修護原則為：巷道全斷面支護原則、巷道支護局部強化原則、巷道表面強化原則。

（2）通過FLAC3D模擬得出隨著巷道圍巖淺層注漿對巷道圍巖控制效果較為重要。基于弱面影響下巷道變形研究，提出先噴漿、再分步注漿加固技術(shù)。

（3）通過巷道圍巖變形實測結(jié)果反饋，圍巖最大變形量為同比情況下原支護方案變形量的1/4左右，巷道圍巖控制效果較好。