基于復(fù)雜應(yīng)力軟弱圍巖的礦井建設(shè)支護(hù)研究

曹學(xué)林

(西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西　太原　030052)

?

·試驗(yàn)研究·

基于復(fù)雜應(yīng)力軟弱圍巖的礦井建設(shè)支護(hù)研究

曹學(xué)林

(西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西太原030052)

以西山煤電集團(tuán)某煤礦回風(fēng)巷為背景，分析研究了處于高應(yīng)力條件下軟弱圍巖的支護(hù)方法。經(jīng)過與普通圍巖巷道進(jìn)行對比，分析了軟巖支護(hù)的難點(diǎn)，并采取了相應(yīng)的支護(hù)對策。通過分析軟巖巷道圍巖變形控制理論，提出了軟弱圍巖錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方法。將錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)應(yīng)用于該回風(fēng)巷，通過監(jiān)測，從頂板、底板及兩幫3方面研究了圍巖的變形情況，結(jié)果顯示，該支護(hù)方法取得了較好的效果。

高應(yīng)力；軟弱圍巖；錨桿；錨索；金屬網(wǎng)；支護(hù)；監(jiān)測

經(jīng)過數(shù)十年的開采，我國的煤炭資源不斷減少，煤礦建設(shè)呈現(xiàn)出向圍巖條件更復(fù)雜，煤層埋藏更深的方向發(fā)展[1-2].隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代化礦井開采深度已經(jīng)突破1 000 m[3].在深層圍巖中，往往存在較高的溫度、應(yīng)力以及高壓流動水等的影響[4].實(shí)踐證明，隨著深度的增加，溫度越來越高，地應(yīng)力會受溫度的影響而變化，另外還存在紊亂的構(gòu)造應(yīng)力，這些因素導(dǎo)致了復(fù)雜應(yīng)力軟弱圍巖的產(chǎn)生，給煤炭開采帶來了極大的危害[5-7].

研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下煤巖體的變形特性，分析煤巖體與周圍環(huán)境的相互作用，采用有效的支護(hù)手段，很大程度上能避免事故的發(fā)生[8]. 本文以西山煤電集團(tuán)某煤礦的回風(fēng)巷(最大埋深850 m)為研究背景，分析了煤巖破壞規(guī)律，深入研究了復(fù)雜應(yīng)力軟弱圍巖條件下的支護(hù)方式。

1　基本理論及支護(hù)方法

1.1復(fù)雜應(yīng)力軟弱圍巖巷道

復(fù)雜應(yīng)力軟弱圍巖一般是指承受不同方向且最大應(yīng)力達(dá)到20 MPa的高強(qiáng)度巖石體。該巖石體具有較小的模量和強(qiáng)度，流變性能突出，呈現(xiàn)出硬巖+軟巖的雙重變形特點(diǎn)。

復(fù)雜應(yīng)力軟弱圍巖巷道的變形量較大且范圍較廣，四周圍巖來壓既快又大，初期變化速度較快，持續(xù)時(shí)間很長，由于來壓很快，圍巖的自穩(wěn)時(shí)間很短。另外，在有水環(huán)境中，圍巖會遇水膨脹，使得圍巖加劇變形。針對上述圍巖特點(diǎn)，采用剛性支護(hù)效果較差，應(yīng)選擇柔性支護(hù)方式。

1.2錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)是通過桿件將拉力加載到上部穩(wěn)定巖層的支護(hù)方法。錨桿懸吊作用可以有效地將高應(yīng)力作用下風(fēng)巷輪廓附近范圍內(nèi)松動破碎的巖層固定在深層巖層上。通過預(yù)加應(yīng)力可以使巖層破碎體間的摩擦力加大，形成組合拱的作用。在高應(yīng)力軟巖中，由于軟弱巖層較厚，單獨(dú)的錨桿支護(hù)并不能有效地防止局部破碎體松動塌落的產(chǎn)生，需通過其他有效方法遏制。

1.3錨索支護(hù)

錨索支護(hù)與錨桿支護(hù)相似，通過預(yù)加應(yīng)力將巷道周邊圍巖錨固于深層圍巖。錨索的預(yù)加應(yīng)力可以有效地平衡圍巖變形產(chǎn)生的壓力，保證巷道的整體穩(wěn)定性，但由于錨索支護(hù)需要較深的鉆孔，施工起來相對繁瑣，巷道滿鋪錨索不經(jīng)濟(jì)，所以，不常單獨(dú)使用。

2　與普通巷道支護(hù)對比分析

普通巷道依據(jù)圍巖的類別，其支護(hù)方式也不盡相同，常見的有鋼架支護(hù)、錨桿支護(hù)、砌體支護(hù)等。總的來說，軟巖巷道的支護(hù)與普通圍巖的巷道支護(hù)有著顯著的區(qū)別，由于復(fù)雜的應(yīng)力作用及其極易破碎變形的特性，單一的支護(hù)方式達(dá)不到實(shí)際的支護(hù)效果，必須根據(jù)實(shí)際變形特性，采取多種聯(lián)合支護(hù)的對策。

軟巖巷道支護(hù)的主要難點(diǎn)有：巷道支護(hù)變形過程明顯，圍巖自撐圈較小，圍巖表面的約束力較弱，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律明顯等。

針對軟巖支護(hù)的難點(diǎn)，需采取相應(yīng)對策。在變形速度較快及變形量較大的軟巖巷道，應(yīng)采用強(qiáng)度較高的錨桿控制圍巖變形。對頂板地應(yīng)力較大的巷道，應(yīng)采用錨索支護(hù)減小頂板的下沉。針對極易破碎的圍巖，應(yīng)采用網(wǎng)格柵進(jìn)行維護(hù)，以減少局部圍巖的破碎掉落，保證巷道圍巖的完整性。

3　軟巖巷道圍巖變形控制理論分析

由于高應(yīng)力作用，使原巖石體變得軟弱易變形，與硬巖不同，軟巖支護(hù)若要達(dá)到最強(qiáng)承載力，需進(jìn)入塑形狀態(tài)。支護(hù)后的承載力由變形形式軟化的工程力、圍巖自撐力和工程支護(hù)力組成。將軟巖巷道變形分為減速、勻速及加速階段。解決承載力問題，主要在于確定最佳的支護(hù)時(shí)刻。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)分析，軟巖支護(hù)原理可分為：

Ps=Pg+Pc+Pz

式中：

Ps—巷道開挖后，圍巖作用的合力，包含了構(gòu)造應(yīng)力、膨脹力及重力,kN；

Pg—變形釋放的工程力,kN；

Pc—巷道圍巖的自撐力,kN；

Pz—外部人為的工程支護(hù)力,kN.

巷道開挖后，圍巖作用的合力并不是全部由機(jī)械工程支護(hù)力來承擔(dān)，而是由以上三者共同承擔(dān)。最理想的軟弱圍巖支護(hù)方法是有效利用圍巖的自撐力Pc，在最佳支護(hù)時(shí)間段內(nèi)，采用最合理的支護(hù)方式。

軟巖巷道的失穩(wěn)并不是突變的過程，而是從局部開始，逐漸發(fā)展變化，最終失穩(wěn)破壞。軟巖巷道支護(hù)存在圍巖強(qiáng)度、剛度與支護(hù)體的耦合關(guān)聯(lián)，如果不相互耦合，會造成局部荷載集中；如果耦合，可以均勻地將荷載加載到支護(hù)體上，形成一個(gè)穩(wěn)定的支護(hù)合體。

4　軟巖巷道支護(hù)方法探究

在深層軟巖巷道中，由于處于復(fù)雜應(yīng)力的作用下，一般剛性支護(hù)效果較差，而單一的柔性主動支護(hù)也存在著某方面的不足。因此，需要在柔性支護(hù)的前提下，采用多種形式的聯(lián)合支護(hù)方式，才能有效防止軟巖巷道的破壞變形。本文針對西山煤電集團(tuán)某煤礦回風(fēng)巷，提出了高應(yīng)力軟巖巷道的錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方法。

在錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)中，包含的材料主要有錨桿、錨索和金屬網(wǎng)，每種材料的作用效果都不盡相同，但相互補(bǔ)償，能更好地完成軟巖巷道的支護(hù)。

在聯(lián)合支護(hù)體系中，錨桿起著主要的承載作用，本身有一定的伸縮變形，通過懸吊組合拱作用防止圍巖的變形破壞。系統(tǒng)中的錨索通過施加預(yù)應(yīng)力，起主動支護(hù)作用，將圍巖淺部的作用力傳到圍巖深部，減弱圍巖的松動破壞。金屬網(wǎng)的作用也很明顯，防止巷道四周破碎圍巖的掉落，可以將破碎體所產(chǎn)生的應(yīng)力轉(zhuǎn)而傳遞到錨桿和錨索上，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的原理可以看作是平衡拱加固原理，首先通過錨桿和金屬網(wǎng)將圍巖和自身組合成一個(gè)整體支護(hù)體，共同承擔(dān)高應(yīng)力荷載的作用，然后再鋪設(shè)高預(yù)應(yīng)力錨索來加強(qiáng)支護(hù)。軟弱圍巖巷道的變形較大，在巷道形成初期首先鋪設(shè)錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿使圍巖存在一定的承載能力，但圍巖變形依然會發(fā)生變化；滿鋪金屬網(wǎng)防止了圍巖局部范圍內(nèi)的突然松動灑落；支護(hù)后期，圍巖變形加大，錨索的懸吊作用有效地阻止了變形的進(jìn)一步加大。

5　實(shí)際應(yīng)用及監(jiān)測

該煤礦回風(fēng)巷為半圓拱形，巷道寬3 m，拱頂距基底4 m，巷道采用錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。其中，金屬網(wǎng)采用100 mm×100 mm滿鋪，錨桿采用d22 mm螺紋鋼，錨固長度600 mm；錨索采用d17.8 mm鋼絞線，抗拉強(qiáng)度1 860 MPa.錨桿錨索布置示意圖見圖1.

圖1　回風(fēng)巷圍巖錨桿(索)布置示意圖

巷道圍巖監(jiān)測主要針對頂板下沉量、底板鼓起量及兩幫移近量3方面展開，在回風(fēng)巷中部相隔20 m布置3個(gè)監(jiān)測站。圖2，3，4分別為3個(gè)監(jiān)測站監(jiān)測到的頂板測量值、底板測量值及兩幫測量值。

圖2　頂板測量值曲線圖

圖3　底板測量值曲線圖

從圖2，3，4可以觀察到，隨著時(shí)間的延長，3個(gè)測量值都呈現(xiàn)增長趨勢，其中頂板的總下沉量最大達(dá)到2.4 cm，底板的總鼓起量最大達(dá)到1.6 cm，兩幫移近量最大也達(dá)到了1.5 cm. 3項(xiàng)測量值在第7周都趨于穩(wěn)定，3個(gè)測點(diǎn)的變化曲線雖不盡相同，但總的變化趨勢一樣。

圖4　兩幫測量值曲線圖

從軟巖巷道錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的效果來看，巷道圍巖的變形量都處于可控范圍內(nèi)，巷道整體性較好，沒有發(fā)生局部的集中變形，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到了預(yù)計(jì)效果。

6　結(jié)　論

1) 本文以西山煤電集團(tuán)某煤礦回風(fēng)巷為對象，研究了大埋深、高應(yīng)力作用下的軟巖支護(hù)方法，通過分析常用的支護(hù)方法在軟巖巷道中的不足及對比軟巖巷道與普通圍巖巷道的支護(hù)差別，提出了軟巖巷道的支護(hù)對策。還通過分析軟巖巷道圍巖變形控制，提出了軟巖支護(hù)原理，指出了軟巖支護(hù)的最佳時(shí)刻理念。

2) 針對特有的地應(yīng)力環(huán)境條件，提出了軟巖巷道錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方法，并介紹了錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)原理。

3) 在回風(fēng)巷中采用錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，設(shè)立監(jiān)測點(diǎn)，對頂板下沉量、底板鼓起量和兩幫移近量三者進(jìn)行監(jiān)測，從監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在該支護(hù)方式下，圍巖的變形處于可控范圍內(nèi)，支護(hù)效果較好。

[1]劉藝.山西某煤礦高應(yīng)力軟巖巷道錨桿-錨索支護(hù)技術(shù)研究[D].昆明:昆明理工大學(xué)，2012.

[2]Cai F.Ugai K.Numerical analysis of the stability of a slope reinforced with piles[J].Soils and Foundations,2000,40(1):78-84.

[3]Matsui T.San KC.Finite element slope stability analysis by shear strength reduction technique[J].Soils and Foundations,1992,32(1):69-70.

[4]羅勇軍.礦建工程中特殊硐室的軟巖支護(hù)技術(shù)[J].采礦技術(shù),2014(2):50-51,92.

[5]劉團(tuán)結(jié),王建剛.礦建工程巷道掘進(jìn)錨桿支護(hù)技術(shù)[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào),2010(9):297-298.

[6]劉兵晨.姚家山礦千米立井井壁穩(wěn)定性及支護(hù)技術(shù)研究[D].太原:太原理工大學(xué),2012.

[7]閏莫明,騰年保,夏建中.礦用錨索支護(hù)技術(shù)[R].北京:煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所,2011:412-413.

[8]康紅普,高強(qiáng)度錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2000,28(2):1-4.

Research on Supporting in Mine Construction Based on Complex Stress Weak Surrounding Rock

CAO Xuelin

A coal mine ventilation roadway in Xishan coal electricity is as the background. Analyzes the weak surrounding rock support method under the high stress conditions. Analyzes the difficulty of soft rock supporting by contrasting with ordinary surrounding rock. And adopts the corresponding supporting measures. Through analysis of soft rock roadway surrounding rock deformation control theory, puts forward the weak surrounding rock combined support method. The combined support method is successfully applied to the ventilation roadway, through monitoring studies the deformation of surrounding rock from roof, floor and two sides. Results show that the support method gets the better effect.

High stress; Weak surrounding rock; Bolting; Anchor cable; Metal net; Supporting; Monitoring

2015-02-25

曹學(xué)林(1974—)，男，山西臨縣人， 2010年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，工程師，主要從事煤礦礦建支護(hù)管理工作(E-mail)1061770594@qq.com

TD353

A

1672-0652(2016)03-0028-03