高應(yīng)力軟巖條件下巷道支護(hù)失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)定性控制

策略分析

吳振芳

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司（山西.沁水）048200

摘要：本文將玉溪煤礦中央輔運(yùn)大巷出現(xiàn)的嚴(yán)重變形破壞問題作為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場勘查及分析的方式，對(duì)巷道變形破壞特征及具體機(jī)理進(jìn)行了深入分析，得到了巷道總體的埋深較大、巷道松動(dòng)圈范圍較大、巷道圍巖性質(zhì)影響、巷道原支護(hù)方式的影響、地下水影響明顯等因素是導(dǎo)致巷道出現(xiàn)較大變形破壞的原因。結(jié)合深部巷道圍巖支護(hù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用了“錨網(wǎng)索+U型鋼閉合環(huán)+底板注漿”聯(lián)合支護(hù)方案，從現(xiàn)場勘查情況來看，新返修支護(hù)方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道圍巖變形的有效控制，對(duì)類似巷道的支護(hù)有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高應(yīng)力軟巖；巷道支護(hù)；失穩(wěn)機(jī)理；穩(wěn)定性控制

1、工程概況

玉溪煤礦1盤區(qū)中央輔運(yùn)大巷承擔(dān)本礦井的運(yùn)輸任務(wù)，設(shè)計(jì)長度為1560m，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為40.1a，埋深在433.9-883.3m之間，平均埋深659m，所在層位主要為粉砂巖，巷道圍巖裂隙發(fā)育較為明顯，含有鈣質(zhì)結(jié)核、黃鐵礦，同時(shí)有厚度為0.25m左右的泥巖夾矸，容易破碎。巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)采用的是錨梁網(wǎng)索支護(hù)，具體見圖1所示。巷道在支護(hù)之后，圍巖出現(xiàn)了嚴(yán)重的明顯破壞，先后進(jìn)行了三次拓幫挑底作業(yè)，但是仍舊不能滿足巷道正常使用需求，給礦井生產(chǎn)的連續(xù)性、安全性帶來了較大的影響。

圖1 中央輔運(yùn)大巷原支護(hù)設(shè)計(jì)圖

Fig. 1 Design drawing of original support for North track roadway

2、中央輔運(yùn)大巷變形破壞特征及機(jī)理分析

為準(zhǔn)確掌握中央輔運(yùn)大巷變形破壞特征，采取針對(duì)性的圍巖控制措施，對(duì)中央輔運(yùn)大巷變形破壞特征及機(jī)理進(jìn)行了現(xiàn)場勘查。

2.1變形破壞特征

根據(jù)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，中央輔運(yùn)大巷出現(xiàn)了全斷面變形破壞。巷道底板鼓起量在1.4m—1.7m之間，巷道頂板下沉量在1.1m—1.3m之間，頂?shù)装迤骄鄬?duì)移近量在2.5m—2.9m之間。巷道兩幫相對(duì)移近量接近2.2m。同時(shí)，在現(xiàn)場勘查時(shí)發(fā)現(xiàn)，巷道下部有明顯的涌水情況，兩幫圍巖出現(xiàn)了顯著的遇水軟化特征，且巷道原支護(hù)體上形成了較多網(wǎng)兜。巷道的兩幫和頂板處出現(xiàn)了較多的錨桿整體外移的情況，這表明巷道錨桿支護(hù)已經(jīng)失效，支護(hù)體已經(jīng)被拉斷。巷道在變形前后的斷面圖見圖2所示。

圖2 變形前后巷道斷面對(duì)比圖

Fig.2 Contrast Diagram of Roadway Section before and after Deformation

2.2變形破壞機(jī)理

通過研究表明，導(dǎo)致中央輔運(yùn)大巷出現(xiàn)明顯變形破壞的原因較多，主要有如下幾個(gè)方面：

（1）巷道總體的埋深較大。

根據(jù)中央輔運(yùn)大巷所處位置的地質(zhì)資料表明，巷道埋深平均達(dá)到了659m，整體的垂直應(yīng)力非常大，且通過現(xiàn)場對(duì)巷道所處位置地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試表明，垂直主應(yīng)力為29.6MPa，最大水平主應(yīng)力為31.8MPa，最小水平主應(yīng)力為17.8MPa，測(cè)壓系數(shù)達(dá)到1.7，巷道整體所受的地應(yīng)力非常大。在如此大的地應(yīng)力作用下，巷道圍巖雖然為強(qiáng)度較高的粉砂巖，但是在高應(yīng)力作用下，已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的高應(yīng)力軟巖的特征，這也是導(dǎo)致雖然對(duì)巷道進(jìn)行了三次返修，但是仍舊出現(xiàn)了明顯的變形破壞。

（2）巷道松動(dòng)圈范圍較大。

為了掌握巷道圍巖的變形范圍，在本次勘查時(shí)，選擇使用圍巖松動(dòng)圈測(cè)試儀對(duì)中央輔運(yùn)大巷3個(gè)斷面9個(gè)測(cè)點(diǎn)的巷道圍巖的松動(dòng)圈的范圍進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)巷道內(nèi)部圍巖變形破壞情況進(jìn)行了研究。松動(dòng)圈具體的勘查見表1所示。

表1 中央輔運(yùn)大巷巷道松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果

Tab. 1 Test results of loose zone in large roadway of North track

通過表1可知，中央輔運(yùn)大巷巷道整體松動(dòng)圈的范圍較大，多數(shù)地點(diǎn)均接近或超過了1.8m，屬于大松動(dòng)圈范圍，而在原支護(hù)中，巷道頂幫錨桿支護(hù)的范圍最大為2.4m，再加上施工中存在錨桿錨索支護(hù)不到位的情況，導(dǎo)致很多錨桿應(yīng)有的支護(hù)效用不能發(fā)揮出來，這也是在現(xiàn)場勘查中得到很多錨桿被拉伸出來的原因，這說明原設(shè)計(jì)中錨桿支護(hù)已經(jīng)失效。

（3）巷道圍巖性質(zhì)影響

中央輔運(yùn)大巷巷道圍巖所處的層位的圍巖是粉砂巖，從地質(zhì)資料和現(xiàn)場勘查情況來看，圍巖裂隙發(fā)育明顯，同時(shí)，其中含有厚度為0.25m的夾層，夾層的圍巖性質(zhì)為泥巖，總體的強(qiáng)度較低，且含有膨脹性軟巖成分，在這種情況下，巷道圍巖整體的承載性能較差，在高地應(yīng)力的作用下，非常容易出現(xiàn)變形破壞。

（4）巷道原支護(hù)方式的影響

從中央輔運(yùn)大巷原有支護(hù)設(shè)計(jì)來看，巷道設(shè)計(jì)采用的是普通錨梁網(wǎng)索支護(hù)，雖然這種支護(hù)方式在淺層的巷道圍巖支護(hù)中能夠取得較好的支護(hù)效果，但是在深部圍巖支護(hù)中，已經(jīng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的不適應(yīng)性，主要是這種支護(hù)沒有給深部高應(yīng)力軟巖留有充足的釋放能量的空間，屬于“剛性支護(hù)”，這種剛性支護(hù)方式在高地應(yīng)力作用下，非常容易出現(xiàn)支護(hù)失效的情況。再加上巷道原支護(hù)中沒有對(duì)巷道底板進(jìn)行支護(hù)，導(dǎo)致底板成為了深部高應(yīng)力釋放的主要空間，這也是本次巷道底板出現(xiàn)變形破壞較大的原因。

（5）地下水影響明顯

從現(xiàn)場勘查情況來看，巷道下部有明顯的水體侵蝕的影響，特別是底板圍巖在長期與水接觸的情況下，自身的承載能力與強(qiáng)度會(huì)明顯降低，特別是圍巖中的膨脹性軟巖成分，在水體的作用下，會(huì)出現(xiàn)崩解，加劇了巷道圍巖變形。

3、中央輔運(yùn)大巷返修支護(hù)設(shè)計(jì)分析

結(jié)合中央輔運(yùn)大巷出現(xiàn)的變形破壞特征及具體機(jī)理，本次返修設(shè)計(jì)采用“錨網(wǎng)索+U型鋼閉合環(huán)+底板注漿”聯(lián)合支護(hù)方案。

3.1返修方案支護(hù)機(jī)理

首先，U型鋼閉合環(huán)設(shè)計(jì)采4節(jié)U型鋼組合形成一個(gè)完整的U型鋼支護(hù)閉合體，這4節(jié)U型鋼的接口位置，設(shè)置使用卡纜，目的是實(shí)現(xiàn)支架可縮量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，這對(duì)于支架在支護(hù)時(shí)，更好適應(yīng)巷道圍巖變形，在巷道圍巖變形過程中，仍舊給予巷道高支護(hù)力是非常關(guān)鍵的。特別是對(duì)于中央輔運(yùn)大巷巷道整體圍巖變形量較大，選擇使用U型鋼支護(hù)閉合支護(hù)體，可以為巷道支護(hù)提供較高的支護(hù)承載能力，隨著支架變形量的增加，其支護(hù)阻力也隨著增加，實(shí)現(xiàn)“高阻讓壓”支護(hù)，這對(duì)于深部巷道支護(hù)是非常關(guān)鍵的，有效避免了傳統(tǒng)剛性支護(hù)的弊端。

其次，錨網(wǎng)索支護(hù)主要仍舊是在巷道的頂?shù)装寮皟蓭蛯?shí)施高強(qiáng)度錨桿、錨索支護(hù)，同時(shí)，對(duì)錨索、錨桿施加高強(qiáng)度預(yù)緊力，最大限度的提升對(duì)巷道表層圍巖的預(yù)緊壓縮效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道淺層圍巖的變形限制。同時(shí)，本次設(shè)計(jì)在巷道兩幫打設(shè)長度為4200mm，直徑為17.8的預(yù)應(yīng)力錨索，更好發(fā)揮錨索對(duì)巷道兩幫圍巖的支護(hù)作用，調(diào)動(dòng)巷道兩幫深部穩(wěn)定圍巖對(duì)淺部圍巖變形的限制作用。從而在巷道淺層形成錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+托盤+巷道圍巖為一體支護(hù)結(jié)構(gòu)，充分調(diào)動(dòng)巷道淺部圍巖、中深部圍巖對(duì)巷道整體變形的限制作用。

第三，巷道底板注漿支護(hù)?？紤]到中央輔運(yùn)大巷下步涌水嚴(yán)重的情況，本次設(shè)計(jì)在巷道底板打設(shè)注漿管道，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道底板及巷道兩幫下部裂隙的有效封堵，提升巷道底板的承載能力，限制巷道底板及兩幫圍巖變形。

3.2具體支護(hù)方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的具體支護(hù)方案為：

（1）U型鋼閉合環(huán)支護(hù)設(shè)計(jì)。本次U型鋼閉合環(huán)設(shè)計(jì)采用U28型鋼，設(shè)計(jì)的有效壓縮量為400mm，4節(jié)U型鋼搭接而成，每節(jié)的長度為4400mm，具體見圖3所示。

圖3  U型鋼閉合環(huán)支護(hù)體支護(hù)示意圖

Fig. 3 U-shaped Steel closed ring support sketch

（2）錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)。錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)為：φ22mm×2400mm，間排距為800mm×800mm。幫錨索支護(hù)參數(shù)為：φ17.8mm×4200mm，位置在距離底板1200mm處，對(duì)稱布置兩根。頂板錨索使用φ17.8mm×8000mm，對(duì)稱布置三根，間排距為1600mm×1600mm。其中設(shè)計(jì)錨桿的預(yù)緊力均為65kN，錨索的預(yù)緊力均為75kN。

（3）底板注漿參數(shù)設(shè)計(jì)。為了擴(kuò)大底板注漿支護(hù)效果，本次注漿對(duì)稱布置三根注漿孔，注漿壓力控制在5MPa左右，注漿角度設(shè)計(jì)外擺15°，間排距設(shè)計(jì)為1800mm×1800mm。

巷道錨網(wǎng)索支護(hù)和底板注漿支護(hù)設(shè)計(jì)見圖4所示。

圖4 巷道錨網(wǎng)索+注漿支護(hù)示意圖

Fig. 4 Diagram of bolt-mesh-cable+grouting support in Roadway

3.3返修后支護(hù)效果分析

為了驗(yàn)證本次返修后支護(hù)效果，選擇使用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，通過觀測(cè)，得到了巷道圍巖變形曲線，見圖5所示。

圖5 返修后巷道圍巖變形曲線

Fig. 5 Deformation curve of surrounding rock of Roadway after repairing

從圖5可看出，巷道在選擇使用新支護(hù)方案后，整體的巷道圍巖穩(wěn)定性得到了較好的控制，頂?shù)装遄畲蟮囊平拷咏?50mm，兩幫的相對(duì)移近量接近200mm。這說明新支護(hù)方案在控制巷道圍巖穩(wěn)定方面取得了較好的效果。

4、結(jié)語

（1）本次通過設(shè)計(jì)采用“錨網(wǎng)索+U型鋼閉合環(huán)+底板注漿”實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道圍巖的有效控制，對(duì)類似深部巷道圍巖穩(wěn)定控制有著較強(qiáng)的借鑒意義。

（2）深部巷道圍巖變形破壞特點(diǎn)及圍巖穩(wěn)定性控制相對(duì)于傳統(tǒng)圍巖控制出現(xiàn)了較大的變化，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮深部圍巖特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出符合深部圍巖特征的支護(hù)方案。

參考文獻(xiàn)

[1]王興開,謝文兵,荊升國,蘇致立,李路恒,鹿利恒. 滑動(dòng)構(gòu)造區(qū)極松散煤巷圍巖大變形控制機(jī)制試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2018,37(02):312-324.

[2]陳曉祥,吳俊鵬. 斷層破碎帶中巷道圍巖大變形機(jī)理及控制技術(shù)研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào),2018,35(05):885-892.

[3]畢業(yè)武,范秀利,蒲文龍,張國華. 深井近距離煤層群回采巷道失穩(wěn)致因與控制技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2015,43(10):51-55.

[4]范明建,康紅普,林健,任勇杰,趙鵬,張輝,趙光雷. 埋深1300m大傾角復(fù)合巖層巷道圍巖綜合控制技術(shù)研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015,32(05):706-713.

[5]杜計(jì)平,張瑾. 特深礦井三種應(yīng)力狀態(tài)下開拓巷道變形破壞規(guī)律與圍巖控制對(duì)策[J]. 煤炭科技,2016(01):1-3.

[6]李術(shù)才,王琦,李為騰,王德超,李智,江貝,王漢鵬,王洪濤. 深部厚頂煤巷道讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(04):656-666.

[7]范明建,畢玉成,謝玉祥,呂德. 深井油頁巖伴生條件下第三系煤層巷道圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 煤礦開采,2017,22(04):39-43+9.

作者簡介：1987年6月、男、漢、籍貫：山西.沁水、本科、 畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、研究方向：采礦工程、工程師