深埋軟巖巷道恒阻耦合支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用

孫曉明張 勇李思標(biāo)趙成偉

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京100083;2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京，100083；3.昭通金寰礦業(yè)有限公司云南昭通657000）

0 引言

淺部煤炭資源的日趨減少，使得煤炭資源的開采深度不斷增加。然而，隨著資源開采深度的增加，地應(yīng)力增大、涌水量加大、地溫升高等深部不良地質(zhì)環(huán)境愈加復(fù)雜，勢必給深部煤炭資源的安全高效開采帶來極大的安全隱患。其中，深部軟巖工程災(zāi)害問題尤為突出[1]。為此，國內(nèi)外學(xué)者針對深部軟巖工程穩(wěn)定性控制技術(shù)開展了大量研究，如李海燕[2]等提出了新型高預(yù)應(yīng)力錨索和注漿錨桿為核心的聯(lián)合控制技術(shù)；李為騰[3]等提出了方形鋼管約束混凝土拱架支護(hù)體系，以解決原有錨網(wǎng)索支護(hù)強(qiáng)度和剛度不足的難題；何滿潮院士等提出以恒阻大變形錨桿為核心的錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)、錨網(wǎng)索-桁架耦合支護(hù)技術(shù)及錨索-鋼架耦合支護(hù)技術(shù)等一系列軟巖巷道支護(hù)技術(shù)。

本文基于上述研究，以石埡口煤礦為工程背景，分析并確定了深埋軟巖巷道軟巖類型，確定了其穩(wěn)定性力學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)制，提出恒阻大變形錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

石埡口煤礦位于昭通市昭陽區(qū)東北部與彝良縣鄰接。井田范圍呈南北展布，北部寬，南部窄，北起陡坡；井田為單斜構(gòu)造，緩傾斜地層，傾角變化不明顯。斷裂構(gòu)造較發(fā)育，地質(zhì)報告顯示該區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度應(yīng)為中等類型。

石埡口煤礦軌道石門圍巖位于石炭系下統(tǒng)萬壽山組上段，穿過的巖層厚度約136 m（偽厚）左右，揭露巖層巖性依次為：粉砂巖、灰色泥質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及黑色煤層，屬于典型深埋軟巖巷道。

1.2 原支護(hù)下圍巖破壞特征

軌道石門主要采用錨網(wǎng)索噴、錨網(wǎng)噴+U型棚等聯(lián)合支護(hù)形式，然而巷道在新開后不久就出現(xiàn)圍巖大變形現(xiàn)象，其破壞特征如下：

（1）圍巖整體變形量大且呈現(xiàn)出四周內(nèi)縮的變形特征；

（2）巷道底臌量顯著，在采用錨網(wǎng)索噴+U型棚+反底拱聯(lián)合支護(hù)雖能夠初步控制圍巖變形，但30～40 天后即出現(xiàn)鋼架壓彎、底板鋼梁臌出等破壞現(xiàn)象，需要及時的臥底方可進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)；

（3）現(xiàn)場監(jiān)測顯示圍巖變形具有顯著的流變效應(yīng)，隨著迎頭的不斷掘進(jìn)，往往需要不斷對巷道進(jìn)行返修，才能開展掘進(jìn)作業(yè)。

盡管采用多種支護(hù)措施，仍不能有效控制圍巖的變形。不僅支護(hù)成本高，而且施工進(jìn)尺慢。

圖1 圍巖變形破壞特征

2 軌道石門圍巖變形力學(xué)機(jī)制

2.1 軟巖類型的確定

以軟巖工程力學(xué)為理論指導(dǎo)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研結(jié)果，對軌道石門軟巖類型和變形力學(xué)機(jī)制進(jìn)行核定。

軌道石門埋深約770 m，自重應(yīng)力約為20 MPa；現(xiàn)場調(diào)研可知，圍巖遇水極易軟化，巷道底板在水的作用下發(fā)生顯著變形，且根據(jù)礦井地質(zhì)報告可知圍巖強(qiáng)度低（單軸抗壓強(qiáng)度約20 MPa），將其歸為強(qiáng)膨脹型軟巖（低強(qiáng)度強(qiáng)膨脹型軟巖）；圍巖層理、節(jié)理極其發(fā)育（如圖3），現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)巖石沿層理、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生顯著滑移、掉落等塑性變形，故可將其歸納為節(jié)理化軟巖。

綜上所述，可將軌道石門巷道圍巖劃分為高應(yīng)力-節(jié)理化-膨脹型復(fù)合型軟巖，即HJS型軟巖。

2.2 軌道石門圍巖變形力學(xué)機(jī)制

現(xiàn)場調(diào)研可知，巷道掘進(jìn)層位巖石為以泥巖為主的泥質(zhì)類巖石，且圍巖遇水極易軟化，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，可將其變形歸為Ⅰ型（物化膨脹型）中的ⅠAB機(jī)制，即分子吸水+膠體膨脹；軌道石門所處水平埋深約770 m，埋深大、自重應(yīng)力高，可將其歸為Ⅱ型（應(yīng)力擴(kuò)容型）中的ⅡB機(jī)制，即重力機(jī)制，根據(jù)相鄰巷道運(yùn)輸石門掘進(jìn)期間巷道圍巖變形具有兩幫變形頗為明顯的特征，可將其歸為ⅡC機(jī)制，即構(gòu)造應(yīng)力機(jī)制；巷道掘進(jìn)期間發(fā)現(xiàn)斷層，在與地質(zhì)科確認(rèn)后，初步確定巷道走向與揭露斷層成55°夾角，且層理走向與巷道走向亦成約57°夾角，揭露斷面內(nèi)圍巖節(jié)理成隨機(jī)布置狀態(tài)，因而將其歸為Ⅲ型（結(jié)構(gòu)變形型）中的ⅢABⅢCBⅢE機(jī)制。

可將軌道石門變形力學(xué)機(jī)制歸納為ⅠABⅡBCⅢABⅢCBⅢE型復(fù)合變形力學(xué)機(jī)制。

圖2 圍巖層理、節(jié)理發(fā)育

3 軟巖巷道穩(wěn)定性控制軟化對策

由上述可知，軌道石門圍巖屬于HJS復(fù)合型軟巖，其變形力學(xué)機(jī)制為ⅠABⅡBCⅢABⅢCBⅢE型復(fù)合變形力學(xué)機(jī)制[6]，根據(jù)軟巖工程力學(xué)理論，可通過以下技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的ⅡB型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軌道石門軟巖工程的順利實(shí)施。具體轉(zhuǎn)化過程如下：

根據(jù)現(xiàn)有資料，針對HJS 復(fù)合型軟巖的復(fù)合變形力學(xué)機(jī)制，首先采用噴漿封閉圍巖，減小圍巖的暴露時間，同時通過巷道斷面優(yōu)化預(yù)留出變形量釋放圍巖變形能，隨后施加恒阻大變形耦合支護(hù)控制體系配合錨桿三維優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化其復(fù)雜的變形力學(xué)機(jī)制，最后通過關(guān)鍵部位支護(hù)和底臌三級控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的ⅡB型變形力學(xué)機(jī)制。

4 軌道石門恒阻大變形耦合支護(hù)設(shè)計

4.1 軟巖巷道恒阻大變形耦合支護(hù)機(jī)理

巷道掘進(jìn)后及時對斷面進(jìn)行噴漿封閉，減少圍巖與空氣接觸時間，快速鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并安設(shè)恒阻大變形錨桿/索，通過錨桿/索的高預(yù)應(yīng)力對圍巖進(jìn)行加固，考慮到圍巖內(nèi)部巨大塑性能的釋放將會以變形的形式釋放，圍巖的變形首先作用于恒阻大變形錨桿/索，此時恒阻大變形錨桿/索的受力將會不斷增大，當(dāng)其達(dá)到設(shè)計恒阻值時，錨桿/索依靠自身的恒阻吸能裝置在保證高恒阻值時產(chǎn)生相對位移，隨著相對位移的不斷增加，圍巖中的塑性能將以自身變形和恒阻大變形錨桿/索的變形的形式釋放，隨著塑性能的不斷釋放，作用于圍巖和支護(hù)體的能量將會逐漸減小，此時，恒阻大變形支護(hù)體將保證恒阻耦合支護(hù)狀態(tài)，同時實(shí)現(xiàn)了對圍巖塑性能的層次性控制釋放，進(jìn)而保證了圍巖的穩(wěn)定性。

4.2 軌道石門恒阻大變形耦合支護(hù)設(shè)計

根據(jù)上述分析，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，確定石埡口礦軌道石門軟巖巷道支護(hù)形式為：恒阻大變形錨網(wǎng)索噴+鋼筋梯+W 型鋼帶+底角注漿錨管耦合支護(hù)，其支護(hù)設(shè)計如圖4，支護(hù)參數(shù)如下：

（1）恒阻大變形錨桿：采用HMG-300-2.5 型恒阻大變形錨桿，頂幫錨桿間排距均為800 mm×800 mm，平行布置；

（2）恒阻大變形錨索：采用HMS-300-6.3 型恒阻大變形錨索，頂板錨索間排距800 mm×1 200 mm，幫部恒阻大變形錨索排距1 600 mm，平行布置；

（3）底角錨管：采用無縫鋼管，尺寸為外徑32 mm、內(nèi)徑24 mm、長4 000 mm，內(nèi)插直徑14 mm、長3 500 mm 鋼筋，鋼管桿體上均勻開鑿12 個? 6 mm 圓孔，孔縱向間距500 mm，三花布置；

（4）鋼筋梯：由直徑? 14 mm 鋼筋焊接而成，兩根鋼筋間距不大于60 mm，連接點(diǎn)間距600 mm，使用12#鋼筋扎箍焊接；

（5）W型鋼帶：采用寬度280 mm，厚度4 mm，材質(zhì)Q235，孔間距1 600 mm；

（6）金屬網(wǎng)：采用? 8.0 mm鋼筋焊接而成，網(wǎng)片尺寸為1 000 mm×2 000 mm，網(wǎng)格尺寸100 mm×100 mm，網(wǎng)片搭接100 mm～200 mm，網(wǎng)與網(wǎng)之間通過專用聯(lián)網(wǎng)器工具，鉤扣聯(lián)結(jié)，連接點(diǎn)間距不大于200 mm；

（7）混凝土：噴射混凝土強(qiáng)度等級為C20，澆筑混凝土強(qiáng)度等級為C25，水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，內(nèi)摻防水劑。

圖4 軌道石門恒阻耦合支護(hù)設(shè)計圖（單位：mm）

5 工程應(yīng)用

為精準(zhǔn)監(jiān)測圍巖的動態(tài)變形，采用米字型網(wǎng)格對圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測，重點(diǎn)監(jiān)測圍巖頂板、左右肩窩處、左右?guī)筒考暗装逄幈砻孀冃瘟俊，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖5）顯示：

（1）經(jīng)過110天的監(jiān)測圍巖變形量最終趨于穩(wěn)定，其中最大變形量出現(xiàn)在左幫及左肩窩處，約為210 mm。

（2）監(jiān)測點(diǎn)在滯后迎頭20天范圍內(nèi)變形處于加速增長階段；在滯后迎頭20～60 天范圍內(nèi)變形處于緩慢變形階段；在滯后迎頭約60 天后，變形開始進(jìn)入穩(wěn)定階段。

（3）恒阻大變形錨索受力隨著時間的變化，其受力變化亦分為三個階段：緩慢增壓、劇烈增壓和壓力穩(wěn)定階段，其變化范圍與圍巖變形量的發(fā)展規(guī)律具有良好的相似性。

圖5 圍巖變形量監(jiān)測

圖6 恒阻大變形錨桿受力監(jiān)測

6 結(jié)論

（1）石埡口礦軌道石門屬于典型的深埋軟巖巷道，其破壞具有變形量大、流變效應(yīng)顯著、穩(wěn)定性差及返修量大等特點(diǎn)；理論和現(xiàn)場分析可知該巷道圍巖屬于HJS 復(fù)合型軟巖；分析并確定了軌道石門圍巖其變形力學(xué)機(jī)制：ⅠABⅡBCⅢABⅢCBⅢE。

（2）制定了行之有效的復(fù)合型軟巖變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)換對策：初噴封閉圍巖，NPR 錨網(wǎng)索耦合支護(hù)限制圍巖大變形，底角注漿錨管切斷底板應(yīng)力傳遞路徑以控制底臌。

（3）提出了以恒阻大變形錨桿/索為核心的穩(wěn)定性控制技術(shù)，即恒阻大變形錨網(wǎng)索噴+鋼筋梯+W 型鋼帶+底角注漿錨管耦合支護(hù)技術(shù)。

（4）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示圍巖在滯后迎頭60 天（或滯后迎頭70 m）后，其變形及受力逐步趨于穩(wěn)定。