多重因素影響下煤礦運(yùn)輸大巷穩(wěn)定性支護(hù)策略研究

王虎芳

（山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

1 工程概況

經(jīng)坊煤礦運(yùn)輸大巷設(shè)計(jì)埋深為450m，采用直墻半圓拱形，設(shè)計(jì)尺寸為寬×高=4800mm×4200mm，為全巖巷道，圍巖類型主要為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖與泥巖，原支護(hù)方式為錨網(wǎng)索梁噴支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：錨桿選擇Ф20mm，長(zhǎng)度2200mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距均為800mm；錨索選擇Ф17.8mm，長(zhǎng)度6000mm，間排距均為1600mm；錨桿、錨索預(yù)緊力分別為：60kN、80kN。原支護(hù)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1所示。

2 巷道圍巖變形破壞特征

經(jīng)坊煤礦運(yùn)輸大巷開(kāi)挖后出現(xiàn)了明顯的變形破壞，通過(guò)對(duì)新掘進(jìn)段進(jìn)行礦壓觀測(cè)得到巷道變形破壞特征：

（1）巷道整體變形量較大，變形速度較快。運(yùn)輸大巷開(kāi)掘后在較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了明顯的變形破壞，其中頂板下沉量平均超過(guò)了300mm，兩幫平均收斂量超過(guò)了670mm，底板鼓起量平均超過(guò)了420mm；巷道圍巖收斂變形速率平均達(dá)到了38.9mm/d，最快收斂速率超過(guò)了54mm/d。

（2）支護(hù)體大量失效。從現(xiàn)場(chǎng)勘查情況來(lái)看，原有設(shè)計(jì)中很多支護(hù)體出現(xiàn)了支護(hù)失效的情況，主要表現(xiàn)為：錨索、錨桿被折斷、拉斷的情況，錨桿桿體和托盤出現(xiàn)脫離，部分錨桿被吸入到巖壁中，托盤與鋼筋網(wǎng)連接的位置出現(xiàn)了剪斷。

圖1 巷道原支護(hù)斷面圖

3 影響運(yùn)輸大巷穩(wěn)定性的相關(guān)因素

為了掌握影響運(yùn)輸大巷穩(wěn)定性的相關(guān)因素，從多個(gè)方面對(duì)影響運(yùn)輸大巷穩(wěn)定性的相關(guān)因素進(jìn)行了分析。

3.1 地應(yīng)力測(cè)試

選擇使用空心包體對(duì)運(yùn)輸大巷進(jìn)行了三維地應(yīng)力測(cè)量。將帶有壓力計(jì)的巖芯從設(shè)計(jì)的鉆孔中取出，將其放到圍巖率定儀，然后對(duì)巖芯施加壓力，并讀取讀數(shù)，按照讀取的數(shù)據(jù)，得到運(yùn)輸大巷圍巖的應(yīng)變、應(yīng)力曲線圖。本次得到的運(yùn)輸大巷圍巖彈性模量為17.98GPa，泊松比為0.26。通過(guò)將得到的泊松比、彈性模量及應(yīng)力解除數(shù)據(jù)等帶入到地應(yīng)力計(jì)算軟件中，得到了經(jīng)坊煤礦運(yùn)輸大巷地應(yīng)力明細(xì)表，見(jiàn)表1所示。

表1 經(jīng)坊煤礦運(yùn)輸大巷地應(yīng)力明細(xì)表

從表1中可看出，最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力之間表現(xiàn)為正交關(guān)系，可計(jì)算側(cè)壓系數(shù)在1.6～2.1之間，這充分說(shuō)明，經(jīng)坊煤礦運(yùn)輸大巷所處位置的主應(yīng)力表現(xiàn)出較強(qiáng)的方向性，宏觀上表現(xiàn)為水平應(yīng)力構(gòu)造，且最大主應(yīng)力數(shù)值較大，這表明運(yùn)輸大巷已經(jīng)進(jìn)入到深部開(kāi)采階段，雖然巷道圍巖總體的強(qiáng)度較大，但是在如此高的應(yīng)力下，表現(xiàn)出明顯的工程軟巖的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的支護(hù)方式在進(jìn)行運(yùn)輸大巷支護(hù)時(shí)表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)性，這也是導(dǎo)致運(yùn)輸大巷出現(xiàn)大范圍變形破壞的主要因素之一。

3.2 圍巖松動(dòng)圈探測(cè)分析

為了深入掌握運(yùn)輸大巷圍巖內(nèi)部變形破壞特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出更為合理的支護(hù)方案，選擇使用鉆孔窺探儀對(duì)運(yùn)輸大巷圍巖松動(dòng)圈破壞范圍進(jìn)行了探測(cè)。本次探測(cè)設(shè)計(jì)2個(gè)斷面，在每個(gè)斷面一共布置了五個(gè)鉆孔，得到了運(yùn)輸大巷圍巖內(nèi)部變形破壞示意圖，見(jiàn)圖2所示。

通過(guò)分析圖2可知，運(yùn)輸大巷內(nèi)部圍巖穩(wěn)定區(qū)域與破壞區(qū)域呈現(xiàn)出環(huán)狀，也就是穩(wěn)定圍巖與破碎圍巖相間出現(xiàn)，且與巷道中心線呈現(xiàn)出對(duì)稱布置的方式，運(yùn)輸大巷圍巖松動(dòng)圈范圍為1.7～4.1m，平均為3.5m，特別是在0～1.2m的范圍內(nèi)，巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，處于嚴(yán)重破碎狀態(tài)，在1.2～2.5m之間，巷道圍巖裂隙發(fā)育明顯，且裂隙以寬張、張開(kāi)狀態(tài)為主。從鉆孔窺探的情況來(lái)看，運(yùn)輸大巷出現(xiàn)了分層破壞情況，這與深部巷道圍巖容易出現(xiàn)的變形破壞特征相符合，而在原有支護(hù)狀態(tài)下，錨桿、錨索支護(hù)體不能較好適應(yīng)運(yùn)輸大巷出現(xiàn)的分層破壞情況，這也是運(yùn)輸大巷出現(xiàn)較大范圍變形破壞的原因之一。

圖2 運(yùn)輸大巷圍巖內(nèi)部變形破壞示意圖

3.3 巷道圍巖巖性分析

為了更好掌握巷道圍巖巖性給運(yùn)輸大巷穩(wěn)定性帶來(lái)的影響，選擇使用D/Max-3B型X射線衍射儀對(duì)運(yùn)輸大巷圍巖的礦物組成成分進(jìn)行了全面分析，具體結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 巷道圍巖組成成分表

從表2中可看出，巷道圍巖中包含有較多的高嶺石、伊利石等膨脹性軟巖成分，這些物質(zhì)在遇水后容易出現(xiàn)崩解、風(fēng)化、膨脹及軟化等，給巷道圍巖穩(wěn)定性帶來(lái)的影響是較為明顯的，特別是容易引起蠕變變形，由于運(yùn)輸大巷中包含有大量軟土成分，在一定程度上導(dǎo)致了巷道圍巖不能有效承受外界較大地應(yīng)力，從而出現(xiàn)了大范圍的變形破壞。

4 運(yùn)輸大巷返修支護(hù)策略分析

4.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

大量深部巷道支護(hù)實(shí)踐表明，淺部巷道圍巖支護(hù)理念已經(jīng)不能滿足深部巷道支護(hù)需求，因此，在對(duì)運(yùn)輸大巷進(jìn)行返修時(shí)，基于“先抗后讓再抗”的支護(hù)理念，設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索噴注聯(lián)合支護(hù)策略，具體施工工藝為：開(kāi)挖后及時(shí)噴漿→錨桿(索)網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)→反底拱支護(hù)→錨注注漿。具體設(shè)計(jì)參數(shù)為：

（1）錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)：考慮到原支護(hù)方式未對(duì)底板進(jìn)行支護(hù)而導(dǎo)致底板出現(xiàn)了較為明顯的變形破壞，在本次設(shè)計(jì)時(shí)，錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)采用全斷面支護(hù)，Ф22mm，長(zhǎng)度為2400mm，間排距設(shè)計(jì)均為800mm。

（2）錨索支護(hù)參數(shù)：設(shè)計(jì)頂板中心布置1根鋼絞線錨索，Ф17.8mm，長(zhǎng)度為8000mm，間距為1600mm；在巷道兩幫各布置1根鋼絞線錨索，Ф17.8mm，長(zhǎng)度為3500mm。

（3）底鼓控制。反底拱梁材料選用25#U型鋼加工而成。采用Ф20mm×L2400mm左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)錨桿穿過(guò)反底拱梁上的預(yù)留孔，錨緊反底拱梁。反底拱間距1000mm。

（4）注漿參數(shù)。選擇使用中空注漿錨桿進(jìn)行注漿，參數(shù)具體為：Ф27mm，長(zhǎng)度為3000mm，間排距均為1600mm。具體注漿時(shí)間為一般情況下均控制在巷道開(kāi)掘后10～15d后進(jìn)行。

最終支護(hù)斷面圖，見(jiàn)圖3所示。

圖3 巷道圍巖返修支護(hù)方案示意圖

4.2 支護(hù)效果分析

為檢驗(yàn)返修方案的合理性，選擇使用了十字布點(diǎn)法對(duì)運(yùn)輸大巷返修情況進(jìn)行了測(cè)量，得到了運(yùn)輸大巷圍巖的變形曲線，見(jiàn)圖4所示。

分析圖4可知，在對(duì)運(yùn)輸大巷進(jìn)行返修后，巷道兩幫的最大移近量為60mm，頂?shù)装宓南鄬?duì)移近量為40mm，這表明返修方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的有效控制。

圖4 巷道返修后變形曲線

5 結(jié)語(yǔ)

（1）基于“先抗后讓再抗”的支護(hù)理念，設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索噴注聯(lián)合支護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道圍巖的有效控制，對(duì)于類似巷道支護(hù)有一定的借鑒意義。

（2）深部巷道圍巖控制相對(duì)于淺層巷道圍巖控制有著較大的不同，為設(shè)計(jì)出更為合理的支護(hù)方案，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，從多方面對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行分析，掌握影響巷道圍巖變形破壞的關(guān)鍵因素，對(duì)于提升巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性是較為關(guān)鍵的。