多次采動(dòng)軟巖巷道圍巖控制機(jī)理與支護(hù)措施

摘要:在煤層群開采中，集中煤層上山需經(jīng)受多次采動(dòng)影響，選擇合理的巷道圍巖控制方法和支護(hù)措施對(duì)于控制巷道圍巖變形尤其重要。首先采用X射線衍射譜分析和圍巖松動(dòng)圈鉆孔窺視研究集中煤層上山頂?shù)装鍘r性及巖層結(jié)構(gòu)特征，分析了集中煤層上山變形和圍巖松動(dòng)圈發(fā)展規(guī)律；然后以某一具體礦井的生產(chǎn)地質(zhì)條件為背景，應(yīng)用FLAC5.0數(shù)值模擬軟件模擬分析了錨桿預(yù)應(yīng)力和底板注漿對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)分布的影響；最后提出了多次采動(dòng)軟巖巷道的支護(hù)措施，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，支護(hù)效果明顯。

關(guān)鍵詞:多次采動(dòng) 軟巖巷道 高預(yù)應(yīng)力 分次注漿

項(xiàng)目名稱：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：50874042

地下巷道在開挖前，巖體在原巖應(yīng)力作用下處于初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)。巷道的開挖破壞了這種平衡，巷道周圍巖體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力發(fā)生了變化，應(yīng)力重新調(diào)整達(dá)到新的平衡。在煤層群采區(qū)巷道布置中，一部分礦井將采區(qū)上山布置在最下一層煤中，煤層上山將經(jīng)受多次采動(dòng)影響，上山在經(jīng)受第一次采動(dòng)影響后往往表現(xiàn)出圍巖變形量大、底臌等現(xiàn)象，只有采取相應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)措施后才能滿足后期采煤、運(yùn)輸、通風(fēng)和行人等要求。目前，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者通過理論、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際等研究手段，提出了卓有成效的支護(hù)加強(qiáng)措施。如王福剛提出在采動(dòng)之前對(duì)軟巖巷道采取行補(bǔ)打錨索、架U型鋼棚等措施。陸士良等認(rèn)為巷道受采動(dòng)影響后，不僅巷道周邊，而且?guī)r體深部都處于強(qiáng)烈支承壓力下，產(chǎn)生大范圍的塑性變形而嚴(yán)重破壞；錨桿錨固力是峰后圍巖剪脹變形與錨桿相互作用的結(jié)果， 隨巷道圍巖變形和損傷的發(fā)展， 錨桿錨固力呈現(xiàn)增長(zhǎng)、穩(wěn)定、衰減、以致喪失等過程。王天剛等認(rèn)為在采用錨噴作一次支護(hù)后，圍巖中等穩(wěn)定的采動(dòng)巷道不需要維修有以下兩種解決辦法:其一是在第一次采動(dòng)壓力穩(wěn)定后補(bǔ)噴一層砂漿或混凝土， 厚度可達(dá)30～50mm即可；其二是采用錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)， 就是在噴射混凝土之前敷設(shè)金屬網(wǎng)， 噴后成鋼筋混凝土層。柏建彪等提出采動(dòng)巷道底鼓控制重點(diǎn)是加固破碎底板， 增大其峰后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度， 同時(shí)盡量減小底板自由面積， 控制水平應(yīng)力對(duì)底鼓的影響。李凱歌等提出在三軟煤層多次采動(dòng)巷道的支護(hù)中應(yīng)采用以“錨梁網(wǎng)+ 錨索”為主體的支護(hù)形式，并對(duì)巷道關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)實(shí)施動(dòng)態(tài)疊加支護(hù)，確保巷道的穩(wěn)定。孫光中等認(rèn)為，在巷道群開挖后，巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)是經(jīng)過巷間應(yīng)力相互疊加至穩(wěn)定的二次應(yīng)力場(chǎng)；隨著采場(chǎng)寬度的增加，采場(chǎng)形成的側(cè)向支承壓力影響范圍也在增大，繼而又與巷道群已有的二次應(yīng)力場(chǎng)疊加，使巷道群圍巖再次破壞至穩(wěn)定的三次應(yīng)力場(chǎng)。本文以一煤礦多次采動(dòng)上山巷道為工程背景，采用數(shù)值模擬與圍巖松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法研究多次采動(dòng)影響軟巖巷道圍巖控制機(jī)理與支護(hù)措施。

一、巷道頂、底板巖性X射線衍射分析

礦物的X射線定性相分析指的是用粉晶X射線衍射數(shù)據(jù)對(duì)樣品中存在的礦物相進(jìn)行鑒別，一種物相有自己獨(dú)特的一組衍射線條（衍射譜）。利用長(zhǎng)沙礦冶研究院的德國(guó)布魯克D8 ADVANCE型X射線衍射儀對(duì)其進(jìn)行XRD分析，X射線衍射譜圖如圖1所示，由圖1可知：上山煤層巷道頂、底板均含有近25%的高嶺石，頂板含有50%的云母，底板含有10%的云母和含有10%的長(zhǎng)石，說明煤層山巷道圍巖巖性較軟，屬于軟巖。

二、二次采動(dòng)上山巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

為準(zhǔn)確了解二次采動(dòng)后，煤層上山巷道的圍巖松動(dòng)圈破壞情況，以及先期注漿加固效果，應(yīng)用YTJ20型巖層探測(cè)記錄儀進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈探測(cè)。

2.1 未注漿巷道圍巖松動(dòng)圈情況

巷道頂板及幫圍巖松動(dòng)圈情況如圖2～3所示。

2.2 已注漿巷道圍巖松動(dòng)圈情況

在巷道圍巖注漿地段（注漿管長(zhǎng)度為2m）進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈鉆孔窺視，巷道頂板圍巖松動(dòng)圈情況如圖4所示。

2.3 結(jié)果分析

未注漿段巷道圍巖破碎嚴(yán)重，圍巖完整性較差，一般松動(dòng)圈范圍都在5m左右，尤以4m范圍內(nèi)破碎嚴(yán)重。注漿段（注漿管長(zhǎng)度為2m）巷道在注漿有效半徑（2.5m）內(nèi)圍巖完整性較好，但超出有效半徑部分圍巖依然破碎。為確保巷道修復(fù)后在使用期內(nèi)正常安全使用，巷道修復(fù)時(shí)必須采取聯(lián)合支護(hù)加固措施，即采取注漿加固措施膠結(jié)已破碎、開裂的圍巖，同時(shí)提供較大的支護(hù)抗力及時(shí)阻止注漿加固圍巖的變形。

三、巷道圍巖控制的數(shù)值模擬

根據(jù)FLAC軟件計(jì)算精度對(duì)網(wǎng)格劃分大小的要求，計(jì)算模型模擬范圍為：寬×高=40m×30m，網(wǎng)格為115×100，劃分為11500個(gè)單元，巷道開挖部分采用網(wǎng)格細(xì)化處理，以提高其計(jì)算精度。以礦井上山巷道的實(shí)際支護(hù)條件和地質(zhì)條件為參考，頂錨桿5根，兩幫各4根錨桿，錨桿桿體尺寸φ20mm×2.2m，錨固長(zhǎng)度都取1.2m，排距0.8m；錨索排距1.2m，頂錨索2根，幫錨索1根，錨固長(zhǎng)度1.8m；垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分別取10MPa、12.5MPa。

3.1 預(yù)應(yīng)力對(duì)圍巖控制的數(shù)值模擬

為模擬預(yù)應(yīng)力對(duì)圍巖變形的控制作用，在上述計(jì)算模擬中，錨索預(yù)應(yīng)力保持120kN不變，錨桿預(yù)應(yīng)力取0、20kN、40kN、60kN，模擬得到圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力大小對(duì)錨桿支護(hù)效果有著重要影響，預(yù)應(yīng)力過小，起不到鎖緊圍巖的作用，圍巖受剪切破壞依然嚴(yán)重，只有當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定值后才能控制圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展；隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大，圍巖塑性區(qū)減小，巷道穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3.2 巷道底板注漿對(duì)圍巖變形的影響

模擬巷道頂板及兩幫注漿半徑4.0m，巷道底板注漿孔長(zhǎng)度分別取0m、0.5m、1.0m情況下的圍巖塑性區(qū)分布情況，如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著底板注漿范圍的加大，底角角點(diǎn)處集中應(yīng)力變化梯度減小，集中應(yīng)力變化更趨于緩和，呈現(xiàn)均布化發(fā)展趨勢(shì)；隨著底板注漿加固范圍的加大，底板巖層整體強(qiáng)度與幫部巖層的差距在減小，這在一定程度上減緩了底角角點(diǎn)處的應(yīng)力集中程度。

四、支護(hù)實(shí)踐

根據(jù)圍巖巖性調(diào)查、圍巖鉆孔結(jié)構(gòu)詳查，某礦煤層上山巷道在二次采動(dòng)影響下已遭到嚴(yán)重破壞，壓力大、圍巖結(jié)構(gòu)破碎松軟。由于該巷道在后期仍要受兩次采動(dòng)影響，綜合前述圍巖鉆孔觀測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果，考慮到單一的加固方法不能有效控制此類破碎圍巖的長(zhǎng)期蠕變及進(jìn)一步破壞，為保證加固效果，確定采用分次注漿加固配合高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索支護(hù)的綜合加固方案。

注漿的目的是充填受動(dòng)壓影響后，巷道圍巖離層、開裂形成的裂隙，將破碎的巷道圍巖進(jìn)行重新組合，盡量恢復(fù)并構(gòu)成完整的巖體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)體，以有利于錨桿、錨索加固時(shí)力的傳遞，大幅度提高加固質(zhì)量和效果。但是，注漿后的破碎圍巖，雖然基本上恢復(fù)了連續(xù)狀態(tài)，但其承載能力仍較弱，采動(dòng)壓力作用下可能重新破壞，進(jìn)而再次失去承載能力；故選擇在注漿后采用高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索增強(qiáng)注漿膠結(jié)破碎圍巖的粘聚力。高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索加固的目的是在巷道圍巖結(jié)構(gòu)恢復(fù)連續(xù)性后，對(duì)圍巖周邊加上強(qiáng)力的邊界條件，使其具有較強(qiáng)的承載能力，充分發(fā)揮連續(xù)巖體自身的承載能力，進(jìn)而抵抗應(yīng)力重新分布過程中巷道圍巖的變形移動(dòng)。

為檢驗(yàn)煤層上山巷道支護(hù)效果，在試驗(yàn)段布置三個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)頂?shù)装逑鲁亮?、底臌和兩幫移近量。監(jiān)測(cè)結(jié)果表示，與巷道采用原支護(hù)的同期變形相比，試驗(yàn)巷道的平均底臌速度由12.6mm/d下降至5.3mm/d，兩幫平均移近速度由15.1mm/d下降至4.3mm/d，綜合結(jié)果表明，試驗(yàn)巷道支護(hù)措施是合理的。

五、結(jié)論

針對(duì)某礦煤層上山巷道多次采動(dòng)作用下圍巖變形量大、底膨嚴(yán)重和巷道維護(hù)困難的特點(diǎn)，從巖性分析、圍巖松動(dòng)圈測(cè)試和數(shù)值模擬等方面分析了多次采動(dòng)影響軟巖巷道圍巖控制及其支護(hù)措施，得出如下結(jié)論。

（1）煤層上山巷道在多次采動(dòng)壓力作用下，巷道圍巖屬于大松動(dòng)圈極不穩(wěn)定圍巖結(jié)構(gòu)，淺層注漿無法控制深部圍巖變形的發(fā)展。（2）預(yù)應(yīng)力過小，起不到鎖緊圍巖的作用，只有當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定值后才能控制圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展；錨桿預(yù)應(yīng)力越大，圍巖塑性區(qū)越窄，巷道越穩(wěn)定。（3）底板注漿加固可以提高底板巖層整體強(qiáng)度，縮小與幫、頂圍巖強(qiáng)度的差距，使巷道圍巖強(qiáng)度呈現(xiàn)均布化，從而集中應(yīng)力變化梯度減小。（4）在支護(hù)措施上，采取淺部注漿與深部注漿相配合形成連續(xù)圍巖，淺部注漿與高預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)合構(gòu)建淺層承載拱，高預(yù)應(yīng)力錨索控制深部位移，支護(hù)實(shí)踐表明該加固方法是可行的。

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作者簡(jiǎn)介:

歐陽昶(1960-)，男，湖南株洲人，礦長(zhǎng)，工程師，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

（責(zé)任編輯：吳超）