深部軟巖巷道支護技術(shù)的研究及應(yīng)用

解海 王晨

摘 要：為解決某深部軟巖巷道支護難題，本文利用有限元軟件模擬不同巷道圍巖支護體系，從而選擇合適的支護方案，確定支護設(shè)計參數(shù)，并進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗。研究結(jié)果表明，采用U36型鋼棚+噴漿封閉U36型鋼棚+打安錨索梁+巷道壁后及底板注漿聯(lián)合加固方案對巷道整體進行加強支護，在工程應(yīng)用中獲得了良好的巷道圍巖變形控制效果，證實了在工程實踐中采用聯(lián)合加固的方案是可靠的。

關(guān)鍵詞：深部軟巖巷道;圍巖穩(wěn)定;聯(lián)合支護;現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號：TD353文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）35-0083-03

Abstract： In order to solve the support problem of a deep soft rock roadway， the finite element software was used to simulate the support system of surrounding rock of different roadways， so as to select the appropriate support scheme， determine the support design parameters， and carry out field industrial test in this paper. The results show that the combined reinforcement scheme of U36 steel shed + shotcrete closed U36 steel shed + anchor beam + roadway wall back and floor grouting is adopted to strengthen the support of the roadway as a whole， the good control effect of roadway surrounding rock deformation has been achieved in engineering application， which proves that the joint reinforcement scheme is reliable in engineering practice.

Keywords： deep soft rock roadway;stability of surrounding rock;combined support;field monitoring

煤礦軟巖巷道圍巖變形控制問題逐漸成為影響煤礦安全建設(shè)的一大難題，有效提高巷道圍巖支護承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其承載能力，對解決軟巖巷道圍巖變形控制問題至關(guān)重要。近年來，錨桿支護理論及技術(shù)取得了深入的研究和發(fā)展，錨桿支護技術(shù)能夠改善圍巖體應(yīng)力狀況、提高圍巖體強度、充分發(fā)揮圍巖自承載能力，能有效地控制圍巖變形，得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。本文以鶴壁中泰礦業(yè)有限公司某采區(qū)泵房水倉為例，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果優(yōu)選施工方案，并結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)性試驗進行深部巖巷支護技術(shù)研究，對巷道圍巖的支護效果進行監(jiān)測，從而進行支護控制技術(shù)分析，以期提高深部軟巖巷道穩(wěn)定性，保證巷道能夠安全高效使用。

1 工程背景

鶴壁中泰礦業(yè)有限公司四二采區(qū)泵房水倉設(shè)計總長度為241.79 m，地面標(biāo)為179.2～203.2 m，巷道底板標(biāo)高為-502.32～-506.70 m，埋藏深度為681.52～709.9 m。掘進段地質(zhì)條件較為簡單，為單斜構(gòu)造，設(shè)計巷道頂板距二1煤層底板48～40 m。該地區(qū)為新區(qū)，掘進中可能存在隱伏構(gòu)造，局部構(gòu)造可能較發(fā)育，四二采區(qū)上部為山西組二1煤層，二1煤層產(chǎn)狀如下：走向SE92°，傾向NE2°，傾角∠12°～14°。掘進期間，揭露巖性由上而下描述為：砂巖厚5 m，砂質(zhì)泥巖厚6 m。巷道掘進揭露巖性以砂質(zhì)泥巖為主，且巷道右側(cè)緊鄰大斷層，受此區(qū)域構(gòu)造格局的控制和影響，其對掘進巷道巖體起成巖和構(gòu)造破壞作用。四二采區(qū)泵房巖體的受壓性、側(cè)壓性及地壓表現(xiàn)穩(wěn)定性差，造成掘進巷道本身為砂質(zhì)泥巖，受壓后極易破碎，使砂質(zhì)泥巖層與砂巖層的黏結(jié)度降低，在施工過程中，巷道成型極不易控制。

2 圍巖支護方案選擇

為了分析軟巖巷道圍巖弱結(jié)構(gòu)破壞與穩(wěn)定性影響，下面以鶴壁中泰礦業(yè)有限公司四二采區(qū)泵房為研究背景進行三維數(shù)值分析，利用有限元軟件建立巷道模型，從支護角度對巷道圍巖變形與受力變化規(guī)律進行數(shù)值分析，以探索合適的深部軟巖巷道支護方案，并優(yōu)化施工方案，指導(dǎo)設(shè)計、施工。

本研究通過數(shù)值模擬分析噴混支護、噴混+錨桿支護、噴混+注漿支護、聯(lián)合支護（噴混+錨桿+注漿+U型鋼支架）四種支護方式圍巖變形的控制效果。試驗結(jié)果如表1所示，當(dāng)采用噴混+錨桿、噴混+注漿聯(lián)合支護方式時，其前期拱頂變形量分別為-28.3、-13.7、-7.78 mm，是噴混支護時的59.6%、28.9%、16.4%，而其前期拱底變形量分別為106.05、71.92、28.96 mm，是噴混支護時的93.9%、63.7%、25.7%。不同支護方式下，其最大拱頂沉降分別為-58.78、-43.8、-26.13、-14.99 mm，最大拱底隆起變形分別為165.31、118.90、96.31、40.86 mm，呈逐漸降低趨勢。采用聯(lián)合支護時，巷道拱腰橫向收斂變形最小，噴混+注漿法次之，噴混+錨桿法再次之，而噴混支護法變形最大，即-32.61、-82.97、-133.87、-190.28 mm。數(shù)值分析結(jié)果表明，噴混支護、噴混+錨桿、噴混+注漿和聯(lián)合支護方式均對圍巖變形和應(yīng)力變化有不同程度的控制作用，但聯(lián)合支護方式下圍巖變形最小。其中，增加錨桿支護更有利于拱頂變形與應(yīng)力控制，增加注漿支護措施，在拱頂隆起變形和應(yīng)力波動方面控制作用更明顯。結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，本文提出采用套架U36型鋼棚+噴漿封閉U36型鋼棚+打安錨索梁+巷道壁后以及底板注漿相互作用聯(lián)合加固的方法對巷道進行支護。

3 巷道圍巖弱結(jié)構(gòu)變形控制技術(shù)與現(xiàn)場試驗研究

3.1 支護方案設(shè)計參數(shù)

根據(jù)上文分析，確定采用聯(lián)合加固方案對巷道整體進行加強支護，具體設(shè)計參數(shù)如下。

套架U36型鋼棚凈斷面為寬×高=4.30 m×3.85 m，棚距為650 mm，柱腿與梁搭接長度為450 mm，搭接處采用雙卡纜進行固定，卡纜間距為200 mm;棚與棚之間拉桿布置為正頂以及棚腿，棚腿拉桿距巷道底板高度為1.4 m，每個棚腿上距底板1 m布有[Φ]24 mm的孔，該孔打安（打孔安裝）[L]=2.1 m [Φ]20 mm的金屬螺紋鋼錨桿對棚腿進行連鎖;棚后鋪設(shè)單層鋼筋背網(wǎng)，規(guī)格為[Φ]6 mm，長×寬=1 500 mm×900 mm，眼孔邊長80 mm見方，鐵背板間距為400 mm;噴漿封閉U36型鋼棚要求噴漿厚度必須與棚內(nèi)側(cè)邊緣噴平噴齊。

巷道打安錨索梁采用廢舊工字鋼加工，加工梁長度為2 m，在距梁端頭往里200 mm處分別打一個[Φ]22 mm錨索孔，錨索規(guī)格為[L]=6.0 m [Φ]17.8 mm，錨索梁間距布置兩肩窩各一根，巷道兩幫距拱基線以下600 mm各一根，錨索梁排距梁頭對梁頭200 mm。

在巷道壁后及底板注漿中，壁后注漿孔為每排7個且垂直于巷道輪廓線，正頂一個，兩肩窩各一個，巷幫拱基線各一個，兩底角各一個，排距為2 m，孔深為4 m，底板注漿孔采取“三花眼”布置，排距為2.0 m、孔距為1.5 m，角度垂直于底板，底板中線孔深為5.0 m，底板中線兩幫各布置一個孔深3.0 m，采取深淺孔間隔交替施工方案。

注漿管長度為1.5 m，注漿終孔壓力為3 MPa，注漿材料采用425#硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1。

3.2 現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果與分析

為了考察鶴壁中泰礦業(yè)有限公司四二采區(qū)泵房水倉采用聯(lián)合支護方案的支護效果，人們在現(xiàn)場試驗段實施了套架U36型鋼棚+噴漿封閉U36型鋼棚+打安錨索梁+巷道壁后以及底板注漿相互作用聯(lián)合支護的圍巖變形控制措施。其間對試驗段巷道圍巖變形進行測量，測量內(nèi)容主要包括巷道的頂?shù)装逑鄬ξ灰萍皟蓭偷南鄬ξ灰谱冃瘟俊１狙芯坎捎檬纸徊娣ㄔ谑┕ね戤叺南锏蓝尾键c設(shè)置三個測量斷面（測站），測站間距為20 m，在巷道頂?shù)装搴蛢蓭头謩e布置A、B、C、D四個測點。測量斷面測點的布置如圖1所示，周邊位移量測測樁如圖2所示。

圖3為三個測站的巷道頂?shù)装逦灰谱兓€，從圖中可以看出，巷道斷面相對位移在前期快速增長，且主要發(fā)生在巷道開挖后1～13 d，以后逐漸趨于穩(wěn)定。分析認為，巷道開挖引起圍巖應(yīng)力重分布產(chǎn)生變形，支護初期，圍巖變形尚未穩(wěn)定，初期支護為柔性支護，故巷道頂?shù)装宄跗谧冃屋^大;隨著變形增大，剛性支護起主要作用，頂板位移量逐漸趨于穩(wěn)定。上文數(shù)值分析結(jié)果也表明，前期的拱頂變形超過最大變形的50%，前期拱底變形甚至達到了最大變形的70%。數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果的吻合也表明通過數(shù)值模擬分析確定支護方案的可靠性。圖4為三個測站的巷道兩幫位移變化曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩幫位移變化趨勢與頂?shù)装逦灰谱兓嗤捌谠鲩L快，后期逐漸趨于平緩。在試驗段根據(jù)課題組制定的圍巖變形控制措施進行實施，對試驗段施工過程中的圍巖變形進行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，頂板沉降和底板隆起以及兩幫位移收斂量均明顯地得到控制。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，本文確定巷道圍巖支護采用套架U36型鋼棚+噴漿封閉U36型鋼棚+打安錨索梁+巷道壁后及底板注漿的聯(lián)合加固支護方案。其間通過現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、現(xiàn)場監(jiān)控量測，分析巷道圍巖的變形規(guī)律，提出圍巖變形控制措施。同時，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，驗證了采用聯(lián)合支護方案，能有效改善圍巖受力狀態(tài)，控制圍巖變形。

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