高應(yīng)力軟巖巷道灌漿支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

韓連昌，劉 勇，王 沉，康向濤，冷光海

（貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽550025）

隨著煤礦開采深度的不斷加深，加劇了軟巖巷道支護(hù)的復(fù)雜性，各種不利因素使得軟巖巷道的支護(hù)問題越來越受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，不少學(xué)者針對軟巖巷道的支護(hù)問題做了許多的研究工作并取得良好的支護(hù)效果[1-14]。曹鐵忠等人[10]以清水二井煤礦為工程背景，針對該礦底鼓變形破壞嚴(yán)重的問題，設(shè)計了鋼管混凝土支架+壁厚200 mm 灌漿的支護(hù)技術(shù)，支護(hù)效果良好；孫毅等[11]針對上海廟礦區(qū)巷道底板滲水現(xiàn)象明顯導(dǎo)致底鼓變形破壞嚴(yán)重的難題，設(shè)計了底板錨桿+灌漿的支護(hù)技術(shù)，監(jiān)測結(jié)果表明，底鼓得到有效的控制。但不同地質(zhì)條件巷道所處的環(huán)境不同，需采取不同的支護(hù)方式，對于高應(yīng)力且應(yīng)力復(fù)雜、圍巖松散破碎、巷道滲水現(xiàn)象嚴(yán)重的軟巖巷道現(xiàn)有的支護(hù)技術(shù)支護(hù)效果不好。灌漿支護(hù)技術(shù)在高應(yīng)力軟巖巷道的研究較少，灌漿支護(hù)技術(shù)的原理以及灌漿漿液的配比沒有進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。因此，以貴州某礦141712 運輸上山為工程背景，采用室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值模擬等研究方法，揭示巷道變形破壞原因及變形破壞特征，提出灌漿支護(hù)技術(shù)并分析其原理，基于此提出了“錨桿+錨索+灌漿+雙U 型鋼”聯(lián)合支護(hù)方案，并得到成功應(yīng)用，現(xiàn)場的監(jiān)測結(jié)果表明支護(hù)效果良好。

1 工程背景

某礦141712 運輸上山變形失穩(wěn)巷道處于各類巷道交叉點，一側(cè)16#、17#、18#煤層為近距離煤層群，前后已先后采空，巷道埋深850 m。多次擾動形成的擾動應(yīng)力場和原始應(yīng)力場的疊加使得巷道應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，垂直應(yīng)力超過18 MPa，屬于高應(yīng)力軟巖巷道。巷道圍巖巖性多為泥巖、頁巖、粉細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層，遇水膨脹，易產(chǎn)生較大的膨脹壓力。141712 運輸上山平面布置圖如圖1。

圖1 141712 運煤上山平面布置示意圖

巷道原支護(hù)方案為錨網(wǎng)索噴支護(hù)，錨桿為φ22 mm×L2 000 mm 的左螺旋剛錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨索為φ21.6 mm×L6 000 mm，間排距為1 200 mm×1 200 mm，掛網(wǎng)為菱形金屬網(wǎng)，噴射混凝土厚度為150 mm，原支護(hù)巷道斷面規(guī)格為：凈寬5 500 mm，壁高860 mm，拱高2 750 mm，凈高為3 610 mm。

2 巷道圍巖變形特征及機制

2.1 巷道圍巖變形破壞特征

1）圍巖變形量大，變形速率快。巷道掘進(jìn)后初期收斂速度達(dá)到60 mm/d，頂板下沉量最大可達(dá)到1 155 mm，底鼓量580 mm，兩幫鼓出嚴(yán)重，兩幫移近量1 500~2 200 mm。

2）圍巖遇水膨脹而泥化，變形加劇。圍巖中含有大量蒙脫石、伊利石等黏土礦物，遇水體積急劇膨脹，產(chǎn)生軟化和泥化現(xiàn)象。

4）圍巖松散破碎，破碎范圍廣。現(xiàn)場采用YTJ-20 型巖層鉆孔探測記錄儀對圍巖進(jìn)行打孔探測，探測表明，圍巖松動圈范圍在2.3～3.8 m，超出錨桿的錨固范圍，難以發(fā)揮主動支護(hù)作用。

2.2 巷道圍巖變形破壞機理

1）圍巖強度低，自穩(wěn)能力差。圍巖巖性大都以泥巖、頁巖、粉細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層為主，裂隙和節(jié)理發(fā)育，導(dǎo)致圍巖松散破碎，承載能力較低。實驗室采用panalytical 多功能粉末X 射線衍射儀對巖樣進(jìn)行分析，泥巖、粉細(xì)砂巖等礦物組份以石英為主，斜長石、鈉長石等黏土礦物含量較高，遇水容易膨脹，產(chǎn)生較大的膨脹壓力，加劇巷道變形。

2）受重復(fù)采動影響顯著，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜。141712運輸上山采動影響主要來自16#、17#、18#等近距離煤層群的開采；同時巷道位于各種聯(lián)絡(luò)巷、硐室、石門交叉點附近，多次擾動形成的擾動應(yīng)力場和原始應(yīng)力場的疊加使得巷道應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。

3）支護(hù)參數(shù)設(shè)計不合理。原支護(hù)方式錨桿長度2.5 m，間排距800 mm×800 mm；錨索長度6 m，間排距1 200 mm×1 200 mm，錨桿（索）的主動承載性能沒有得到充分發(fā)揮，同時對兩幫底角、肩窩以及頂板等關(guān)鍵部位未進(jìn)行加強支護(hù)，造成這些區(qū)域破壞嚴(yán)重，從而導(dǎo)致巷道失穩(wěn)。

4）圍巖泥化現(xiàn)象嚴(yán)重。巷道頂板及兩幫滲水嚴(yán)重，圍巖巖性多以黏土礦物為主，與水的長時間接觸，降低圍巖的自身強度和承載能力。其次，黏土礦物中蒙脫石、高嶺石含量居多，水的侵入導(dǎo)致圍巖膨脹變形而泥化，致使巷道圍巖自承載能力低下。

5）底板以及底角沒有進(jìn)行加強支護(hù)。巷道開挖后底板處于敞開無支護(hù)狀態(tài)，屬于支護(hù)最薄弱環(huán)節(jié)，加之頂板的淋水及積水作用，導(dǎo)致底板產(chǎn)生顯著的膨脹、流變等變形，底板變形嚴(yán)重，頂板及兩幫的變形也成倍增加，致使支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性控制原理及方案

3.1 灌漿支護(hù)技術(shù)原理

對于圍巖巖性較好，自承載能力高的巷道采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式就可維持巷道的穩(wěn)定，而對于141712 運輸上山這種圍巖松散破碎，節(jié)理和裂隙發(fā)育且滲水現(xiàn)象嚴(yán)重的軟巖巷道采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式難以維持巷道的穩(wěn)定。提高圍巖完整性、強化圍巖強度、增強圍巖自承載性能、避免水的侵蝕作用是維持巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在，基于此提出灌漿支護(hù)技術(shù)，其原理如下：

編者按：水庫大壩安全管理是水利工程建設(shè)與管理的重要內(nèi)容。大壩一旦失事，將會給國民經(jīng)濟帶來災(zāi)難性的后果，因此世界各國都十分重視和關(guān)心大壩安全問題，許多機構(gòu)和學(xué)者都開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究。2008年5月的汶川大地震和2010年4月的玉樹大地震，都對水庫、水電站等水壩設(shè)施造成了一定程度的損毀，對生命財產(chǎn)構(gòu)成了一定的威脅。防范潰壩及堰塞湖的安全風(fēng)險等，是水利抗震救災(zāi)的一項重要內(nèi)容，也是災(zāi)后重建的一項基礎(chǔ)工作。本刊將加強相關(guān)方面的學(xué)術(shù)探討和研究成果的展示，組約相關(guān)文章，為開展好抗震救災(zāi)和災(zāi)后重建工作提供有效的技術(shù)支撐。

1）巷道斷面拓展至設(shè)計斷面后，架設(shè)的支架與圍巖之間預(yù)留300~500 mm 的間隙，該間隙用于灌漿，灌漿漿液可在淺部破碎圍巖體的裂隙、空隙中擴散、流竄、貫穿至整個破碎圍巖體各個裂隙中，漿液間相互滲透、鏈接形成網(wǎng)絡(luò)互通結(jié)構(gòu)，從而在淺部破碎圍巖體中形成相互連通、貫通的網(wǎng)絡(luò)骨架，從而提高圍巖的內(nèi)摩擦角和殘余強度，從而限制巷道圍巖的惡性擴展。

2）灌漿減小圍巖松動圈范圍，巷道支護(hù)難度的大小與松動圈范圍的大小成正比關(guān)系，圍巖的松散破碎范圍越廣，巷道變形收斂量增加，維持圍巖穩(wěn)定所需的載荷就越大，灌漿支護(hù)技術(shù)可有效的控制圍巖松散破碎范圍，從而減小巷道圍巖松動圈范圍，降低巷道圍巖松動圈，讓圍巖能夠充分發(fā)揮自身主動承載性能，維持巷道的穩(wěn)定。

3）灌漿漿液在高壓泵壓力的擠壓、流竄可將圍巖裂隙中的導(dǎo)水裂隙進(jìn)行封堵充填，防止水對圍巖的侵蝕作用，造成巷道圍巖的二次破壞。

4）灌漿漿液硬化后可形成具有較高承載性能的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)體，與支架共同形成雙重支護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)巷道四周來壓巨大、巷道變形嚴(yán)重、受力不均時，兩者能提供較大的工作阻力，阻止破碎圍巖體向巷道空間內(nèi)擠出，減小圍巖的變形量，頂板、兩幫、底鼓都可得到有效控制。

3.2 支護(hù)方案及參數(shù)

3.2.1 灌漿體漿液力學(xué)參數(shù)測定

采用型號WAM-300B 的微機控制電液伺服萬能試驗機器對灌漿漿液采取不同的配比澆筑成圓柱體φ40 mm×100 mm 的尺寸進(jìn)行力學(xué)性能測試，采用5 種配比方式進(jìn)行對比分析，具體為：水泥∶沙子∶水=1∶3∶0.4、2∶3∶0.8、1∶4∶1.2、1∶2∶0.4、2∶3∶1.6。每種配比方式進(jìn)行4 組測試，各配比單軸抗壓強度值見表1。各配比試樣破裂圖如圖2。測試結(jié)果表明不同配比號的單軸抗壓強度值不同，根據(jù)不同的地質(zhì)條件來選取合適的配比號。

3.2.2 支護(hù)方案

根據(jù)軟巖巷道的變形破壞原因和變形破壞特征，同時基于灌漿支護(hù)技術(shù)，針對性的提出了“錨桿+錨索+灌漿+雙U 型鋼”的聯(lián)合支護(hù)方式，具體參數(shù)如下。①為充分發(fā)揮錨桿對淺部圍巖變形破壞的限制作用，將頂幫錨桿延長至2 500 mm，直徑為22 mm 的超強螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，巷道每排布置15 根錨桿，每根錨桿采用K2335 樹脂藥卷3 卷；②錨索采用φ21.6 mm×L7 000 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，間排距1 200 mm×1 200 mm，每排布置5 根錨索，每根錨索采用5 節(jié)錨固劑；③支架采用型號為36 的U 性可縮性支架，棚距為800 mm×800 mm；④灌漿漿液配比為水泥∶沙子∶水=1∶3∶0.4。

表1 各配比單軸抗壓強度值

圖2 各配比試樣破裂圖

4 支護(hù)方案合理性分析

4.1 支護(hù)方案力學(xué)驗算

4.1.1 巷道所需支護(hù)載荷

依據(jù)塑性芬納（Fenner）公式[15]，可計算出所支護(hù)反力pi為：

式中：p0為初始地應(yīng)力；φ 為圍巖的內(nèi)摩擦角；c 為圍巖的黏聚力；ra為巷道半徑；Rp為圍巖塑性區(qū)半徑。

根據(jù)實驗結(jié)果和現(xiàn)場實測可得知，φ=25°，c=0.37 MPa，ra=2 525 mm，Rp=4 200 mm，p0=18 MPa，代入式（1）計算得pi=1.81 MPa。

圖3 支護(hù)方案設(shè)計圖

4.1.2 灌漿支護(hù)體支護(hù)阻力

灌漿硬化形成的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)阻力pc計算公式為[16]：

式中：τc為灌漿體抗剪強度，τc=0.15fc[17]；fc為灌漿體抗壓強度設(shè)計值，取19.69 MPa；dc為灌漿體厚度，取500 mm；α 為剪切滑移角，取33°；Rs為等效半徑，Rs=k（S/π）1/2；k 為斷面修正系數(shù)，取1.05[11]；S 為支架圍成面積，取15.9 m2。

計算得pc=1.41 MPa 固灌漿體所能提供的載荷為1.41 MPa，加上錨桿、錨索以及U 型鋼支架所提供的載荷則大于巷道所需載荷，故設(shè)計支護(hù)方案滿足支護(hù)要求。

4.2 支護(hù)方案數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，分別采用原支護(hù)方案和設(shè)計支護(hù)方案進(jìn)行對比分析，模擬中支架采用Beam 單元，錨桿和錨索采用Cable 單元，巖層參數(shù)見表2。

表2 巖層力學(xué)參數(shù)

原支護(hù)方案與設(shè)計支護(hù)方案圍巖位移、塑性區(qū)模擬結(jié)果對比圖如圖4 和圖5。

圖4 垂直位移云圖

圖5 塑性區(qū)分布圖

數(shù)值模擬結(jié)果表明，原支護(hù)方案頂板最大下沉量為220 mm，底鼓量120 mm，巷道圍巖塑性區(qū)分布較廣，采用設(shè)計支護(hù)方案后頂版下沉量65 mm，底鼓量55 mm，巷道圍巖的塑性區(qū)范圍明顯減小，采用的灌漿支護(hù)技術(shù)改善了圍巖完整性，提高了圍巖的主動承載性能，雙U 型鋼支架和混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)體為巷道提供較大的支護(hù)阻力，相比原支護(hù)方式有了較大改善，支護(hù)效果良好。

5 現(xiàn)場實測

該灌漿支護(hù)方案成功運用于某礦141712 運輸上山，支護(hù)完成后采用“十”字布點法，設(shè)置3 個測點分別監(jiān)測頂?shù)装逡约皟蓭偷奈灰谱冃瘟浚ёo(hù)后15 d 每2 d 監(jiān)測1 次，15~40 d 每5 d 觀測1 次，40 d 后每10 d 監(jiān)測1 次，持續(xù)監(jiān)測90 d，得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6。

監(jiān)測結(jié)果表明，141712 運輸上山巷道的圍巖變形可分為3 個階段。

1）快速變形階段。在巷道修復(fù)完成后的15 d內(nèi)，頂板的最大變形量34.23 mm，底板最大變形量32.12 mm，兩幫最大移近量37.58 mm，圍巖變形較為強烈，此階段灌漿支護(hù)體并未硬化，U 型鋼支架也未發(fā)揮支護(hù)作用，說明錨桿、錨索共同阻止了巷道的圍巖變形。

2）緩慢變形階段。巷道支護(hù)后15~45 d 內(nèi)，頂板最大變形量29.32 mm，最大底鼓量28.33 mm，兩幫最大移近量30.87 mm，此階段灌漿支護(hù)體逐漸硬化，與U 型鋼支架的作用開始顯現(xiàn)出來，巷道圍巖的變形速度降低。

3）趨于穩(wěn)定階段。巷道支護(hù)后45 d，圍巖變形速度明顯降低，變形量逐漸趨于穩(wěn)定，頂板最終變形量69.22 mm，底鼓量64.11 mm，兩幫移近量72.45 mm，此階段灌漿體完全硬化，與U 型鋼支架的相互協(xié)調(diào)能提供較大的承載能力，限制了巷道圍巖變形，同時錨桿、錨索也發(fā)揮自身的成拱和懸吊作用，外部應(yīng)力加固殼和內(nèi)部應(yīng)力承載殼共同限制了圍巖巷道的破壞變形。

圖6 巷道圍巖位移監(jiān)測圖

6 結(jié) 論

1）通過現(xiàn)場調(diào)研和室內(nèi)試驗得出141712 運煤上山為典型的高應(yīng)力軟巖巷道。圍巖強度低，自穩(wěn)能力差、高應(yīng)力且應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜、支護(hù)構(gòu)件支護(hù)阻力低以及未對關(guān)鍵部位進(jìn)行加強支護(hù)是巷道失穩(wěn)變形的主要原因。

2）結(jié)合141712 運煤上山巷道變形特征和變形機理，基于灌漿支護(hù)技術(shù)原理，分析提出“錨桿+錨索+灌漿+雙U 型鋼”聯(lián)合支護(hù)方案。經(jīng)理論計算和數(shù)值模擬可知，設(shè)計的聯(lián)合支護(hù)方案極限載荷大于圍巖荷載，能夠提供足夠的支護(hù)反力，可維持巷道圍巖穩(wěn)定。

3）井下試驗表明：巷道在支護(hù)45 d 后圍巖變形量趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逡约皟蓭偷淖畲笞冃瘟烤陀?00 mm，變形量在可控范圍內(nèi)，成功解決了141712運輸上山大變形難支護(hù)的技術(shù)難題。