軟巖巷道支護優化及數值模擬研究

李 斌

軟巖巷道支護優化及數值模擬研究

李 斌

(貴州魯中礦業有限責任公司，貴州 畢節市 551700)

針對貴州某礦121運輸巷的支護難題，提出了“錨桿（索）+鋼筋網+灌漿+雙U型鋼棚”的支護方案，采用FLAC3D數值模擬軟件對設計方案進行模擬分析，驗證了方案的合理性，模擬不同斷面形狀不同支護方案的支護效果，確定巷道斷面形狀為半圓拱形并將設計支護方案成功應用生產現場。90 d的監測結果表明：頂板、兩幫、底板最大變形量分別為109，92，66 mm，巷道在修復45 d后變形趨于穩定，支護效果良好。

軟巖巷道;數值模擬;聯合支護

0 前 言

軟巖巷道圍巖變形破壞控制一直是世界地下工程建設的難題。隨著淺部資源的日漸枯竭，煤礦逐漸向深部開采，伴隨而來的就是高地應力、強烈擾動、松軟破碎圍巖等不利條件，從而加大了軟巖巷道圍巖變形破壞控制的難度[1-3]。

國內外專家學者針對軟巖巷道的支護問題做了大量的研究工作[4-11]。張振全等[5]針對潘三煤礦運輸平巷高應力軟巖巷道難以支護的問題，提出了錨網索注聯合支護對策；趙儒梅等[6]以龍固煤礦為工程背景，采用FLAC3D模擬設計支護方案，驗證其支護效果，最終設計出錨聯合支護和錨注支護方案；王應帥等[11]采用FLAC3D分析軟巖巷道圍巖的變形特性，提出全斷面注漿、增大底角錨桿密度及角度的支護方案；趙亞軍等[12]借助FLAC3D數值模擬軟巖，以內蒙古孫家壕礦為工程背景，針對9號煤層節理化破碎圍巖的支護問題，模擬對比分析3種支護方案，最終篩選出錨噴支護方案，現場應用效果良好。綜合分析，FLAC3D數值模擬軟件在軟巖巷道的支護方案優化中得到廣泛應用，并且應用效果較好。因此，本文以貴州某礦121運輸巷支護實際條件為工程背景，進行支護方案優化，確定支護參數，提出相應的支護方案，總結分析得出該類巷道支護參數的較優形式，在此基礎上提出了“錨桿（索）+鋼筋網+灌漿+雙U型鋼棚”的聯合支護方式，采用數值模擬分析其支護效果，篩選出最優的支護方案。

1 工程背景

1.1 礦井概況

貴州某礦121運輸巷埋深875 m，巷道布置在12號煤層中，煤層厚度1.8 m，煤層傾角1°～5°，12號煤層正處于回采狀態，上距13號煤層15.8 m，下距11號煤層20.5 m，屬于近距離煤層，11號和13號煤層已先后采空。121運輸巷圍巖巖性多含極具親水性的黏土礦物，高嶺石、蒙脫石含量居多，遇水易膨脹、泥化、軟化。巷道前后已經過多次返修，支護效果不理想。

1.2 巷道支護現狀及支護問題

巷道的原支護方式為“錨桿（索）+金屬網+U型鋼”，斷面形狀為“直墻半圓拱”，規格為凈寬×凈高=4300 mm×5000 mm，錨桿采用Φ20 mm×2200 mm，間排距800 mm×800 mm，錨索Φ17.8 mm×1600 mm，間排距1200 mm×1200 mm。現場對巷道進行了實地勘察測量，巷道斷面變形破壞嚴重，頂板、兩幫、底板都有不同程度的變形，測量結果為：頂板下沉量達到1200 mm，兩幫移近量為1500 mm，底鼓量為400 mm；支護構件失效嚴重，錨桿折斷、滑脫、螺母滑扣，錨索托盤壓彎、折斷、脫落，金屬網成撕裂破壞形成網兜狀，部分巖石冒落堆聚在巷道底板，U型鋼頂部折斷，卡纜螺母崩落，處于懸空狀態，底角U型鋼腿成扭曲壓彎狀態，原支護方式完全失效。經現場觀察，頂板及兩幫滲水現象極其明顯，巷道圍巖極其破碎且泥化軟化現象嚴重，嚴重影響巷道的正常使用。

2 支護方案優化

2.1 支護斷面選擇

巷道的的失穩破壞首先從支護環節中的薄弱環節開始破壞，肩角、肩窩、底角等部位稱關鍵部位，在高應力作用下這些部位首先開始破壞，隨著時間推移逐漸延伸到整個巷道，最終導致巷道的失穩變形[9]。因此，為避免巷道出現尖角、拐角等脆弱部位，支護斷面形狀采用了半圓拱形、馬蹄形以及圓形巷道進行數值模擬分析。

2.2 模擬支護方案選擇

現場勘查及綜合多方面資料分析，121運輸巷失穩破壞的原因主要有：高地應力環境，121運輸巷布置在12號煤層中，11和13號煤層已先后采空，受重復采動影響顯著，巷道開挖后表面應力狀態由三向應力向二向應力狀態轉變，徑向約束消失，該應力狀態從巷道周邊向深部過度，巷道周邊則在高應力作用下應力集中，應力集中程度超過了巷道所能提供的最大荷載，最終導致巷道失穩，這是巷道失穩破壞的外部因素；圍巖巖性中含親水黏土礦物居多，圍巖本身松散破碎，節理裂隙發育，自承載能力低下。加之巷道頂板及兩幫滲水現象明顯，水的侵蝕作用，加劇了巷道圍巖的泥化、軟化和吸水膨脹，空隙、裂隙張開產生較大膨脹壓力，這是巷道變形失穩的內在因素；支護構件失效嚴重，工作阻力小，未能限制巷道圍巖的擠壓、下沉，隨著巷道的變形而變形。

綜合以上分析，121運輸巷道破壞原因主要是高應力環境、圍巖巖性、水理作用以及支護方式。為解決這一問題，提出了“錨桿（索）+鋼筋網+灌漿500 mm+雙U型鋼棚”的聯合支護方式。采用FLAC3D數值模擬軟件對支護方案進行模擬研究，從塑性區分布圖、垂直位移云圖分析比較巷道采用原設計方案及設計方案的優劣，最終篩選出最優的支護方案，支護數值模擬結果見圖1。

圖1 原支護方案數值模擬結果

通過數值模擬對比分析可知，采用原支護方案無論哪種巷道斷面塑性區及垂直位移都比設計支護范圍大，原支護方案中半圓拱巷道頂板最大下沉量為220 mm，底鼓量為120 mm；馬蹄形巷道頂板最大下沉量為200 mm，最大底鼓量為110 mm；圓形巷道斷面頂板最大下沉量為250 mm，底鼓量為135 mm，采用原支護方按不同斷面支護效果無太大差距。采用設計支護方案，半圓拱巷道頂板下沉量降至65 mm，底鼓量降為55 mm；馬蹄形巷道頂板下沉量降至70 mm，底鼓量降為33 mm；圓形巷道頂板下沉量降至80 mm，底鼓量降為42 mm，各巷道塑性區范圍明顯降低，如圖2所示。

綜合以上分析可得，“錨桿（索）+鋼筋網+灌漿500 mm+雙U型鋼棚”的支護方案3種巷道斷面支護效果都較好，巷道斷面形狀的選擇可以根據不同的地質條件及生產需求來選擇，數值模擬結果分析得出：當巷道頂板下沉量較大、兩幫內擠嚴重但底鼓量滿足要求時宜采用半圓拱巷道斷面；巷道頂板、兩幫以及底鼓大變形時采用馬蹄形斷面和圓形巷道斷面，底部的反拱結構可灌漿形成混凝土支護結構，能提供較大工作阻力，在一定程度上限制了底鼓的變形。

圖2 設計方案數值模擬

3 支護原理及參數確定

3.1 支護原理

現場巷道的變形主要表現在頂幫及兩幫，底鼓變形不大，因此斷面采用半圓拱巷道斷面，并有針對性地提出了“錨桿（索）+鋼筋網+灌漿500 mm+雙U型鋼棚”的聯合支護方案，該支護方案的支護原理為：

（1）淺部打注漿錨桿將淺部破碎的圍巖體膠結成一個整體，錨桿在淺部形成具有一定承載結構的殼體，打錨索將淺部圍巖的應力向深部轉移，避免淺部圍巖應力集中。打錨桿、錨索托盤時預留柔性變形間隙，起到適度讓壓的作用。

（2）支架與圍巖預留500 mm間隙，該間隙用高壓灌漿進行充填。在灌漿過程中，漿液可在高壓泵的作用下擠壓、滲透到圍巖破碎裂隙、空隙中，將圍巖中的微空隙和大裂隙進行填充，提高圍巖完整性，漿液凝固將原本破碎巖體凝結成一個整體，提高粘聚力和內摩擦角，淺部圍巖體得到強化，自身主動承載性能提高；其次漿液的滲透可將圍巖中的導水裂隙、空隙進行封堵，阻止水對圍巖的侵蝕作用；灌漿漿液的硬化過程即為適度讓壓，允許巷道有一定的變形量。

（3）架設雙U性鋼支架，巷道圍巖內表面先架設一組支架，第二組支架與第一組支架間預留500 mm間隙，第一組支架為巷道支護后初期提供支護，灌漿體完全硬化形成混凝土支護體與支架間的相互配合能提供較大的工作阻力，避免支護構件支護阻力不夠造成的圍巖變形。

3.2 支護參數確定

綜合以上分析，最終確定支護方案為“錨桿（索）+鋼筋網+灌漿500 mm+雙U型鋼棚”，具體參數為：錨桿Φ20 mm×2400 mm左旋高強螺紋鋼錨桿，間排距700 mm×700 mm，每排布置13根，每根采用K2350樹脂藥卷3卷；錨索Φ17.8 mm×6000 mm預應力錨索，間排距1200 mm×1200 mm，每根采用K2350樹脂藥卷4卷；支架采用型號為29的可縮性支架；灌漿比列為:水泥:砂漿=1:2.5，支護方案如圖3所示。

圖3 支護方案

4 工程應用

該支護方案成功運用于貴州某礦121運輸巷，現場采用十字布點法對巷道表面位移進行監測，監測曲線如圖4所示。由圖4可知：巷道在修復完成后45 d圍巖變形量趨于穩定，最終頂幫最大變形量為109 mm，兩幫移近量為92 mm，底鼓量為66 mm，變形量小，巷道長期穩定。

圖4 巷道圍巖變形曲線

5 結 論

（1）結合121運輸巷現有支護問題及破壞原因，針對性地提出了“錨桿、錨索+鋼筋網+灌漿500 mm+雙U型鋼棚”的聯合支護方案。采用數值模擬方式模擬不同斷面形狀不同支護方案的支護效果，確定巷道斷面形狀為半圓拱形。

（2）經理論分析和數值模擬驗證，優化后設計的支護方案能夠維持圍巖的穩定，理論上能達到支護的預期效果，相關模擬結果可以為其他同類型問題提供借鑒。

（3）分析巷道支護原理，并將支護方案成功運用于工程實踐，監測結果表明，巷道45 d后變形趨于穩定，各變形量在可控范圍內，支護效果良好。

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(2019-04-12)

李 斌（1976—），男，山東泰安人，Email:libin 19760607@163.com。