高應力軟巖巷道支護技術(shù)研究與實踐

陳丁彰

【摘 要】 針對深部軟巖巷道圍巖發(fā)生顯著變形以及軟巖巷道圍巖支護困難的情況，本文基于圍巖強度理論和數(shù)值模擬結(jié)果分析了深部軟巖巷道圍巖變形機制，并結(jié)合工程現(xiàn)場提出了“錨網(wǎng)索+注漿+U型鋼支架”的聯(lián)合支護方案，監(jiān)測結(jié)果表明：采用該聯(lián)合支護方案后，巷道圍巖變形量得到了有效控制。

【關(guān)鍵詞】 深部軟巖巷道;變形機制;聯(lián)合支護;圍巖控制

【中圖分類號】 TD32 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）05-0004-02

目前煤礦開采逐漸向深部發(fā)展，由此帶來的地應力大、地溫高、地質(zhì)環(huán)境較差等問題，導致深部軟巖巷道圍巖發(fā)生顯著變形以及軟巖巷道圍巖支護困難的情況，嚴重制約著深部礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用。因此許多專家學者在高應力軟巖巷道支護方面進行了大量研究，孟慶彬等對深部高應力破碎軟巖巷道圍巖的變形機理進行了研究，并提出了“錨網(wǎng)索噴+U型鋼支架+注漿+底板錨注”的支護方式。宋沛鑫采用錨網(wǎng)索+注漿+錨注+噴漿的支護方式控制動壓影響下的軟弱泥巖巷道圍巖的變形，并驗證了其可行性。許文靜分析了巷道動壓對巷道圍巖支護影響。本文依據(jù)以上專家學者的研究成果，針對某礦高應力軟巖巷道的工程地質(zhì)特點，提出了“錨網(wǎng)索+注漿+U型鋼支架”的聯(lián)合支護方案，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果驗證了該聯(lián)合支護方案的可行性，此研究結(jié)果可為類似工程地質(zhì)條件下的高應力軟巖巷道支護技術(shù)提供借鑒與參考。

1工程概況

某礦主要運輸巷道埋深900m，巷道圍巖主要為泥巖及粉砂巖，主要呈灰黑色、薄層狀結(jié)構(gòu)，巖石強度較低，且地應力較高，同時運輸巷道的斷面相對較大，屬于典型的高應力軟巖巷道。鉆孔柱狀圖及煤巖體力學參數(shù)如圖1和表1所示。

巷道原支護主要采用“錨桿+錨索+鋼帶”支護方案，支護參數(shù)如下：巷道拱部、幫部采用φ22×2500 mm螺紋錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm，錨索采用φ22×6500mm樹脂錨索，間排距為1200×1200mm;巷道兩幫錨桿規(guī)格為φ22×2500 mm，錨桿間排距為600×600mm，每根幫錨桿配套使用CKφ23×500mm，1卷/眼，托盤采用150×150×10mm正方形碗狀鋼托盤;鋼筋網(wǎng)采用φ8mm鋼筋網(wǎng)，間距為200×200mm。

2高應力軟巖巷道變形機理

2.1圍巖強度特性

由于高應力軟巖巷道圍巖的巖體強度較低以及賦存的高地應力，導致巷道支護難度較大，其主要控制因素為圍巖體的巖性特征，軟巖巷道圍巖的巖體與水易發(fā)生反應，出現(xiàn)泥化、崩裂等現(xiàn)象。如果未采用有效的支護方式進行控制，巷道圍巖將在短時間內(nèi)發(fā)生變形最終導致失穩(wěn)破壞。同時巖體中的膨脹性黏土礦物成分也會發(fā)生吸水或失水現(xiàn)象，導致巷道圍巖發(fā)生膨脹收縮，加劇了巷道圍巖的破壞程度。

2.2圍巖流變特性

由于高應力軟巖巷道圍巖的流變特性使得巷道圍巖易發(fā)生破壞或者失穩(wěn)。為探究不同高應力下軟巖巷道圍巖的流變特性所造成的圍巖變形破壞程度，根據(jù)某礦主要運輸巷道具體賦存條件及煤巖體力學參數(shù)特征，選用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬分析。所建模型尺寸為60m×50m，模型共劃分為65451個單元，78154個節(jié)點。所建模型的邊界條件為：模型左右邊界以及模型上端面設置為應力邊界條件，根據(jù)巷道不同埋深，在模型的頂面施加載荷，模型前后面以及底面為位移邊界;模型計算時采用Burgers本構(gòu)模型。同時對巷道圍巖的巖層簡化為水平，不考慮巖體的自重;假定圍巖三向的應力值相同，側(cè)壓力系數(shù)取值為1.2，模型內(nèi)等間距布置錨桿索。

不同埋深下巷道圍巖流變特性曲線如圖2、圖3、圖4所示。

由圖2、圖3、圖4可知：隨著巷道埋深的加大，巷道頂板及巷道幫部的變形量也隨之增大，并在開挖后的60天后變形量達到最大值并逐漸趨于穩(wěn)定;隨著巷道埋深的加大，巷道圍巖的流變特性也隨之增大，且頂板變形量的增加率最大，幫部變形量的增加率次之，底板變形量的增加率最小，控制巷道底板變形過大是整個巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。巷道底板的變形量如果過大，將直接影響到巷道頂板和巷道幫部的穩(wěn)定，所以應加強巷道底板的支護強度。

3優(yōu)化支護方案

基于該礦的工程地質(zhì)條件以及深部軟巖巷道變形機理，并結(jié)合運輸巷道的現(xiàn)場實際情況，對原支護方案進行了優(yōu)化設計，提出了“錨網(wǎng)索+注漿+U型鋼支架”的聯(lián)合支護方案，同時還對巷道底板進行了錨網(wǎng)索+注漿的加固。

巷道拱部、幫部采用φ22×2500 mm左旋無縱筋螺紋錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm，錨索采用φ22×6500mm錨索，使用鋼絞線制作，間排距為1200×1200mm;巷道兩幫錨桿規(guī)格為φ22×2500 mm，錨桿間排距為800×800mm，每根幫錨桿配套使用CKφ23×500mm，1卷/眼，托盤采用150×150×10mm正方形碗狀鋼托盤;鋼筋網(wǎng)采用φ8mm鋼筋網(wǎng)，間距為200×200mm;鋼支架采用U36的工字鋼;采用“高壓深孔滲透注漿+低壓淺孔充填注漿”技術(shù)進行分次注漿，注漿范圍為5.0m左右。

在運輸巷道內(nèi)采用優(yōu)化支護方案進行支護并布置JSS30A數(shù)顯收斂計監(jiān)測巷道圍巖拱部圍巖的的變形，根據(jù)所得監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值繪制原支護方案與優(yōu)化支護方案的圍巖變形量曲線圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，采用優(yōu)化支護方案后巷道穩(wěn)定后巷道底部最大變形量約為17.1mm，相比于原支護方案巷道底部最大變形量減小了約65.1%，表明巷道圍巖變形得到了有效的控制。

4結(jié)論

文章對高應力軟巖巷道的變形機理進行了數(shù)值模擬分析。模擬結(jié)果顯示：隨巷道埋深的加大，巷道圍巖的流變特性也隨之增大，控制巷道底板變形過大是整個巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

方案優(yōu)化了巷道原支護參數(shù)，提出了“錨網(wǎng)索+注漿+U型鋼支架”聯(lián)合支護方式?，F(xiàn)場實踐結(jié)果表明采用聯(lián)合支護方式后可有效控制高應力下軟巖巷道的圍巖變形，保證巷道的穩(wěn)定性。

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