煤礦巷道再造高強度承載結(jié)構(gòu)快速支護技術(shù)及工程應(yīng)用

徐佑林 ，吳旭坤 ，周 波 ，鄭 偉 ，吳少康 ，周 澤 ，陳志松,5 ，張際濤

（1.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550003；2.南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 211800；3.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,安徽 淮南 232002；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院, 北京 100083；5.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025）

0 引 言

隨著煤礦開采深度的增加，越來越多礦井進入深部開采，深部圍巖控制面臨軟巖、強動壓及大變形等主要難題[1]。為此，我國巷道支護專家提出了多種理論與技術(shù)，何滿朝院士[2]的關(guān)鍵部位耦合支護理論，康紅普院士[3]的“三高一低”支護設(shè)計理念和支護-改性-卸壓協(xié)同支護理念，侯朝炯教授[4]提出的蠕變控制支護原則等。在此基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者開展相關(guān)理論及技術(shù)研究，并成功指導(dǎo)了現(xiàn)場工程實踐，如在錨固承載結(jié)構(gòu)方面，趙光明等[5]將圍巖力學(xué)承載結(jié)構(gòu)由淺入深依次劃分為“弱-主-強”結(jié)構(gòu)，左建平等[6]提出了圍巖梯度支護分級控制原理，實現(xiàn)基于梯度破壞記錄的巷道圍巖分級三維承壓殼控制，龍景奎[7]提出了巷道圍巖協(xié)同錨固的研究思路，靖洪文等[8]以物理模擬試驗探索深部巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)從開始承載至整體失穩(wěn)全過程，王襄禹等[9]通過引入彈黏塑性本構(gòu)模型，理論分析了錨注結(jié)構(gòu)的承載特性以及巷道流變變形特性；在圍巖改性方面，康紅普等[10]介紹了水泥、化學(xué)注漿加固的應(yīng)用條件、注漿加固設(shè)計及注漿效果評價，張慶松等[11]研究漿液擴散路徑的多孔介質(zhì)滲透注漿機理，設(shè)計一套多孔介質(zhì)滲透注漿擴散模擬實驗裝置，張振峰等[12]開展了千米深井巷道高壓劈裂注漿改性技術(shù)研究與實踐，測試評價了注漿改性后的效果；在圍巖卸壓方面，康紅普等[13]介紹了巷道卸壓法分類及卸壓機理、影響因素和適用條件，吳擁政等[14]提出了深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控原理及技術(shù)，徐佑林等[15]提出受強動壓影響的“三軟”煤層巷道“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖綜合控制理論及技術(shù)。

上述研究基本都是圍繞巷道圍巖與支護結(jié)構(gòu)的作用機理開展的，形成了圍巖松動載荷[16]、控制圍巖變形[17]、承載結(jié)構(gòu)[18]、圍巖改性[19]及應(yīng)力控制理論[20]等眾多圍巖控制理論，并根據(jù)巷道圍巖條件和控制理論提出了一系列的支護技術(shù)，并且在現(xiàn)場工程實踐取得了較好的驗證。然而，近年來，隨著材料、施工機械設(shè)備的發(fā)展，深部復(fù)雜地質(zhì)條件巷道圍巖的支護方法卻沒有較大的變革與發(fā)展，現(xiàn)有的巷道支護理論與技術(shù)均有各自限制與適用條件，如強構(gòu)造影響、“三軟”煤層、破碎圍巖及強動壓影響的大變形巷道，圍巖可錨性較差，無法形成有效的承載結(jié)構(gòu)并發(fā)揮圍巖自身承載能力，難以保證支護效果。

綜上所述，現(xiàn)有的支護手段不能完全滿足深部巷道圍巖的支護要求，亟需通過新材料、新工藝優(yōu)化現(xiàn)有支護技術(shù)與工藝。筆者提出高強度再造承載結(jié)構(gòu)巷道支護技術(shù)，并以具體煤礦為例，通過對兩幫松軟煤體進行置換，讓頂板、兩幫充填墻和底板構(gòu)成高強度承載結(jié)構(gòu)，采用智能算法優(yōu)化了承載結(jié)構(gòu)支護參數(shù)與工藝并進行井下工業(yè)性試驗，取得了良好的工業(yè)試驗效果，同時為相似條件巷道支護提供了參考。

1 典型難支護巷道類型

在煤礦巷道支護領(lǐng)域，眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員開展了大量的研究，采用支護法、加固法、應(yīng)力控制法和聯(lián)合支護法等方法已經(jīng)解決了大量的煤礦巷道支護難題。團隊經(jīng)過長時間的現(xiàn)場調(diào)研及分析，發(fā)現(xiàn)由于地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度不同、開采深度和強度不同、開采布局不合理等多種原因，當前存在以下一些典型難支護巷道，亟需進行支護技術(shù)攻關(guān)?，F(xiàn)將調(diào)研的部分煤礦支護難題列舉如下。

1.1 受強構(gòu)造影響的難支護巷道

貴州水城縣格木底向斜邊緣分布了大樹腳、吉源、阿嘎、小牛等20 余個煤礦，受該向斜的影響，這些煤礦基本上都是急傾斜煤層，煤層最大傾角達到86°，煤層埋深大，基本在600～800 m，開采難度極大，巷道支護極為困難。主要原因是受構(gòu)造影響的地區(qū)，特別是靠近向斜軸部等構(gòu)造線的部位，構(gòu)造運動形成的應(yīng)力場在這些地區(qū)特別是深部巖層中個點的應(yīng)力（包括大小和方向）將是自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場在該點的綜合疊加。國外開采深度較大的礦井進行了井下應(yīng)力實測，測量結(jié)果表明水平方向最大主應(yīng)力可比垂直應(yīng)力高出3～5 倍，最高可達8～10 倍。同時，受構(gòu)造運動影響的原始應(yīng)力場是一個應(yīng)力分布很不均勻且在一定程度上受時間影響的應(yīng)力場，在這樣的原始應(yīng)力場中進行采掘工作，必須考慮時間、地點和構(gòu)造條件[20-24]。根據(jù)傳統(tǒng)礦壓理論推導(dǎo)，垂直應(yīng)力為15～20 MPa 的構(gòu)造水平應(yīng)力最高可達200 MPa，巷道圍巖難以抵抗。

對該地區(qū)煤礦（吉源煤礦）進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)基本都存在巷道修復(fù)困難的問題。以水城縣吉源煤礦為例，吉源煤礦位于揚子準地臺黔北臺隆六盤水斷陷或威寧北西向構(gòu)造變形區(qū)的格目底向斜南翼東端仰起處，二采區(qū)軌道下山在1400 軌道石門開口往里702 m處以318°方位，-26°坡度至標高+1 333 m 落平。掘處以318°方位，-26°坡度至標高+1 333 m 落平，掘進全斷面為直墻圓弧拱形，采用U 型棚+錨網(wǎng)索支護。目前巷道所采用的復(fù)合支護方式，效果不理想，礦壓顯現(xiàn)劇烈，局部嚴重地段維修周期在1～2 個月，浪費大量的人力和財力，嚴重影響礦井的正常生產(chǎn)。經(jīng)過調(diào)研分析可知，主要有以下方面：礦井構(gòu)造應(yīng)力大，加上二采區(qū)埋深較深（660 m），巷道處于高應(yīng)力狀態(tài)。同時，由于巖層破碎，巷道壓力大，導(dǎo)致反復(fù)維修，擴幫、拉底維修量大，巷道兩幫最大變形量達1.5 m，底鼓達1.0 m，局部頂板下沉達1.0 m，如圖1 所示。圍巖主要為泥巖，強度低、遇風(fēng)、水容易風(fēng)化破碎，同時局部受到采區(qū)的采動影響，巷道維護難度大。

圖1 受構(gòu)造影響的難支護巷道現(xiàn)場調(diào)研Fig.1 Field investigation of difficult-to-support roadways affected by structure

1.2 近距離煤層群開采強動壓影響巷道

課題組對汪家寨煤礦、土城礦、山角樹煤礦、灣田煤礦、金河煤礦、打牛場煤礦、仲恒煤礦等30 余個煤礦進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，受井田范圍限制，多數(shù)巷道布置在中部，采用兩翼開采，加之近距離煤層群賦存條件，不斷跳采，同時部分老礦井由于開采年限長，系統(tǒng)極其復(fù)雜，形成復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，在采動應(yīng)力作用下，巷道圍巖受多次動壓影響，已經(jīng)完全破碎，圍巖對應(yīng)力變得極為敏感，變形極為嚴重。出現(xiàn)支護構(gòu)件嚴重破壞，頂板、兩幫變形嚴重（圖2）。

圖2 受強動壓影響的巷道變形情況Fig.2 Deformation of alley affected by strong dynamic pressure

汪家寨煤礦位于六盤水煤田大河邊向斜中段，開采上二疊系宣威組煤層，可采及局部可采煤層11 層，屬緩傾斜近距離煤層群，煤系地層主要由細砂巖、粉砂巖、黏土巖、泥巖等組成，軟巖約占65%。井田地質(zhì)條件復(fù)雜，屬煤與瓦斯突出礦井。開拓、準備巷道一般采用錨網(wǎng)噴或U 型棚支護，采區(qū)巷道采用聯(lián)合布置方式，各煤層采用區(qū)段石門聯(lián)絡(luò)，井筒、大巷、采區(qū)上、下山均布置于煤組底板，絕大部分處于軟巖中。

1）由于巷道圍巖受采動的原因，巷道礦壓顯現(xiàn)極其明顯，造成巷道斷面嚴重變形，出現(xiàn)頂板破碎、垮落、兩幫及頂?shù)装逦灰屏看蟮默F(xiàn)象，部分巷道斷面收縮率達到60%以上甚至閉口，給通風(fēng)、行人及安全造成重大影響。

2）平硐井區(qū)巷道失修嚴重，主干巷道尤為明顯，巷道破壞表現(xiàn)具有顯著的高應(yīng)力軟巖特性，圍巖松散破碎，而且受歷史條件及支護手段限制，造成支護方式與圍巖條件不相適應(yīng)。

3）采用錨網(wǎng)噴、U 型鋼可縮性支架等支護形式對巷道進行多次翻修，均未達到理想效果。

現(xiàn)以2105 軌道石門為例進行簡要介紹，該巷位于+1 547 m 水平，埋深153 m，長度約為520 m，巖性為泥質(zhì)細粉砂巖，傾斜上方分別有210706 采空區(qū)、211106 回采工作面、2105 回風(fēng)石門、2105 運輸石門，受采動影響，礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道底鼓嚴重，由于水溝不暢局部地點巷道積水，受裂隙影響，2105 回風(fēng)石門積水沿著圍巖裂隙進入該巷，造成局部頂板淋水，如圖3 所示。該巷目前采用斷面積13.9 m2（29 kg/m）U 型棚進行支護，頂幫用鋼筋網(wǎng)、鐵絲網(wǎng)及鐵背板穿嚴接實，棚距700 mm，施工方法采用風(fēng)鎬配合手鎬進行施工，排矸方式為人工裝矸上礦車進行出矸，每月進度20 m，施工緩慢。

圖3 汪家寨煤礦2105 軌道石門巷道現(xiàn)狀Fig.3 Current status of Shimen roadway of 2105 track in Wangjiazhai Coal Mine

1.3 “三軟”煤層等軟巖巷道

軟巖支護是當前巷道支護的普遍性難題，“三軟”煤層巷道支護尤其突出。據(jù)統(tǒng)計，在我國“三軟”煤層開采中，每年因頂板事故死亡的人數(shù)占煤礦事故的45%左右，其中工作面頂板事故占70%～80%。課題組對火鋪、金佳等該類條件的32 個煤礦相關(guān)巷道進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各個礦區(qū)均對“三軟”煤層綜合機械化開采進行積極的嘗試與探索，如盤江精煤股份有限公司火鋪礦對其“三軟”煤層-17號煤層工作面的ZY3800/15/33 支架進行改進，力圖解決“三軟”煤層液壓支架埋頭的問題；六盤水恒鼎實業(yè)有限公司積極總結(jié)洪興煤礦111703 綜采工作面的開采經(jīng)驗，改進“三軟”煤層生產(chǎn)工藝，使得111703 工作面的月推進度顯著提高。但是由于生產(chǎn)礦井長期以來缺乏對“三軟”煤層圍巖力學(xué)性狀、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及覆巖移動特征的探索，面臨的主要技術(shù)難點在于：

1）該類巷道底板黏土礦物質(zhì)量分數(shù)59%～85.69%，其中伊/蒙間層礦物（I/S）質(zhì)量分數(shù)65%～92%，頂?shù)装鍘r性為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖，部分為煤，遇水易軟化、膨脹和泥化，圍巖可錨性、穩(wěn)定性差，常規(guī)錨桿（索）等主動支護方式在極軟弱和破碎圍巖條件下其可錨性較差，無法提供有效的約束力，如圖4所示。2）采用架棚、液壓支柱等被動支護措施，而由于

圖4 鉆孔受水及巖性的影響變化示意Fig.4 Variation diagram of borehole affect by water and lithology

“三軟”煤層底板軟弱，U 型棚以及液壓支柱在支承壓力作用下被壓入軟弱底板，不僅無法提供有效的支撐力，而且嚴重影響工作面的推進速度。因此，以目前的支護手段仍舊無法對“三軟”煤層采動巷道圍巖進行有效控制，亟需綜合采用新的支護手段、工藝與材料方能以解決“三軟”煤層采動巷道圍巖控制困難問題。

3）“三軟”煤層覆巖移動規(guī)律尚未完全掌握，其覆巖移動規(guī)律與非“三軟”煤層覆巖移動規(guī)律存在一定差異；破碎圍巖條件下支架-圍巖關(guān)系不明確，“三軟”煤層采場圍巖力學(xué)性狀較為特殊。

綜合分析可知，采用架棚、單體液壓支柱等被動支護措施，而由于“三軟”煤層底板軟弱，U 型棚以及液壓支柱在支承壓力作用下被壓入軟弱底板，不僅無法提供有效的支撐力，而且導(dǎo)致巷道兩幫和頂板進一步變形破壞，易出現(xiàn)底鼓、頂?shù)缀蛢蓭痛笞冃?，支架扭曲變形、“U”卡崩壞和出現(xiàn)尖頂?shù)绕茐淖冃吻闆r（圖5）。

圖5 巷道圍巖變形及圍巖巖性情況Fig.5 Deformation of surrounding rock and lithology of surrounding rock

2 現(xiàn)有巷道圍巖控制技術(shù)及原理

巷道在開挖后，原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，圍巖應(yīng)力重新分布，受采動應(yīng)力的影響，巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，超過圍巖的承載能力，引起巷道圍巖的變形破壞，形成了破碎區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)3 個較為明顯的分區(qū)破壞[24-25]，同時巷道圍巖變形具有流變與擴容特征，持續(xù)弱化圍巖承載能力降低，圍巖體變形加劇，嚴重影響深部巷道圍巖的長期穩(wěn)定?？导t普院士按照圍巖控制部位和原理將支護類型分為5 種，分別是巷道圍巖表面支護型、巷道圍巖錨固型、巷道圍巖改性型、巷道圍巖卸壓型及聯(lián)合控制型[26]。

從形式上，我國現(xiàn)有的支護主要劃分為被動支護型和主動支護型2 種，被動支護型主要采用支架、噴射混凝土、砌碹等巷道表面支護方式，都是靠支護本身的強度、剛度來支撐圍巖體；主動支護型主要采用錨固技術(shù)、圍巖注漿改性及卸壓技術(shù)等當中的一種或多種相互組合等巷道內(nèi)部支護形式，通過對圍巖體強度的改變，使圍巖體自身對圍巖進行支撐，強化圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖承載能力。從圍巖控制原理劃分為加固和應(yīng)力控制2 大類，加固主要是給巷道表面提供約束，以及錨網(wǎng)、注漿加固等提高圍巖強度、剛度、完整性和穩(wěn)定性的支護加固法。應(yīng)力控制主要是通過卸壓等手段降低圍巖應(yīng)力、轉(zhuǎn)移圍巖高應(yīng)力、均勻化圍巖應(yīng)力避免出現(xiàn)過高集中應(yīng)力、降低圍巖偏應(yīng)力和應(yīng)力梯度等?，F(xiàn)分別簡單總結(jié)如下：

2.1 巷道表面支護（被動支護）

對巷道表面施加約束力來控制圍巖變形，主要有支架、砌碹及噴射混凝土等支護方式，如圖6 所示。主要是依靠支護本身的強度、剛度來支撐圍巖體，在開采階段初期可以很好地解決支護難題，但沒有最大程度地調(diào)動巷道圍巖的自承載能力，隨著時間的推移，破壞后難以修復(fù)進行二次利用，且支護成本較高、工人勞動強度較大，且架棚支護強度有限，無法完全控制巷道圍巖變形。

圖6 巷道表面支護方式Fig.6 Roadway surface support mode

2.2 巷道圍巖內(nèi)部支護（主動支護）

注漿加固主要是通過注漿管將漿液擴散到加固區(qū)域，經(jīng)過滲透→充填膠結(jié)→壓密充實→凝結(jié)固化的過程，從而恢復(fù)圍巖完整性，使錨桿錨索施加的預(yù)應(yīng)力能有效傳導(dǎo)和擴散，形成有效的支護應(yīng)力場，起到支護作用。錨桿錨索支護主要是通過打設(shè)錨桿（索）壓緊錨固區(qū)圍巖，改善巷道圍巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)，在淺部圍巖形成一個“加固拱”，發(fā)揮圍巖自身承載能力，保證巷道圍巖穩(wěn)定，如圖7 所示。但若巷道覆巖中含有大量易膨脹的黏土礦物的松、散、軟、弱巖層，錨桿、錨索的可錨性大大降低，無法有效調(diào)動巷道圍巖深部自身強度，從而限制了錨桿、錨索等主動支護手段在松軟破碎圍巖巷道的應(yīng)用。

圖7 錨注加固示意Fig.7 Schematic of anchor reinforcement

2.3 卸壓支護（應(yīng)力控制）

主要采用卸壓（爆破、切頂、鉆孔、水力壓裂等）來改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，降低或轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中區(qū)域，如圖8a 所示。通過卸壓技術(shù)，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，使應(yīng)力集中的彈性區(qū)轉(zhuǎn)移到圍巖更深處，降低淺部圍巖應(yīng)力集中區(qū)域，起到了較好的控制作用，如圖8b 所示。

圖8 卸壓方式及原理示意Fig.8 Schematic of pressure relief mode and principle

2.4 聯(lián)合支護（主動+被動）

針對難支護巷道，目前大部分礦井巷道治理基本上采取聯(lián)合控制方式，主要是主動支護方式結(jié)合被動支護方式，如U 型鋼棚＋噴漿、錨網(wǎng)索等聯(lián)合支護方式，錨桿、錨網(wǎng)索及注漿不適應(yīng)現(xiàn)場地質(zhì)條件的情況下，采取U 型鋼棚支護，彌補了錨桿、錨網(wǎng)索及注漿支護的缺點，一定程度上保證現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需要，延長了巷道變形破壞周期，但在后期維修時影響較大。

3 再造高強度承載結(jié)構(gòu)支護技術(shù)思路

3.1 研究思路的提出

根據(jù)上述分析，部分難支護巷道采用現(xiàn)有的支護理論及技術(shù)不能徹底解決巷道圍巖大變形的問題。現(xiàn)有支護技術(shù)原理不論是主動支護還是被動支護，其目的都是為了給開挖造成的應(yīng)力環(huán)境變化提供一個抵抗變形的約束力，擠壓錨固區(qū)內(nèi)圍巖，提高其物理力學(xué)性能，在圍巖表面或者淺部形成一個具有自身承載能力的“加固拱”結(jié)構(gòu)，讓這個結(jié)構(gòu)具備抵抗變形的能力，從而保證巷道圍巖穩(wěn)定。但U 型鋼等支護形式存在的缺點是單點受力，沒有整體承載，雖然其材料強度足夠高，但是受力條件不好，容易變形；而錨網(wǎng)索支護等經(jīng)過多年的研究和工程實踐證明具有較好的支護作用，但錨網(wǎng)索等主動支護施工質(zhì)量是關(guān)鍵，由于錨網(wǎng)索支護是“隱蔽工程”，加上工人素質(zhì)參差不齊，無法確保其施工質(zhì)量，因而無法保證支護強度和支護效果。筆者正是基于這個觀點和現(xiàn)實工程問題，結(jié)合主被動支護特征，提出系列再造承載結(jié)構(gòu)快速支護成巷技術(shù)和工藝，重新構(gòu)建的“加固拱”結(jié)構(gòu)，依靠再造承載結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整體承載，整體抵抗變形，從根本上實現(xiàn)對圍巖“徹底改性”，達到再造承載結(jié)構(gòu)與圍巖體強度、剛度的可適性，提高巷道整體穩(wěn)定性。主要從以下3 個方面進行研究。

1）基礎(chǔ)理論研究：研究煤層開采后采動空間圍巖應(yīng)力分布、承載結(jié)構(gòu)、巖體損傷的突變特征；建立巷道高強度再造承載結(jié)構(gòu)拱力學(xué)模型，揭示巷道圍巖-支護結(jié)構(gòu)的耦合效應(yīng)，形成巷道再造承載體圍巖結(jié)構(gòu)失效判別的新方法，確定受采動影響下高強度承載結(jié)構(gòu)厚度、強度及結(jié)構(gòu)。

2）工藝和技術(shù)：針對煤礦巷道掘進和返修過程效率低，安全性不高等問題，研究煤礦巷道快速成巷（掘進和支護）關(guān)鍵技術(shù)和工藝。

3）材料和裝備：研發(fā)輕質(zhì)高強新材料，高效快速的施工機具和裝備。通過上述研究，形成集理論、技術(shù)、工藝、材料和自動化裝備于一體的成套技術(shù)。

通過再造承載結(jié)構(gòu)將整條巷道構(gòu)建成一個具有高強度承載能力的結(jié)構(gòu)體，承載結(jié)構(gòu)整體受力，發(fā)揮再造巖體自身承載能力和圍巖整體抗變形能力，保證巷道正常使用，為煤礦巷道支護提供參考。

3.2 巷道高強度承載結(jié)構(gòu)再造方法

1）模板臺車澆筑成型（圖9）。借鑒隧道支護方法，針對煤礦巷道支護特點和空間特征，研究煤礦巷道模板臺車，研發(fā)高韌性高強度的支護材料進行壁后充填，在圍巖表面形成高強度可讓壓的再造承載結(jié)構(gòu)，根據(jù)礦壓大小考慮是否需要結(jié)合錨桿（索）支護，實現(xiàn)安全高效支護。

圖9 研發(fā)的煤礦井下用模板臺車Fig.9 Developed formwork trolley for underground coal mines

2）裝配式預(yù)制件快速支護。在研發(fā)高強度高韌性支護材料的基礎(chǔ)上，借鑒建筑上的裝配式建筑思路，將支護材料做成預(yù)制結(jié)構(gòu)（圖10），在井下進行安裝，利用傳統(tǒng)的榫卯結(jié)構(gòu)和自鎖原理，形成具有高強承載能力的承載結(jié)構(gòu)，結(jié)合錨桿（索）支護，實現(xiàn)快速支護。

圖10 支護材料預(yù)制結(jié)構(gòu)Fig.10 Prefabricated structure of supporting material

3）堆噴快速支護。研發(fā)高強度、高韌性和高黏結(jié)能力的新型材料，采用噴射混凝土的方式進行堆噴，如圖11 所示，在巷道圍巖表面形成一層高性能的承載結(jié)構(gòu)，具備高承載能力，再根據(jù)礦壓大小和巷道變形破壞因素，結(jié)合錨桿（索）支護和注漿加固等實現(xiàn)快速、安全和有效支護。

圖11 實驗室堆噴試驗Fig.11 Laboratory reactor spray test

4 井下工業(yè)性試驗及效果分析

4.1 工程背景

龍寶煤礦11205 運輸下山布置在C12 煤層中，平均厚度2.18 m，巷道頂板為粉砂巖，底板為粉砂質(zhì)泥巖，由于巷道布置在煤層中，在水平應(yīng)力作用下，兩幫巷道變形大，每個月的巷道兩幫移近量達到600 mm。

1）巷道原支護方案與狀況。 11205 運輸下山巷原設(shè)計斷面為矩形，巷道斷面凈寬4 200 mm，中高2 700 mm。巷道原支護采用錨桿（索）+鐵絲網(wǎng)+鋼帶聯(lián)合支護，支護設(shè)計如圖12 所示。錨桿間排距800 mm×800 mm，頂錨桿使用?20 mm×2 500 mm 的螺紋鋼筋錨桿，兩幫采用?20 mm×2 000 mm 的樹脂錨桿，錨桿托盤規(guī)格為：150 mm×150 mm×10 mm（厚）；錨索間排距1 600 mm×1 600 mm，每向前掘進1.6 m 打2 根錨索加強支護，錨索規(guī)格為?17.8 mm×7 200 mm，錨索托盤采用300 mm×300 mm×15 mm（厚）的托盤。采用上述支護后，巷道仍出現(xiàn)劇烈變形，主要表現(xiàn)為巷幫大變形，兩幫每月收縮400～600 mm。

圖12 原巷道支護布置Fig.12 Original roadway support arrangement

2）巷道變形破壞原因分析。①巷道沿煤層布置，煤堅固性系數(shù)為0.6，穩(wěn)定性差，巷道水平應(yīng)力占主導(dǎo)，受到強烈水平應(yīng)力擠壓而產(chǎn)生變形破壞。②巷道頂板較好，但是巷道布置在煤層中，煤層軟弱，沒有較好的承載能力，在水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力作用下，巷道兩幫破碎區(qū)擴大錨桿錨索難以發(fā)揮有效支護作用。③巷道圍巖錨固力低及注漿加固效果有限。由于圍巖松軟破碎，造成鉆孔塌孔嚴重，導(dǎo)致錨桿預(yù)緊力不能得到有效擴散、錨桿錨固力較低，支護強度不夠，嚴重影響巷道支護效果。

4.2 圍巖控制方法確定

針對11205 運輸下山巷道變形嚴重問題，采用現(xiàn)有型鋼和錨網(wǎng)索等支護手段難以取得較好的支護效果。采用井下實測、理論計算和數(shù)值計算等研究方法，結(jié)合加固拱、卸壓支護等理論和技術(shù)，研究巷道整體結(jié)構(gòu)受力特征及破壞規(guī)律，研發(fā)出充填新材料，提出墻體置換再造承載結(jié)構(gòu)快速支護技術(shù)，即對兩幫軟弱煤體進行一定厚度的置換，如圖13 所示，在巷道兩幫置換掉原來的軟弱巖體，再造一定厚度的高強度充填墻，使頂板、兩幫和底板形成一個閉合的完整結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮承載結(jié)構(gòu)的自身承載能力，抵抗圍巖壓力，同時，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，結(jié)合理論分析在再造結(jié)構(gòu)與圍巖之間預(yù)留一定寬度作為卸壓區(qū)，來達到減緩水平應(yīng)力作用。

圖13 巷幫置換支護結(jié)構(gòu)示意Fig.13 Schematic of roadway gang replacement support structure

4.3 巷旁充填墻承載力學(xué)模型建立

為便于實際工程應(yīng)用中計算巷旁充填墻承載能力，開展理論分析，如圖14a 所示，x為充填墻到圍巖的距離，H為矩形巷道埋深， γ為上覆巖層容重，在巷道兩側(cè)建立巷旁充填墻，l1為墻體厚度，h為高度，l2為巷旁充填墻與巷幫距離。

圖14 巷旁充填墻承載力學(xué)簡化模型Fig.14 Simplified model of bearing mechanics of roadside backfill wall

如圖14a 所示，該模型為對稱模型，選取圖14a中模型左邊一半作為研究對象，進行受力分析，將該模型簡化為梁模型，以巷道左上角為梁的支點，梁受垂直向下的力，為上覆巖層重力 γH，而施工的巷旁充填墻提供向上的支撐力，如圖14b 所示。

根據(jù)力矩平衡可得，上覆巖層產(chǎn)生的力矩與巷旁充填墻產(chǎn)生的力矩平衡，從而使整體保證力學(xué)平衡。根據(jù)圖14b，由上覆巖層產(chǎn)生向下的力矩MM可表示為

根據(jù)圖14c，墻體的支撐力q所形成向上力矩MZ可表示為

可得巷旁充填墻所須提供的支撐力q為

根據(jù)巷旁充填墻、巷道的幾何參數(shù)及上覆巖層容重，結(jié)合式（5）可快速得到巷旁充填墻的最小強度q。根據(jù)煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法(GB/T 23561.2—2009)，在現(xiàn)場取芯、切割、打磨至光滑，然后在實驗室進行單軸壓縮試驗得到相關(guān)力學(xué)參數(shù)，見表1，由上述計算公式，得到q值為39.78 MPa。因此，根據(jù)理論分析結(jié)果當巷旁充填墻體支撐能力達到39.78 MPa，能夠控制巷道圍巖變形，并保證巷旁充填墻體不被破壞。

表1 巖土體和巷旁充填墻的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock and soil mass and roadside backfill wall

4.4 數(shù)值模擬分析

4.4.1 數(shù)值模擬計算模型建立

選取龍寶煤礦11205 運輸下山作為研究對象，11205 運輸下山上覆巖層厚度H為418 m，巷道高度h為2.8 m。邊寬l2、巷旁充填墻厚度l1及巷道一半W/2 的總和為3.7 m。工程應(yīng)用中需要確定合理巷旁充填墻的厚度l1，墻體越厚，則其提供的支護強度越大，而經(jīng)濟上不合理；如果巷旁充填墻厚度l1偏小，則巷道有可能會坍塌（數(shù)值模擬表現(xiàn)為計算結(jié)果不收斂）。因此確定滿足工程穩(wěn)定的巷旁充填墻的最小厚度是本次數(shù)值模擬計算的目標。根據(jù)工程實際要求，該數(shù)值模擬計算優(yōu)化目標函數(shù)及約束條件可表示為

為確定合理的巷旁充填墻、邊寬幾何參數(shù)，本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件開展數(shù)值模擬計算，根據(jù)工程實踐，建立FLAC3D數(shù)值模擬計算模型，圖15 給出了FLAC3D數(shù)值模擬計算模型建立過程，選取模型一半（圖15a）開展數(shù)值模擬計算，數(shù)值模擬計算邊界條件如圖15b 所示。

圖15 FLAC3D 數(shù)值模擬計算模型Fig.15 FLAC3D numerical simulation model

數(shù)值模擬計算采用的模型為Mohr-Coloumb 模型，巖土體和巷旁充填墻的力學(xué)參數(shù)見表1。

為實現(xiàn)巷道穩(wěn)定前提條件下（FLAC3D中認為數(shù)值模擬計算模型的最大不平衡比率小于10-5時，則認為該模型穩(wěn)定），滿足約束條件（式（1）），求得巷旁充填墻最小厚度l1，采用Python 編程語言結(jié)合優(yōu)化算法與FLAC3D數(shù)組模擬計算軟件，根據(jù)數(shù)值模擬計算模型收斂狀態(tài)及目標函數(shù)，基于優(yōu)化算法不斷調(diào)整巷旁充填墻幾何參數(shù)。數(shù)值模擬計算過程中計算模型的最大不平衡比率小于10-5時，則巷旁充填墻對巷道進行了有效支護，巷道將處于穩(wěn)定狀態(tài)，否則認為巷旁充填墻支護失敗，巷道垮塌。數(shù)值模擬計算過程中運行步數(shù)為70 000 步，確保數(shù)值模擬充分計算。采用飛蛾火焰優(yōu)化算法確定合理巷旁充填墻厚度，該算法具有超參數(shù)少，計算收斂快的特點。

4.4.2 飛蛾火焰優(yōu)化算法

飛蛾火焰優(yōu)化算法（moth-flame optimization algorithm, MFO）[27-28]是 由Seyedali Mirjalili 在2015年提出，是一種新穎的群體智能算法，該算法由飛蛾和火焰2 部分構(gòu)成，通過定位導(dǎo)航機制來解決探索和尋優(yōu)之間的平衡問題。飛蛾火焰優(yōu)化算法具有參數(shù)簡單、容易實現(xiàn)、魯棒性好等優(yōu)點，因此該算法自提出以來，便收到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在各領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

在飛蛾火焰算法中，每一個飛蛾有一組最優(yōu)的參數(shù)，而飛蛾的位置是由最優(yōu)參數(shù)確定的，同時飛蛾的位置根據(jù)其相應(yīng)的適應(yīng)值進行排序，最優(yōu)的位置則求解問題的最優(yōu)解。

在飛蛾火焰優(yōu)化算法中，飛蛾的位置是由優(yōu)化參數(shù)確定，求解問題的維數(shù)就是變量的個數(shù)，其中飛蛾的位置矩陣可表示為

式中：n為飛蛾的數(shù)量（種群大小）；d為變量的數(shù)量。飛蛾對應(yīng)位置的適應(yīng)度可根據(jù)目標函數(shù)計算得到，飛蛾位置適應(yīng)度矩陣可表示為：

在飛蛾火焰算法中，每一個飛蛾對應(yīng)一個火焰位置，飛蛾最新的位置會根據(jù)火焰的位置更新，一旦最新最合適的火焰位置發(fā)現(xiàn)時，此時最新的火焰位置可表示為

飛蛾火焰算法的具體流程可描述為

步驟1：初始化飛蛾種群個數(shù)及最大迭代次數(shù)，本文中飛蛾的數(shù)量為50，最大迭代次數(shù)為100。

步驟2：確定變量的上限及下限，基于變量上限及下限，產(chǎn)生初始解。

步驟3：計算飛蛾對應(yīng)位置的適應(yīng)度，作為初始火焰的適應(yīng)值。

步驟4：根據(jù)式（22）更新飛蛾的位置，計算飛蛾位置的適應(yīng)度，當找到更好的位置時，將該位置作為火焰的位置。

步驟5：根據(jù)下式減少火焰的數(shù)量，有助于提高飛蛾火焰算法局部搜索能力：

式中：N為火焰位置數(shù)量的最大值；I為當前的迭代次數(shù)；T為最大的迭代次數(shù)。

步驟6：當終止條件達到時，則停止計算，進入步驟7；否則進入步驟4。

步驟7：結(jié)束。

飛蛾優(yōu)化算法具有超參數(shù)少、收斂速度較快的特點，因此本文中采用飛蛾火焰優(yōu)化算法確定巷道巷旁充填墻的最優(yōu)幾何參數(shù)。

為便于實現(xiàn)飛蛾火焰優(yōu)化算法實現(xiàn)巷旁充填墻幾何參數(shù)優(yōu)化，給出了具體的實現(xiàn)過程，如圖16所示。

圖16 飛蛾火焰優(yōu)化算法實現(xiàn)巷旁充填墻幾何參數(shù)優(yōu)化流程Fig.16 Flow chart of moth flame optimization algorithm to optimize geometric parameters of roadside filling wall

根據(jù)上述數(shù)值模擬計算流程，編寫Python 程序，實現(xiàn)FLAC3D數(shù)值模擬計算機飛蛾火焰優(yōu)化算法結(jié)合。

4.4.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

通過飛蛾火焰優(yōu)化算法100 次迭代后，得到邊寬l2為0.49 m，巷旁充填墻厚度l1為1.45 m。得到的最優(yōu)巷旁充填墻幾何參數(shù)滿足約束條件，同時圖17 給出了巷旁充填墻垂直方向的應(yīng)力分布。

圖17 巷旁充填墻應(yīng)力分布情況（l2=0.49 m，l1=1.45 m）Fig.17 Stress distribution of roadside backfill wall(L2=0.49 m, l1=1.45 m)

分析圖18 可知，在巷旁充填墻右上端出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且巷旁充填墻的承載應(yīng)力為30～36.098 MPa。為進一步確定巷旁充填墻最大壓應(yīng)力，編寫FISH 語言，獲取巷旁充填墻最大壓應(yīng)力為36.098 MPa，數(shù)值模擬計算結(jié)果（36.098 MPa）與理論計算結(jié)果（39.78 MPa）吻合較好，且兩者之間的誤差為9.25%，該誤差在可接受的范圍之內(nèi)。

圖18 巷旁充填墻位移Fig.18 Displacement of roadside filling wall

為了進一步監(jiān)測巷旁充填墻支護后，巷道頂?shù)装遄冃瘟?，在巷道布置? 個監(jiān)測點，如圖19a 所示。其中p1、p2 點與巷道邊界距離為0.245 m（巷旁充填墻左邊界與巷道邊界中間），p3、p4 則布置在巷道中間位置。

圖19 數(shù)值模擬監(jiān)測點布置Fig.19 Numerical simulation of arrangement of monitoring points

通過計算得到監(jiān)測點p1、p2、p3 及p4 位移，如圖19 所示，其中p1 和p3 點變形較為接近，均為25 mm 左右，其中p3 點位移稍大。而底板監(jiān)測點p2和p4 變形量較小，其中又以p4 點位移量較大，最大位移為10 mm 左右，而p2 點最大位移為5 mm 左右。通過數(shù)值模擬試驗可得，采用該巷旁充填墻幾何參數(shù)，巷道頂?shù)装遄冃屋^小，且變形范圍在工程實踐中是可以接受的。因此，說明當巷旁充填墻承載能力達到36.098 MPa 時，通過采用巷旁充填墻體置換破碎圍巖巷幫，能夠有效控制破碎圍巖巷道的變形。

4.5 充填材料研發(fā)

巷道處于高應(yīng)力下且圍巖較為松軟，易造成巷道墻體大變形且圍巖破碎嚴重，故團隊研發(fā)了一種低成本、凝結(jié)時間短、塑性較好且承載強度較高的新材料，在破碎圍巖巷道巷旁構(gòu)建再造高強承載結(jié)構(gòu)為充填墻。

材料主要以硫鋁酸鹽水泥、石膏及石灰為主，主要有A 料、B 料2 部分，分別加入1.5∶1 的水料比進行混合攪拌，如圖20 所示，分別對A 料、B 料進行單漿攪拌不凝固，兩者混合后，A 料和B 料迅速發(fā)生反應(yīng)并凝固，分別進行1 d、3 d、7 d 及15 d 的標準養(yǎng)護，進行單軸抗壓強度測試，發(fā)現(xiàn)充填墻材料在標準養(yǎng)護7 d 后，強度達到12 MPa 左右，呈現(xiàn)出明顯的塑性變形特征，可以維持較高的殘余強度，可以從根本上滿足巷道巷旁充填墻承載結(jié)構(gòu)支護的要求。

4.6 巷旁充填墻支護工藝

根據(jù)數(shù)值模擬和理論計算分析，得到充填后方卸壓區(qū)預(yù)留寬度490 mm，充填體寬度1 450 mm，再造承載結(jié)構(gòu)支護如圖21 所示。

圖21 巷道支護斷面Fig.21 Section of entry support

1）施工頂板錨桿，確保巷道擴刷安全。頂板采用錨桿支護，錨桿使用?20 mm×2 500 mm 螺紋鋼錨桿，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，間排距800 mm×800 mm。錨索規(guī)格為?17.8 mm×7 200 mm，錨索托盤規(guī)格300 mm×300 mm×15 mm，間排距1 600 mm×1 600 mm。

2）將兩幫松軟圍巖擴刷到設(shè)計范圍，預(yù)留出充填和卸壓位置。

3）立模進行充填。將充填袋吊掛在設(shè)計充填位置，以鋼筋網(wǎng)連接并穿上對拉錨桿，打牢單體液壓支柱進行約束。

4）充填材料按設(shè)計比例加水進行攪拌，利用管道輸送到充填袋，漿液反應(yīng)完后形成墻體，與巷道頂板和底板重新形成一個完整的承載結(jié)構(gòu)。

4.7 現(xiàn)場控制效果分析

11205 運輸下山充填支護承載結(jié)構(gòu)工程于2021年1 月實施，至今已經(jīng)將近3 年時間（圖22）。為驗證再造承載結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，對該再造承載結(jié)構(gòu)工程進行了相關(guān)的監(jiān)測工作，采用了常規(guī)的監(jiān)測方式對圍巖的收斂進行定期測量。根據(jù)現(xiàn)場情況，一共進行了4 個測點（p1，p2，p3，p4）的監(jiān)測，求其平均值得到最終的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖23 所示。

圖22 充填支護效果Fig.22 Effect of backfill support

從圖23 中可以看到，巷旁充填墻再造承載結(jié)構(gòu)支護后的巷道經(jīng)過120 d 的監(jiān)測后，總體變形經(jīng)歷了加速期、減速期及穩(wěn)定期，其監(jiān)測斷面的收斂速率基本都小于0.2 mm/d，表面圍巖變形進入了減速階段，且各收斂速率具有隨著監(jiān)測時間的增長而減小的趨勢并趨于穩(wěn)定，有利于巷道的較長時期的穩(wěn)定。對比數(shù)值模擬實驗發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測點p1、p3 出均出現(xiàn)較大的變形，且數(shù)值模擬試驗結(jié)果（25 mm）與工程實踐監(jiān)測（20 mm）結(jié)果較為吻合，其次p2 點位移較大，而p4點位移最小。數(shù)值模擬實驗結(jié)果與工程實踐監(jiān)測變形在同一數(shù)量級，且最大變形量值較為接近，變化趨勢兩者均吻合，表明數(shù)值模擬實驗的合理性及有效性。

5 結(jié) 論

1）在復(fù)雜地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)支護理論與技術(shù)難以根本克服巷道圍巖大變形問題。針對巷道多樣變形破壞機制，深入分析現(xiàn)有技術(shù)原理，創(chuàng)新提出系列再造承載結(jié)構(gòu)拱支護技術(shù)與工藝體系，結(jié)合主被動支護原理，利用再造承載結(jié)構(gòu)拱技術(shù)，構(gòu)建具有高強承載能力的結(jié)構(gòu)體，從整體上調(diào)動圍巖體的自身承載能力與圍巖整體抗變形能力，發(fā)揮整體承載和整體抵抗變形的能力，保證巷道正常使用，為復(fù)雜條件下煤礦巷道支護提供參考。

2）以龍寶煤礦為研究對象，通過調(diào)研分析了巷道圍巖大變形、支護構(gòu)件失效的原因，采用Python腳本編程語言實現(xiàn)對FLAC3D數(shù)值模擬計算軟件的控制，結(jié)合飛蛾火焰優(yōu)化算法、巷旁充填墻優(yōu)化目標函數(shù)及FLAC3D數(shù)值模擬計算，確定巷旁充填墻幾何最優(yōu)參數(shù)（邊寬0.49 m，巷旁充填墻厚度1.45 m），在確保巷道穩(wěn)定的前提下，獲取最優(yōu)的巷旁充填墻位置及巷旁充填墻厚度。

3）推導(dǎo)了巷旁充填墻承重強度公式，結(jié)合龍寶煤礦11205 運輸下山施工，計算得到巷旁充填墻承載強度q值為39.78 MPa，這與數(shù)值模擬計算結(jié)果（36.098 MPa）吻合較好，且兩者之間的誤差為9.25%，該誤差在可接受的范圍之內(nèi)。

4）基于研究成果確定對龍寶煤礦軟弱圍巖通過再造高強度墻體進行置換，井下工業(yè)實驗表明，充填墻再造承載結(jié)構(gòu)支護后的巷道經(jīng) 過120 d 的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，總體變形經(jīng)歷了加速期、減速期及穩(wěn)定期，其監(jiān)測斷面的收斂速率基本都小于0.2 mm/d，無明顯變形，驗證了支護的有效性及合理性。

6 展 望

在工程實際中，應(yīng)根據(jù)不同巷道圍巖破壞特征，結(jié)合高強度高韌性充填新材料開發(fā)不同形式的再造承載結(jié)構(gòu)快速成巷技術(shù)還需繼續(xù)深入研究和驗證。其中充填材料及設(shè)備還有提高的空間，再造承載結(jié)構(gòu)與圍巖體強度、剛度的可適性及有效性還需進一步優(yōu)化，同時需不斷補充高精度、多源化的礦壓監(jiān)測，從而形成巷道再造承載體圍巖結(jié)構(gòu)失效判別的新方法，為形成一套集技術(shù)、工藝、材料到裝備制造的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)體系進一步豐富和完善，則有望解決深部煤礦巷道松軟巖層的穩(wěn)定控制技術(shù)難題，提高煤礦巷道整體穩(wěn)定性，主要包括以下方面：

1）多次沖擊荷載作用下巷道圍巖變形破壞機理研究?；趪鷰r基本物理力學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)上，研究多次沖擊荷載的特點，包括沖擊荷載的大小、頻率、沖擊形式等因素，研究多次沖擊荷載下巷道圍巖的變形規(guī)律以及不同沖擊荷載作用下圍巖的變形特征。

2）多次沖擊荷載下巷道穩(wěn)定性評價及預(yù)測方法研究。通過基本物理力學(xué)試驗、現(xiàn)場實測以及數(shù)值模擬的分析，在探究圍巖變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，進一步評價多次沖擊荷載下巷道的穩(wěn)定性。主要是對巷道變形和破壞的臨界條件進行研究，考慮不同沖擊荷載條件下的巷道穩(wěn)定性，研究巷道圍巖、支護結(jié)構(gòu)等因素對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，通過穩(wěn)定性評價，提出預(yù)測模型及方法，與現(xiàn)場實測進行對比分析，驗證預(yù)測模型的準確性。

3）巷道再造承載結(jié)構(gòu)與圍巖、注漿加固、錨網(wǎng)索支護等組合條件下的耦合機理和協(xié)同支護效果還需進一步研究。進一步研究再造承載結(jié)構(gòu)力學(xué)模型與搭建實驗室模擬試驗平臺，開展等比例再造承載結(jié)構(gòu)相似模擬試驗，分析巷道圍巖-支護結(jié)構(gòu)的耦合效應(yīng)，形成巷道再造承載結(jié)構(gòu)圍巖結(jié)構(gòu)失效判別的新方法；研究再造承載拱強度和剛度隨時間變化規(guī)律、再造承載拱與圍巖體剛度的可適性及有效性。

4）進一步研發(fā)低成本、更加高強輕質(zhì)的新型支護材料。同時考慮到井下巷道空間狹小、機械設(shè)備較多的現(xiàn)實情況，研發(fā)噴射等更加簡單的施工工藝，研制更加實用的施工裝備。解決再造結(jié)構(gòu)在邊界不變化的規(guī)則幾何截面下的快速、高效率的施工，提高施工經(jīng)濟性和安全性，實現(xiàn)各個工序之間的平行問題，實現(xiàn)快速成巷。本文只提出了一些思路，所做工作也還需進一步加強，因此難免有考慮不全和不妥之處，還請大家多多包含并給予批評指正為謝！