高應力大變形巷道變形機理及控制技術(shù)研究

馬華杰，李建永，段文超

(1.山西晉城煤業(yè)集團 晉圣坡底煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048006； 2.山西晉城煤業(yè)集團 勘察設計院有限公司， 山西 晉城 048006)

胡底礦位于沁水煤田晉城礦區(qū)，設計開采二疊系下統(tǒng)山西組3#煤層，埋深在450～730 m，總體受蒲池背斜和潘家莊向斜控制，傾角較大，局部20°，發(fā)育有落差6～12 m的3條斷裂構(gòu)造。礦井采用綜合開拓方式，主斜井、副立井和回風立井均位于井田西部工業(yè)場地內(nèi)，井底車場標高為+200 m，東部盤區(qū)大巷布置在3#煤層附近巖層中，水平標高為+150 m. 井底車場和盤區(qū)大巷之間采用5條石門聯(lián)絡，石門均為巖巷，采用半圓拱斷面。其中，主運石門凈寬5.2 m，凈斷面積18.41 m2，擔負煤炭運輸及部分進風任務。輔運石門凈寬5.4 m，凈斷面積20.09 m2，擔負輔助運輸及部分進風任務。輔助進風石門凈寬4.5 m，凈斷面積15.15 m2，擔負進風任務。兩條回風石門凈寬5.6 m，凈斷面積21.83 m2，擔負回風任務。石門均為穿層巷道，圍巖以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，局部為砂巖或粉砂巖。

針對上述5條石門巷道支護，共進行3個階段的設計優(yōu)化工作：第一階段，初始設計階段，按照批準的初步設計進行施工圖設計。第二階段，一次支護變更階段，胡底礦井下巷道部分地段發(fā)生變形，局部區(qū)域拱肩部錨桿斷裂、局部頂錨索斷裂，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研后，提高了錨桿直徑和強度，同時對局部破碎、圍巖松散區(qū)巷道采取注漿加固措施，并增加了頂幫錨索數(shù)量。采取上述措施后，巷道變形未得到有效控制，通過地應力測試、鉆孔窺視、對比分析等方法，在分析巷道圍巖變形破壞機理基礎上，提出了分段錨注支護方式，即第三階段變更設計。通過三階段優(yōu)化設計，巷道變形破壞最終得到了有效控制，經(jīng)現(xiàn)場觀測評價，達到了預期效果。

1 巷道初始支護參數(shù)及第一次優(yōu)化設計

1.1 巷道初始支護參數(shù)

巷道初始采用錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護，支護參數(shù)如下：

1) 錨桿采用d20-M22-2200mm高強左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，材質(zhì)為HRB335；采用菱形布置，間排距為900 mm×1 000 mm，每根錨桿用MSK2335和MSZ2360樹脂錨固劑各1支，錨桿錨固力≥105 kN，預緊力矩≥180 N·m.

2) 網(wǎng)片：采用d6.5 mm鋼筋網(wǎng)。

3) 錨索材料為d22 mm鋼鉸線，長度7 300 mm.錨索采用加長錨固，每根錨索安裝時端頭用MSK2335和MSZ2360樹脂錨固劑各2支，預拉力≥200 kN. 頂部二一二一交替菱形布置，排距2 m，每2 m布置3根。

4) 噴射混凝土厚度為100 mm，混凝土強度等級為C20.

1.2 第一次支護優(yōu)化設計

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和反饋，采用上述支護方式，巷道施工完成后1～6個月，5條石門均有不同程度的變形。巷道兩幫最大移近量達到1 500 mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲筮_到2 500 mm，主要表現(xiàn)為巷道幫、頂噴層大面積開裂，部分開裂嚴重處噴層已經(jīng)脫落，裸露出鋼筋網(wǎng)片和巖體，局部區(qū)域拱肩、頂出現(xiàn)錨桿、錨索破斷現(xiàn)象，底板出現(xiàn)不同程度底鼓現(xiàn)象，變形嚴重處變形量達到2 200 mm.

對巷道變形破壞原因進行分析，認為：1) 巷道變形主要是由于埋深增加，受地應力和構(gòu)造應力雙重影響，巷道受力條件較差。2) 圍巖軟弱破碎，且巷道施工噴漿滯后，引起巷道圍巖表層風化，降低了圍巖承載力。3) 初始設計錨桿、錨索支護參數(shù)及材質(zhì)強度偏小，支護強度不夠。

基于上述結(jié)論，進行了第一次優(yōu)化設計：1) 錨桿支護材質(zhì)由HRB335變更為HRB500，錨固力提高至不低于150 kN，預緊力矩≥400 N·m. 同時，巷道頂部增加一根錨索，采用三花布置(三一三一布置錨索，每2 m布置4根)；巷道兩幫各增加2根錨索。2) 對局部破碎、圍巖松散區(qū)巷道采取注漿加固措施。

通過變更設計提高支護強度，新施工的巷道變形得到了有效控制，但隨著時間推移，巷道掘進完成后3～6個月巷道圍巖又出現(xiàn)新的變形破壞。

2 巷道變形機理分析

巷道變形及圍巖失穩(wěn)受控于多重因素，主要包括：地應力、圍巖條件、支護方式及參數(shù)等[1-5]. 通過地應力測試、鉆孔窺視和理論分析等技術(shù)手段，結(jié)合上述結(jié)果對巷道變形機理分析如下：

1) 大埋深高應力作用下水平剪切變形嚴重。5條石門埋深達到650 m以上，井下共布置了4個測點對地應力進行實測，見圖1. 實測最大水平主應力為18.34 MPa，以構(gòu)造應力為主導，其最大水平主應力的方向為NEE，與石門軸向方向呈角度斜交，對巷道維護不利。在水平構(gòu)造應力作用下，加之圍巖巖性較差，巷道圍巖發(fā)生水平剪切錯動，首先表現(xiàn)為兩幫變形和拱肩變形，向巷道中心發(fā)生收縮，在兩幫擠壓作用下，對頂板和底板產(chǎn)生水平推力，導致頂板破碎和底鼓。

圖1 地應力測試情況圖

2) 圍巖軟弱、易風化，結(jié)構(gòu)較差。根據(jù)回風石門內(nèi)施工鉆孔窺視情況(見圖2)，巷道圍巖以泥巖為主，強度低，易風化，風化后呈現(xiàn)碎塊狀，裂隙較多，圍巖結(jié)構(gòu)遭到進一步破壞，承載能力喪失。巷道為穿層巷道，圍巖軟弱不均、巖性不一，各層間原生節(jié)理、裂隙存在，巖層間摩擦系數(shù)低，巷道受到水平剪切作用時，各巖層發(fā)生相對錯動，加劇了巷道的變形破壞。

圖2 回風石門頂板鉆孔圍巖窺視圖

3) 對變形巷道進行刷巷，變更支護后變形得不到控制。對變形后巷道進行刷幫、挑頂、起底后進行全斷面錨索支護，巷道變形仍不能控制。究其原因是巷道變形后，巷道圍巖破壞深度已經(jīng)超出了錨桿和錨索的有效控制范圍，修巷只能去除表面破碎圍巖，其內(nèi)部破碎圍巖仍然存在，后期補強錨索仍然安裝在破碎圍巖范圍內(nèi)，錨索錨固效果弱，錨固范圍內(nèi)裂隙無法傳遞錨索預緊力，錨索的主動支護效果差，對圍巖約束力弱。

3 分段錨注圍巖控制技術(shù)

3.1 分段錨注圍巖控制技術(shù)的提出

通過分析巷道圍巖變形的影響因素和變形機理，提出巷道圍巖變形控制技術(shù)[6-11]：

1) 注漿恢復圍巖完整性。巷道圍巖變形主要是結(jié)構(gòu)破碎，內(nèi)部裂隙導致圍巖完整性變差，控制巷道變形能力提高。采取的措施是圍巖注漿，通過注漿將圍巖內(nèi)部裂隙充填密實，提高圍巖的完整性和圍巖強度。

2) 加固兩幫和拱肩，提高巷道圍巖抵抗水平剪切的能力。對巷道兩幫和拱肩部位進行注漿錨索補強，提高該部位的抗變形能力，降低兩幫和拱肩的收縮，避免兩幫收縮對頂、底板產(chǎn)生水平擠壓影響。

3) 注漿錨索提高圍巖自承能力。經(jīng)過圍巖注漿后，圍巖結(jié)構(gòu)和強度均有提升，但圍巖自身承載能力并未提高，仍然需要主動支護結(jié)構(gòu)提高圍巖的自承能力，注漿錨索作為可施加高預緊力的主動支護構(gòu)件是最佳選擇，結(jié)合巷道圍巖破壞深度的觀測，確定注漿錨索長度為6.3 m.

4) 加固底板，提高底板抗變形能力。底板為層狀巖層，受力后容易發(fā)生底鼓。通過注漿錨索，一方面提高底板的強度，另一方面將多層底板通過錨索緊密組合成一個整體，提高圍巖的整體抗變形能力，抑制底鼓。

綜合上述支護內(nèi)容，確定采用分段錨注技術(shù)，在巷道掘進迎頭后方一定距離分段進行底板注漿錨索、圍巖注漿和幫拱補強錨索施工。一方面新掘巷道圍巖裂隙并不發(fā)育，巷道掘出后應允許巷道圍巖發(fā)生一定程度的變形進行應力調(diào)整；另一方面掘進迎頭空間有限，同時進行上述支護措施難以實施，影響巷道正常掘進。因此，采用分段錨注技術(shù)理論上是可行的。

分段錨注技術(shù)施工工藝流程為：1) 隨巷道掘進迎頭采用錨桿、鋼筋網(wǎng)+加長錨索進行初次支護，并進行初噴50 mm護表。2) 滯后于掘進頭40 m左右采用預應力注漿錨索加裝鋼筋托梁加固底板。3) 滯后于掘進頭80～120 m進行壁后注漿。4) 滯后于掘進頭200 m以上，對圍巖變形穩(wěn)定區(qū)巷幫和拱部采用高強錨索進行補強支護、進行復噴成巷。

其中，壁后注漿現(xiàn)場操作為：首先進行鉆孔作業(yè)，鉆孔d56 mm，孔深(6 000±30)mm；成孔后進行預埋錨索，將錨索、6分塑料灌漿管插至孔底，并填入少量石粉，灌入10 L水泥漿，后拔出塑料管；預埋錨索7天后，底板鋪鋼筋托梁，插入鋁塑注漿管(長度3 000 mm，外露500 mm)，安裝封孔膠塞、鋼筋托梁、托板、索具，張拉錨索(預緊力≥200 kN)后全長一次注漿，當注漿壓力達到2.0 MPa后停止注漿。

3.2 支護參數(shù)設計

1) 初次支護。

采用錨網(wǎng)索進行支護，支護參數(shù)為：錨桿采用BHRB500鋼材，桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，桿尾螺紋為M24.錨桿間距1 000 mm，排距1 000 mm，每排13根；錨桿全部垂直巷道巖面布置，采用樹脂加長錨固，使用兩支樹脂錨固劑，一支規(guī)格為MSK2335，另一支規(guī)格為MSZ2360.鉆孔d30 mm，錨固長度為1 208 mm，錨固力≥150 kN，預緊力矩≥400 N·m. 錨桿配件采用高強錨桿螺母M24×3，配合拱形高強度托板、調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm. 鋼筋網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm，搭接長度為100 mm，采用雙股16#鐵絲每隔200 mm捆扎一道，扭結(jié)不少于3圈。錨索d22 mm，長度6 300 mm，間距2 000 mm，排距2 000 mm，每排7根，全都垂直巷道巖面打設。采用加長預應力錨固，使用一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑錨固。鉆孔d30 mm，錨固長度1 971 mm；錨索托板采用300 mm×300 mm×16 mm高強度可調(diào)心托板及配套鎖具；錨索預緊力≥250 kN. 初次支護參數(shù)見圖3.

圖3 初次支護斷面圖

2) 壁后底板支護。

滯后40 m左右采用預應力注漿錨索加裝鋼筋托梁加固底板，支護參數(shù)為：錨索d22 mm，采用1×19股高強度預應力鋼絞線，長度6 300 mm；配套構(gòu)件采用20 mm焊接鋼筋托梁，高強度拱形托板，加裝調(diào)心球墊。錨索排距2 000 mm，間距2 300 mm，每排3根，中部錨索垂直底板，兩側(cè)錨索鉆孔向外傾斜10°. 滯后底板支護參數(shù)見圖4.

圖4 滯后底板支護斷面圖

3) 滯后注漿。

滯后80～120 m對圍巖變形嚴重地段進行壁后注漿，注漿參數(shù)為：注漿孔呈矩形布置，間距1 600 mm，排距2 000 mm，鉆孔深度4 000 mm；鉆孔d36 mm. 兩幫底腳注漿孔下扎15°，其余注漿孔全部垂直于巷道圍巖表面。鉆孔采用埋孔口注漿管，孔內(nèi)下射漿管(長度3 000 mm)，全長一次注水泥漿；注漿終止壓力4～6 MPa，并根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整。壁后注漿參數(shù)見圖5.

圖5 壁后注漿鉆孔布置圖

4) 滯后幫頂補強支護。

最后采用高強錨索對幫拱進行補強支護，支護參數(shù)為：錨索采用1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，錨索直徑22 mm，長度6 300 mm，破斷力不低于550 kN，延伸率不低于7%；間距2 000 mm，排距2 000 mm，每排6根；兩幫底腳錨索向下傾斜15°，其余垂直巖面布置。錨索采用全長錨固，其中：底腳錨索水泥漿端部錨固，錨固長度3 000 mm，預留第二次注漿張拉預緊段，注漿施工同底板注漿錨索；其余錨索采用3支樹脂錨固劑端部錨固，一支規(guī)格為MSK2335，兩支規(guī)格為MSZ2360，樹脂錨固長度為1 970 mm，剩余段采用水泥漿錨固。底腳錨索預緊力≥200 kN；其余幫頂錨索預緊力≥250 kN. 鉆孔深度(6 000±30)mm，鉆孔d56 mm. 滯后幫頂補強支護參數(shù)見圖6.

圖6 滯后錨索補強斷面圖

4 現(xiàn)場實施效果分析

為掌握支護后巷道圍巖變形情況，驗證支護效果，采用十字布點法監(jiān)測巷道頂?shù)装逡平俊蓭鸵平俊Ｒ灾鬟\輸石門為監(jiān)測對象，每隔40 m設置一個測站，共布置10個測站，對變形量較大的4#、5#測站數(shù)據(jù)(圖7)監(jiān)測結(jié)果進行分析。

圖7 不同加固方式下圍巖塑性區(qū)分布圖

由圖7可以看出，采用分段錨注技術(shù)后，巷道變形得到了有效控制。頂?shù)装逡平孔畲笾翟?40～155 mm，在支護后的前20 d內(nèi)，頂?shù)装遄冃嗡俣茸畲螅冃嗡俾蕿?.83 mm/d；之后變形逐漸收斂，變形速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。同樣，兩幫最大移近量在83～88 mm，在支護后的前20 d內(nèi)，兩幫變形速度最大，變形速率為3.33 mm/d；之后變形逐漸收斂，變形速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1) 通過地應力測試、鉆孔窺視、對比分析等方法對巷道圍巖變形機理進行了分析，結(jié)論為：

a) 胡底礦井下地應力以構(gòu)造應力為主，最大水平主應力的方向與石門軸向方向呈角度斜交，產(chǎn)生水平剪切變形，對巷道維護不利。

b) 巷道圍巖巖性較差，易風化是導致其變形破壞的根本原因。

c) 初次支護強度不足是導致巷道變形破壞的外在因素。初次支護不足，隨著時間推移圍巖深部產(chǎn)生有害變形，導致現(xiàn)有錨網(wǎng)噴+錨索支護方式失效。

2) 在分析變形破壞機理的基礎上，確定巷道圍巖控制應提高圍巖自身穩(wěn)定性，同時強化支護，提出分段錨注支護技術(shù)：

a) 采用錨網(wǎng)噴+錨索支護方式對巷道圍巖進行及時支護，防止形成有害變形。

b) 注漿加固圍巖，封堵巖體內(nèi)裂隙，從根本上提高圍巖自承能力，對錨網(wǎng)索支護起到補充和加強作用。

c) 工程實踐證明，采用該技術(shù)后巷道變形量明顯減小，有效控制了高應力大變形巷道圍巖變形，同時支護施工也不會對巷道掘進速度造成影響。