深部軟巖巷道圍巖支護(hù)技術(shù)研究

趙呈星，李英明，劉 剛,3，黃順杰

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院,安徽 淮南 232001；2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232001；3.黑龍江科技大學(xué) 煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引 言

為有效解決深部軟巖巷道圍巖控制問題，國內(nèi)外學(xué)者對深部軟巖巷道圍巖控制理論及方法展開了大量的研究[1-3]，并提出采用具有增阻讓壓的主動支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一次支護(hù)結(jié)構(gòu)，再及時地進(jìn)行二次支護(hù)提高支護(hù)強(qiáng)度的方法能夠保證深部軟巖巷道的穩(wěn)定[5-6]。然而要保證深部軟巖巷道的穩(wěn)定，一次支護(hù)結(jié)構(gòu)及二次支護(hù)結(jié)構(gòu)需與圍巖形成承載共同體，余偉健等[7]針對“錨噴網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護(hù)方案提出了疊加拱承載體強(qiáng)度理論并結(jié)合錨桿的中性點(diǎn)理論及錨索的力傳遞機(jī)制理論推導(dǎo)出疊加拱承載體強(qiáng)度計算方程；文獻(xiàn)[8]采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬的方法對深部巷道圍巖的破壞特征展開了研究，提出了“混凝土噴射+中空注漿錨索+深孔全長注漿錨桿”聯(lián)合支護(hù)方案，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了支護(hù)方案的可行性，但未對該聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行理論分析，缺乏一定的理論基礎(chǔ)支撐。文獻(xiàn)[9]在圍巖流變變形條件下建立了圍巖-支護(hù)相互作用模型，并推演了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用過程，驗(yàn)證了混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)在一定條件下能夠維持軟巖巷道的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[10]以顧北煤礦軟巖巷道為例提出了一種聯(lián)合支護(hù)加固技術(shù)，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明該聯(lián)合支護(hù)技術(shù)能夠維持軟巖巷道的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[11]采用理論分析及FLAC3D數(shù)值模擬研究提出了軟弱圍巖斜井的修復(fù)控制技術(shù)。文獻(xiàn)[12]以梁家煤礦為工程背景對深部軟巖道圍巖變形特征進(jìn)行了研究，并提出采用承壓混凝土(CC)支撐結(jié)構(gòu)維持巷道穩(wěn)定。

綜上，對于深部軟巖巷道圍巖控制已取得了較多成果，但由于深部軟巖巷道賦存條件復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)不同的圍巖賦存特征采取合理的支護(hù)方案[13-14]。因此，在以往研究成果[15-18]的基礎(chǔ)上以信湖煤礦一水平井底車場的回風(fēng)石門為研究對象，在分析了深部軟巖巷道的圍巖賦存條件、變形破壞特征以及原有支護(hù)方案已難以維持現(xiàn)掘巷道穩(wěn)定的條件下提出了“混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索”聯(lián)合支護(hù)方案，并采用FLAC3D數(shù)值模擬以及現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證支護(hù)方案的可靠性。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

淮北礦業(yè)集團(tuán)信湖煤礦設(shè)計年產(chǎn)量為300萬t，一水平標(biāo)高為-967 m，二水平標(biāo)高為-1 200 m，是淮北礦業(yè)集團(tuán)目前首個新建千米深井。為分析總結(jié)深部軟巖巷道變形破壞特征及影響因素，選取信湖煤礦一水平井底車場北部的回風(fēng)石門進(jìn)行研究，如圖1所示。

圖1 回風(fēng)石門位置示意

該巷道埋深952 m，設(shè)計全長1 018 m，斷面為直墻半圓拱形，掘進(jìn)高度4.8 m，掘進(jìn)寬度5.4 m，斷面凈面積21.0 m2，根據(jù)現(xiàn)場勘探資料可知，該石門已掘進(jìn)124 m，未掘進(jìn)894 m，同時在施工過程中巷道將揭露大量斷層，受斷層影響，局部裂隙發(fā)育，巷道圍巖以粉砂巖、泥巖為主，巖層傾角為5°～13°，屬于典型的深埋軟巖巷道，圍巖柱狀如圖2所示。

圖2 圍巖綜合柱狀圖

1.2 巷道變形特征及影響因素

圖3 回風(fēng)石門兩幫移近量

通過室內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場調(diào)研，可知該回風(fēng)石門變形失穩(wěn)的具體影響因素有：

1)埋深大。該回風(fēng)石門埋深為952 m，屬于深井巷道，地應(yīng)力較大。在地應(yīng)力較大情況下圍巖變得松散破碎且局部巖層裂隙發(fā)育，在上覆壓力作用下巷道圍巖整體變形嚴(yán)重。

2)巷道圍巖強(qiáng)度低。由圖2可知，巷道圍巖以泥巖、粉砂巖為主。同時對巷道圍巖進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)測定，結(jié)果見表1：泥巖及粉砂巖抗壓強(qiáng)度分別為29.6、34.1 MPa，圍巖強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差。

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3)巷道掘進(jìn)方式。巷道采用鉆眼爆破掘進(jìn)，圍巖受到爆破影響出現(xiàn)松動破碎，導(dǎo)致巷道周邊的淺部圍巖形成一定范圍的松動破碎圈。

4)不合理的巷道支護(hù)方式。原支護(hù)方案采取U型鋼支護(hù)及混凝土噴射的支護(hù)方式對巷道進(jìn)行加固，但均屬于被動支護(hù)方式。由于支護(hù)方法單一且難以調(diào)動巷道深部圍巖自承能力從而導(dǎo)致巷道發(fā)生變形，不能長期維持巷道的穩(wěn)定。

2 巷道穩(wěn)定控制技術(shù)

由于信湖煤礦回風(fēng)石門為直墻半圓拱形巷道，為便于分析，根據(jù)當(dāng)量半徑折算法[19]，即：

a=k(s/π)1/2

(1)

式中:a為巷道當(dāng)量半徑，m；k為斷面形狀修正系數(shù)，直墻半圓拱形巷道k=1.10；s為實(shí)際巷道斷面積，m2。

所以可取信湖煤礦回風(fēng)石門的當(dāng)量半徑為2.84 m。又根據(jù)彈塑性理論，在相同的水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力的條件下，巷道的塑性區(qū)半徑R[20]可表示為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：p0為原巖應(yīng)力，MPa；pi為支護(hù)阻力，MPa；c為巖石黏聚力，MPa；φ為巖石內(nèi)摩擦角，(°)；u為巷道表面位移，mm；η為巷道圍巖剪漲梯度；μ為巖石泊松比；E及σc分別為圍巖的彈性模量及抗壓強(qiáng)度，MPa；K為側(cè)壓系數(shù)。

春節(jié)即將來臨，我向全國食品藥品監(jiān)管系統(tǒng)的干部職工及親屬們，向社會各界理解、關(guān)心、支持食品藥品監(jiān)管工作的朋友們，致以誠摯的問候和新春的祝福！

因此，巷道圍巖沿巷道表面至深部可依次劃分為：A為流動區(qū)；B為塑性區(qū)；C為彈性區(qū)；D為原巖應(yīng)力區(qū)，如圖4所示[21]。

從式(2)、式(3)可看出，支護(hù)阻力pi影響塑性區(qū)范圍R的大小及巷道表面位移u的大小，根據(jù)表1選取圍巖彈性模量E與抗壓強(qiáng)度σc分別為0.7 GPa、32 MPa，圍巖剪漲梯度及泊松比分別為2、0.25，圍巖黏聚力為3 MPa，內(nèi)摩擦角為33°，支護(hù)阻力pi為0～1 MPa，巷道原巖應(yīng)力p0為25.7 MPa，將上述參數(shù)代入式(2)、式(3)分別得到支護(hù)阻力pi與巷道表面位移u的關(guān)系曲線及支護(hù)阻力pi與塑性區(qū)半徑R的關(guān)系曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 支護(hù)阻力pi與巷道表面位移u的關(guān)系曲線

圖6 支護(hù)阻力pi與塑性區(qū)半徑R的關(guān)系曲線

從圖5、圖6可看出：當(dāng)原巖應(yīng)力一定時，巷道表面位移u及塑性區(qū)半徑R均隨著支護(hù)阻力pi的增大而減小，但巷道表面位移及塑性區(qū)半徑變化量隨著支護(hù)阻力的增大而減小，表明僅依靠增大支護(hù)阻力難以長期維持巷道穩(wěn)定。

同時，從式(2)、式(3)可看出巷道圍巖的黏聚力及內(nèi)摩擦角φ也影響巷道塑性區(qū)范圍及巷道表面位移的大小，現(xiàn)根據(jù)表1分別設(shè)置巷道原巖應(yīng)力為25.7 MPa，支護(hù)阻力為0.5 MPa，圍巖彈性模量與抗壓強(qiáng)度分別為0.7 GPa、32 MPa，圍巖剪漲梯度及泊松比分別為2、0.25，圍巖初始黏聚力為3 MPa，初始內(nèi)摩擦角為33°，代入式(2)、式(3)分別得到巷道圍巖黏聚力與巷道塑性區(qū)范圍、巷道表面位移的關(guān)系曲線及內(nèi)摩擦角與巷道塑性區(qū)范圍、巷道表面位移的關(guān)系曲線，如圖7、圖8所示。

圖7 圍巖黏聚力c與巷道塑性區(qū)范圍R、表面位移u的關(guān)系曲線

圖8 圍巖內(nèi)摩擦角φ與巷道塑性區(qū)范圍R、表面位移u的關(guān)系曲線

從圖7、圖8可看出，當(dāng)原巖應(yīng)力p0及圍巖內(nèi)摩擦角φ一定時，隨著巷道圍巖黏聚力c從3.0 MPa增大至5.0 MPa時，巷道表面位移從554 mm減小至296 mm，塑性區(qū)半徑從4.3 m減小至3.8 m；當(dāng)原巖應(yīng)力及圍巖內(nèi)摩擦角一定時，隨著內(nèi)摩擦角從33°增大至55°時，巷道表面位移從567 mm減小至162 mm，塑性區(qū)半徑從4.3 m減小至3.0 m，說明提高巷道圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角的大小能夠有效提高軟巖巷道的穩(wěn)定性。

綜上所述，增大圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角以及提高支護(hù)阻力均能有效控制巷道圍巖，但巷道表面位移及塑性區(qū)半徑的變化量隨著支護(hù)阻力的增大而減小，表明僅依靠增大支護(hù)阻力難以長期維持巷道穩(wěn)定，要在提高支護(hù)阻力的同時，盡可能增大圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角。因此，根據(jù)信湖煤礦回風(fēng)石門圍巖的賦存條件，確定巷道的穩(wěn)定機(jī)制如圖9所示。由于該巷道屬于深部軟巖巷道，受地應(yīng)力及巖性等因素的影響，破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)的邊界可隨時變換，即塑性區(qū)能發(fā)展成破碎區(qū)，彈性區(qū)能發(fā)展成塑性區(qū)。所以只能在增大支護(hù)阻力的同時，提高圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角的大小維持巷道穩(wěn)定。

圖9 巷道圍巖加固機(jī)制示意

按照上述分析可知，原有支護(hù)技術(shù)已不能長期控制巷道的穩(wěn)定，第一個原因是原采用的U型鋼支護(hù)屬于被動支護(hù)，不能有效調(diào)動圍巖的自承能力；第二個原因是隨著圍巖不斷變形，裂隙不斷增多，圍巖破碎區(qū)不斷增大，圍巖穩(wěn)定性逐漸變差。應(yīng)當(dāng)采取另一種巷道支護(hù)技術(shù)對回風(fēng)石門新掘巷道進(jìn)行支護(hù)，避免巷道的多次返修，盡可能地在提高支護(hù)阻力的同時，增大圍巖黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，提高圍巖的自承能力。由圖5可知信湖煤礦回風(fēng)石門新掘巷道的塑性區(qū)半徑為4.5 m，結(jié)合文獻(xiàn)[22]的理論分析計算可得其流動區(qū)范圍為2.1 m，所以選用長度為2 600 mm，直徑為22 mm，間排距為800 mm×800 mm的螺紋鋼高強(qiáng)錨桿以及長度為2 800 mm，直徑為25 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm的注漿錨桿限制流動層的再次擴(kuò)大，使得錨桿與圍巖形成小承載體；而為限制塑性區(qū)的發(fā)展以及減輕小承載體的負(fù)擔(dān)，采用長度為7 300 mm，直徑為21.8 mm，錨固長度為1 500 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索以及長度為7 000 mm，直徑為22 mm，間排距為2 400 mm×2 400 mm，錨固長度為1 000 mm的中空注漿錨索對巷道進(jìn)行加固，其中，注漿錨索錨固段、普通錨索與圍巖共同形成一個大承載體，兩個支撐結(jié)構(gòu)共同支護(hù)巷道圍巖，實(shí)現(xiàn)組合支撐，雖然小承載體與大承載體間的圍巖在塑性區(qū)內(nèi)且整體表現(xiàn)為破碎離散并有擴(kuò)大范圍的趨勢，但由于小承載體與大承載體的“擠壓”及注漿錨索的作用再次形成了拱形承載層，同時小承載體與大承載體“擠壓”作用使得該部分圍巖產(chǎn)生變形并轉(zhuǎn)化為變形能從而釋放圍巖中的膨脹能，減少圍巖有害變形的產(chǎn)生，所以該部分圍巖也成為整個承載結(jié)構(gòu)中的卸壓層，這樣不僅使得形成的承載結(jié)構(gòu)發(fā)揮出了承載能力，還有效提高了圍巖的自承能力，因此采用“混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索”聯(lián)合支護(hù)方式解決回風(fēng)石門的大變形問題，承載結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 承載結(jié)構(gòu)示意

考慮到在進(jìn)行裝設(shè)錨桿、錨索前應(yīng)當(dāng)及時地密封圍巖，為后續(xù)施工提供準(zhǔn)備，所以應(yīng)當(dāng)對巷道進(jìn)行混凝土噴射，第一次噴射厚度為50 mm，待保證第一層噴層達(dá)到強(qiáng)度要求后再裝設(shè)注漿錨桿及錨索，并對巷道表面位移進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn)在注漿錨桿及錨索安裝完成后45 d巷道的表面位移速率趨于平緩，此時再及時安裝錨桿及注漿錨索，最后為防止錨桿、錨索被地下水腐蝕及其他因素影響，再裝設(shè)長度為2 400 mm，寬度為900 mm，網(wǎng)格規(guī)格為100 mms×100 mm的金屬網(wǎng)以及另一厚度為50 mm的混凝土噴射。因此，回風(fēng)石門的支護(hù)順序應(yīng)為：噴射50 mm厚度的混凝土→安裝注漿錨桿及錨索→安裝錨桿及注漿錨索→裝設(shè)金屬網(wǎng)→噴射50 mm厚度的混凝土，巷道支護(hù)斷面如圖11所示。

圖11 巷道支護(hù)斷面

3 FLAC3D數(shù)值模擬

為驗(yàn)證該聯(lián)合支護(hù)方案的可靠性，利用FLAC3D建立數(shù)值模擬模型，如圖12所示。數(shù)值模擬模型的長度為50 m，寬度為50 m，高度為50 m，巷道斷面為直墻半圓拱形，高度為4.8 m，寬度為5.4 m，同時采用摩爾—庫倫準(zhǔn)則，模型邊界條件設(shè)置如下：模型底部設(shè)置固定，在X方向上左右表面的位移設(shè)置為0，在Y方向上前后表面的位移設(shè)置為0，巷道模擬深度為952 m，豎直應(yīng)力為25.7 MPa，側(cè)壓系數(shù)取1[22]。

圖12 數(shù)值模擬模型

巷道在支護(hù)前后的豎直位移云圖如圖13所示，水平位移云圖如圖14所示，由于受上覆壓力的影響，支護(hù)前巷道頂板最大下沉值280.0 mm，下沉嚴(yán)重，并且底鼓明顯，底鼓量最大值為311.5 mm，巷道兩幫最大移近量為249.4 mm；而在支護(hù)后巷道頂板最大下沉值為70.0 mm，底鼓量最大值為72.6 mm，巷道兩幫最大移近量為75.2 mm。通過比較發(fā)現(xiàn)巷道在支護(hù)后頂板的最大下沉值減少了75%，最大底鼓量減少了76.7%，同時，巷道兩幫的收斂率也降低了30.2%。

圖13 支護(hù)前后巷道豎直位移

圖14 支護(hù)前后巷道水平位移

而巷道在支護(hù)前后的塑性區(qū)分布如圖15所示，從圖中可看出巷道在經(jīng)過支護(hù)后塑性區(qū)范圍明顯減小，說明在經(jīng)過支護(hù)后巷道圍巖的整體強(qiáng)度明顯提高，僅有少部分圍巖處于剪切狀態(tài)。通過對數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，破壞主要發(fā)生在巷道淺部圍巖，在采用聯(lián)合支護(hù)方案 “混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索”后，圍巖塑性區(qū)范圍能夠保持穩(wěn)定，巷道圍巖得到有效控制。

圖15 巷道塑性區(qū)分布

4 工業(yè)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證聯(lián)合支護(hù)方案的支護(hù)效果，分別觀測巷道在支護(hù)后的表面位移大小及圍巖內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況，通過對巷道變形及圍巖表面位移進(jìn)行為期60 d的觀測(圖16)，巷道頂板下沉量開始逐漸增大至36 mm后趨于穩(wěn)定，巷道兩幫移近量逐漸增大至67 mm后趨于穩(wěn)定，圍巖表面變形小。

圖16 巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果

鉆孔窺視結(jié)果如圖17所示，從圖17可看出在采用聯(lián)合支護(hù)方案對巷道支護(hù)后圍巖完整性較好，巷道頂板、底板及兩幫圍巖在2.0 m范圍內(nèi)均無破壞，塑性區(qū)內(nèi)破碎圍巖經(jīng)注漿支護(hù)加固后整體性加強(qiáng)，巷道基本不需要返修，說明在采用聯(lián)合支護(hù)方案對回風(fēng)石門支護(hù)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖耦合充分，巷道圍巖穩(wěn)定性大幅度提高。

圖17 鉆孔窺視(2.0 m范圍內(nèi))

5 結(jié) 論

1)信湖煤礦一水平井底車場北部回風(fēng)石門屬于典型的深部軟巖巷道。巷道埋深為952 m，巷道整體變形嚴(yán)重；巷道圍巖強(qiáng)度低；受巷道掘進(jìn)方式影響，圍巖出現(xiàn)一定范圍的松動圈。而原有的支護(hù)方式過于單一，不能長時間保持巷道穩(wěn)定，應(yīng)該采取更合理的支護(hù)方案解決問題。

2)為維持回風(fēng)石門新掘巷道的穩(wěn)定，提出了“混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索”聯(lián)合支護(hù)方案，對聯(lián)合支護(hù)機(jī)理進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：普通錨桿、注漿錨桿與圍巖形成小承載體；普通錨索、注漿錨索與圍巖共同形成一個大承載體，2個支撐結(jié)構(gòu)共同支護(hù)巷道圍巖，實(shí)現(xiàn)組合支撐以此控制巷道圍巖。

3)數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，采用 “混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索” 聯(lián)合支護(hù)方案能夠有效控制信湖煤礦回風(fēng)石門新掘巷道的穩(wěn)定性，提高圍巖的自穩(wěn)能力，能夠長期保持巷道的穩(wěn)定，該聯(lián)合支護(hù)方案可為其他類似巷道支護(hù)提供一定參考。