金川礦區深部高地應力礦山巷道錨網支護技術

李利峰 韓六平 張曉虎 鄧慧琳

（1.貴州工程應用技術學院土木建筑工程學院，貴州畢節551700；2.貴州工程應用技術學院理學院，貴州畢節551700）

隨著金川礦區采礦作業逐漸向深部拓展，巷道高地應力凸顯，導致圍巖完整性及穩定性均受到不同程度的破壞。同時由于該礦區節理裂隙較為發育，礦體巖性復雜且完整性不佳，加之受深部高水平應力的影響，巷道圍巖破壞程度嚴重。特別是處于礦巖接觸帶位置的巷道，由于巖性差異大，當巷道掘進施工后，若長時間暴露在空氣中或巷道開挖面積過大，則容易引發冒頂、片幫等災害。礦山原采用的錨噴支護方式的不足有：①勞動強度大、施工環境差及經濟成本高；②不能適應深部巷道圍巖大變形要求造成支護體失效，導致巷道產生失穩和破壞。

近年來，針對深部巷道顯現的圍巖應力狀態、變形破壞特征，為解決其支護難題，相關學者進行了大量研究。謝和平［1］對深部巷道開采強擾動應力路徑下煤體損傷規律及非連續支承壓力理論進行了探索；康紅普等［2］提出了適用于超千米深井巷道的支護方式：一是U型鋼支架加反底拱、頂板與兩幫錨桿錨索聯合支護，二是頂板與兩幫錨桿錨索，底板錨索支護并注漿的支護方式；李為騰等［3］對高應力軟巖巷道錨噴支護的失效機制進行了研究，認為具有一定高強度的剛性支護對于維持巷道穩定性很有必要；董志宏等［4］根據高應力巷道錨索受力特征，建立了錨索結構風險等級體系，提出了適時降低錨索鎖定噸位以保障支護系統安全可靠的對策；劉曉云等［5］建立了礦巖接觸帶巷道頂板力學模型，推導了頂板撓度表達式；孟慶彬等［6-7］提出了“錨注加固體等效層”概念，揭示了等效層的厚度、彈性模量等參數對巷道圍巖變形的影響規律，為錨注支護設計奠定了基礎；文獻［8-13］研究認為針對深部巷道支護，不僅需要對支護材料強度和密度進行優化，還需要充分發揮圍巖的自承能力，使圍巖與支護材料形成一個整體結構；唐建新［14］等提出了以新型全長黏結錨固、全封閉護面、頂板多拱有序承載和圍巖協同加固技術為核心的支護方案，并應用于高應力“三軟”煤層回采巷道，有效控制了圍巖變形；文獻［15-18］結合耦合支護原理，認為采取錨桿、U鋼和錨注有機組合的支護方式，可在一定程度上提高巷道圍巖的自承能力。

雖然上述研究對于提高巷道圍巖穩定性具有較好效果，但由于深部巷道圍巖所處的環境復雜多樣，導致支護難題仍然突出，如何根據圍巖變形破壞特征和機理因地制宜地選取支護技術還有待于進一步研究。本研究以金川礦區某回采巷道為例，在分析其變形破壞特征及機理的基礎上，結合原錨噴支護出現的問題及原因，提出了無噴射混凝土錨桿+TECCO網的支護設計方案，以改善高應力巷道圍巖的力學性能，提高圍巖的自承能力，確保巷道穩定可靠。

1 工程背景

1.1 工程地質條件

金川礦區總體地勢較為平坦，海拔1 500～1 800 m，主要分為4個區域，即Ⅰ礦區、Ⅱ礦區、Ⅲ礦區和Ⅳ礦區。礦區巖性較為復雜，主要包含條痕混合巖、大理巖、混合花崗巖、超基性巖體等［19］。在早期成礦過程中，受強烈的巖漿活動影響，導致礦區內地質結構復雜多變，斷層錯綜復雜，節理裂隙非常發育。礦巖主要發育有3組優勢節理，節理平均間距約為0.2 m，裂隙結構面存在低強度礦物質，主要包括鈣質、綠泥質、鐵質等。巷道圍巖主要由混合巖、大理巖、片麻巖等構成，這些巖石破碎程度較高，整體性較差，同時遇水易膨脹。礦區巖（礦）石的主要力學參數取值見表1。

受多次地質構造運動影響，金川礦區逐漸形成了以水平構造應力為主的高應力礦區。據已有的地應力測量結果［19］：當巷道埋深為1 000 m時，水平最大主應力、水平最小主應力、自重應力分別達到50 MPa、20 MPa和25 MPa，水平應力為自重應力的1.69～2.27倍。在高地應力作用下，礦區工程地質條件復雜，巖體松軟破碎，新開挖巷道易發生嚴重的變形破壞，給礦區安全高效生產帶來了嚴峻考驗。

1.2 礦山高應力巷道變形破壞特征

針對金川礦區巷道頻繁出現的變形、失穩、支護體破壞等問題，結合室內試驗和現場勘測方法對巷道軟弱巖體特征進行了系統分析，將巷道圍巖分為松散巖體、軟弱巖體及破碎巖體（表2）。

（1）松散巖體。該類巖體完整性較差，掌子面開挖后，巖體初始平衡狀態遭到破壞，應力將重新分布，直至達到新的力學平衡狀態。在巖體應力重新分布的過程中，圍巖會逐漸產生變形，當變形到一定程度后，會出現一部分巖石與“母體巖石”分離開來的現象，圍巖表面位移變形監測曲線將表現出“跳躍式”形態。該類巖體巷道在掘進過程中容易發生片幫、冒頂等災害。

（2）軟弱巖體。軟弱型巖體在金川礦區最為常見，發生失穩、破壞的巷道中有60%以上都屬于軟弱性巖體巷道。該類巖體主要表現為綠泥化、鈣化嚴重，巖石力學強度較低，易風化或水解，掌子面開挖后，巷道全斷面塑性擠入，巷道周邊將形成一定范圍的裂隙帶。該類巖體巷道掘進后，圍巖變形量大、變形持續時間長、支護困難。

（3）破碎巖體。由于金川礦區巖石節理裂隙較發育，在礦巖接觸帶位置尤其嚴重，受高地應力影響，巖體呈現出破碎形態。掌子面開挖后，在巖體應力不斷調整的過程中，一部分巖石將沿結構面產生滑移而失穩，進而導致其它巖體產生連鎖破壞反應。該類巖體巷道掘進后易出現裂縫、片幫現象。

1.3 礦山巷道原支護方法分析

1.3.1 礦山原支護方法

金川三礦區某回采巷道斷面設計為直墻半圓拱型，寬3.2 m，幫部直墻高度為2 m，拱頂半圓半徑R為1.6 m，常采取的支護方法為錨噴支護。支護材料主要為管縫式錨桿（20MnSi鋼）和C30混凝土。支護參數錨桿長度為2.0 m，直徑40 mm，錨桿間排距為1 m×1 m，初噴混凝土厚通常為30～40 mm，二次噴射后噴層厚度達60～70 mm。巷道原支護斷面如圖1所示。

1.3.2 礦山原支護方法存在的問題及原因

回采巷道采用原支護方法施工后，存在如下問題：

（1）圍巖變形量大、持續時間長。由于該回采巷道礦巖接觸帶較多，節理裂隙等軟弱結構面承載力薄弱，在高地應力作用下非常容易發生破壞，從而導致巖體的力學性能呈現出非連續性和不均一性的特點。由于巷道頂板和兩幫處于抗拉強度較低的巖層之中，一旦拉應力超過支護體的抗拉強度，支護體的穩定性將遭到破壞，從而導致圍巖變形量逐漸增大直至巷道發生失穩、破壞。

（2）巷道噴射混凝土層掉塊、剝落。受到高地應力、地下水和爆破震動的影響，支護體的受力狀態將不斷重新分布和調整。一旦噴射混凝土與圍巖之間的黏結力低于噴射混凝土與圍巖自身的強度，就容易造成噴層掉塊、剝落，從而使得錨噴支護效果大打折扣。

（3）支護體噴層開裂、錨桿錨固力下降。由于混凝土的抗拉強度非常小，僅有抗壓強度的1/10。一旦混凝土層不緊密或不均勻，則容易造成應力集中，導致其在彎曲張拉作用下出現裂縫。錨桿作為深入地層的受拉構件，若裂縫范圍不斷擴散將會影響錨桿在巖層中錨固段的拉應力，長期如此則會導致錨桿錨固力下降甚至失效，嚴重削弱了支護體的整體性。

2 高應力巷道無噴混凝土錨網支護技術

2.1 無噴混凝土錨網支護設計依據

為有效解決金川礦區原支護方法存在的問題，確保深部開采時巷道維持穩定可靠，一方面需要提高巷道圍巖的強度與剛度，圍巖自承能力大小是影響支護體充分發揮作用的一個關鍵因素；另一方面要將錨桿間圍巖荷載通過錨桿逐漸傳遞至原巖，以此改善巷道圍巖的應力集中狀態，防止錨桿間圍巖發生過大變形及破壞。為此，本研究提出了無噴射混凝土錨桿+TECCO網聯合支護體系，以提高巷道圍巖的自穩能力，控制圍巖過大變形。

2.2 無噴混凝土錨網支護關鍵技術及作用機理

2.2.1 TECCO網

TECCO網由瑞士布魯克集團研發設計，采用高強鋼絲精加工編織而成，鋼絲直徑為3 mm，網孔大小為140 mm×80 mm（圖2）。TECCO與傳統礦用金屬網的區別為：①無任何焊接點；②動力性能好，每平方米可抵擋600 kg的巖石；③抗拉強度可達1 770 MPa；④耐腐蝕；⑤制作工藝特殊，不會因為一根鋼絲斷裂而影響整張網的效果；⑥質量輕，易于運輸且鋪設勞動強度低。目前，TECCO網主要應用于公路、鐵路、電站及臨山建筑物等的邊坡防護中，防止坡面發生落石、坍落、崩塌、危巖等地質災害。TECCO網在邊坡防護中取得了良好效果，但在巷道支護中的應用較少。

2.2.2 錨網支護作用機理

針對金川礦區松散型、軟弱型和破裂型巖體，本研究錨桿+TECCO網復合支護的主要作用有：

（1）針對松散型巖體巷道，由于TECCO網具有高達1 770 MPa的抗拉強度，當巷道圍巖產生變形后，支護體逐漸與其形成一個緊密的整體結構，可大大提高圍巖的自承能力，使巖體在結構面上由兩向受力轉變為三向受力，其抗壓能力、抗剪能力、抗拉能力及殘余強度都將得到提升，從而能夠有效控制圍巖變形。

（2）針對軟弱型巖體巷道，錨桿能將淺部軟弱圍巖懸吊于深部穩定巖層之中，充分發揮圍巖的自承能力；還可通過次擠壓作用將錨桿桿體附近的破碎圍巖加固成承壓拱，來承受深部巖體施加的徑向載荷。同時錨網支護體可使松動圈內的節理裂隙、破裂面得以聯接，增加巖層間的摩擦力及抗剪強度，從而限制軟弱巖層相互錯動，形成環形加固帶，增大錨固區圍巖強度，提高巷道圍巖的承載能力。

（3）針對破裂型巖體巷道，具有杰出動力性能的TECCO網在一定程度上能夠抵抗頂板冒落的破碎巖石，將破碎狀態圍巖轉為鑲嵌結構，提高圍巖的整體性，最大限度地發揮支護體的承載作用。同時TECCO網既能將單根錨桿聯接成為一種錨桿群，將點支護轉換為面支護，提高支護體的作用效果；又能將作用在其上的載荷傳遞到錨桿及深部穩定巖層中，改變圍巖的應力狀態。

2.3 無噴混凝土錨網支護設計參數

（1）錨桿長度。錨桿長度可進行如下計算：

式中，L為錨桿總長度，m；L1為錨桿外露長度，結合現場實際，取0.1 m；L2為錨固段長度，取0.2～0.3 m；L3為錨桿的有效錨固長度，要求大于巷道不穩定巖層厚度，根據巷道聲波法圍巖松動圈測試結果，取1.65 m。經計算：L=1.95～2.05 m，取2.1 m。

（2）錨桿間排距。由懸吊理論可知，錨桿間排距可根據每根錨桿懸吊的巖石質量確定［20-21］，即錨桿懸吊的巖石質量視同與錨桿的錨固力一致，即：

式中，Q為錨桿錨固力，根據錨桿抗拔力試驗結果，取75 kN ；K1為錨桿安全系數，一般取1.5～2.0；Sl為錨桿間距，m；Sc為錨桿排距，m；γ為巖石體積力，取28 kN。

通常情況下，錨桿根據等間距排列原則有下式成立：

經計算，可得Sl=Sc=0.90～1.03 m，結合現場施工實際情況，取1 m。

采用本研究方法支護的巷道斷面如圖3所示。

3 錨網支護圍巖變形監測與分析

3.1 圍巖變形監測方案設計

為充分驗證錨桿+TECCO網的支護效果，選取金川三礦區1 474 m水平11行采場某進路中間部位同時施工長200 m的錨網支護與長200 m的原始支護進行試驗對比研究，兩支護段間距為80 m。支護完成后立即分別設置3個測站對兩個支護段的圍巖變形情況進行監測，測站間距均為50 m，支護段分布及監測站布置如圖4所示。

3.2 圍巖變形監測分析

通過定期對現場監測站進行數據采集、處理和分析，得出90 d內各斷面的圍巖變形變化情況，錨網支護段2#斷面及原始支護段2'#斷面的圍巖變形監測結果如圖5所示。

結合圖5分析可知：

（1）兩幫收斂。錨網支護和原始支護完成后的20 d內，兩者所處巷道段的圍巖變形均較為活躍，但由圖5可知，在錨網支護段巷道變形“活躍期”內，其兩幫收斂速率比原始支護段的兩幫收斂速率小。在支護完成的21 d后，錨網支護段巷道變形速率持續降低，至40 d時變形速率約為0.07 mm/d，圍巖基本達到穩定狀態，最終兩幫收斂量為51.88 mm。原始支護段巷道圍巖持續發生變形，至第56 d時兩幫出現噴層開裂現象，至90 d時兩幫收斂量已達207.55 mm，兩幫發生了嚴重變形。總體上，錨網支護段巷道兩幫最終收斂量較原始支護段巷道兩幫收斂量降低了75%左右。

（2）拱頂沉降。兩種支護方式巷道在支護完成后20 d內圍巖變形均較為活躍，但錨網支護段巷道變形速率仍然較原始支護段緩慢。21 d后錨網支護段巷道變形速率持續降低，至40 d時變形速率約為0.098 mm/d，圍巖基本達到穩定狀態，最終拱頂沉降量為85.58 mm。原始支護段巷道圍巖變形速率持續增大，至40 d時變形速率約為4.92 mm/d，第60 d時頂板部位逐漸出現噴層開裂現象，第75 d發現巷道頂板有掉塊現象，至90 d時拱頂沉降量已達407.88 mm，此時嚴重的頂板離層現象已導致支護體部分失效。總體上，錨網支護段巷道最終拱頂沉降量較原始支護段巷道降低了79.01%。可見，本研究提出的無噴混凝土錨桿+TECCO網支護方式有效抑制了巷道冒頂現象的發生。

綜上所述，錨網支護段巷道在支護完成40 d后便趨于穩定，而原始支護段巷道圍巖變形持續時間較長，在支護完成90 d后仍沒有減緩趨勢，且錨網支護段巷道較原始支護段巷道的變形量更小、變形速率更緩。由此可以認為：對金川礦區高應力巷道采用無噴混凝土錨網支護方式，可以有效控制圍巖變形。

4 結 語

金川礦區三礦區1 474 m水平11行采場某進路屬于典型的高應力軟弱巖體巷道，通過對巷道圍巖變形破壞特征的分析，提出了錨桿+TECCO網的耦合支護技術。研究表明：該技術具有施工工藝簡單、作業速度快、粉塵濃度小等特點，相對于該礦原采用的錨噴支護方法具有顯著優勢，可以適應圍巖大變形要求，確保巷道處于安全穩定狀態。