深井高應力破碎軟巖巷道過斷層支護技術研究

張繼龍

(潞安化工集團 漳村煤礦，山西 長治 046032)

隨著煤炭淺部資源的逐漸枯竭，我國大部分礦井開采深度逐年增加，進入深部開采后，受高地應力、高地溫、高滲透壓、開采擾動等特殊地質環(huán)境的影響，圍巖力學性質發(fā)生質的轉變，表現(xiàn)出明顯的流變或蠕變特性[1-5]，巷道開挖后，圍巖出現(xiàn)大地壓、大變形、強底鼓等特點，特別是穿越斷層破碎帶時圍巖穩(wěn)定性更難以得到有效控制。本文以某礦高應力軟巖巷道為研究對象，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實踐相結合的方法，對穿越斷層破碎帶圍巖支護技術進行了研究，為類似地質條件下巷道支護提供參考。

1 工程概況

某礦初期共設5個井筒：主、副井筒，南翼進、回風井，北翼回風立井。井田主體構造為一寬緩向斜構造，將井田大體分為南北兩翼。主、副立井井筒位于向斜中央，落底于煤層頂板，落底標高-900 m。井筒落底后作石門對井田南、北兩翼采區(qū)進行開拓?，F(xiàn)北翼立風井已完工，-800 m水平209采區(qū)回風石門已掘進60 m左右，該石門巷道正在穿越F7-1斷層，從掘進面看到，由于斷層的影響，巷道圍巖為小塊茅口灰?guī)r、泥巖、炭質泥巖的混合體，巖層產(chǎn)狀混亂，節(jié)理裂隙發(fā)育，埋深840 m左右，是較為典型的高應力破碎軟巖巷道。

2 原設計支護形式

回風石門原設計支護形式為：軟弱圍巖段支護采用“掛網(wǎng)+36U型鋼組合鋼支架+噴混凝土”聯(lián)合支護。另外，還采用了錨網(wǎng)+錨索的聯(lián)合支護，底板采用鋪底網(wǎng)+12礦用工字鋼反底拱+C15混凝土充填，最后鋪底100 mm，鋪底混凝土強度等級為C25。鋼筋網(wǎng)規(guī)格為φ6.5mm，網(wǎng)孔100 mm×100 mm。支架使用36U型鋼組合鋼支架，棚距中—中500 mm。

在施工過程中，由于圍巖過于破碎，不用放炮即可掘進，若直接進行錨桿、錨索、注漿等施工，打眼極為困難，甚至可能發(fā)生冒頂事故。從目前支護情況來看，巷道掘支10 d左右噴層即開裂，變形破壞嚴重，現(xiàn)有方案難以保證圍巖穩(wěn)定。

3 采區(qū)回風石門過斷層新支護方案

深部巷道支護關鍵在于盡快提高內(nèi)結構圍巖強度，阻止圍巖中集中應力的相對無限外移[6-9]。因此，針對北翼209采區(qū)回風石門過斷層時巷道圍巖的變形特征，確定巷道采用分步聯(lián)合、分級強化支護技術。對巷道采用“金屬網(wǎng)、U型鋼拱支架、噴漿、注漿和錨索”的綜合支護方式。具體方案如下：①初次支護。采用金屬網(wǎng)、U型鋼拱形支架、噴層和梯子梁。②二次支護。采用注漿、錨索和鎖腿錨索梁。③底板鎖注一體化技術。采用搭接式卡纜對每一架U型鋼支架的腰線以下位置進行鎖腿，使整條巷道的U型鋼支架形成一個整體。④三次加強支護。組合錨索支護(另行設計)。

(1)金屬網(wǎng)參數(shù)。全斷面掛金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁，金屬網(wǎng)為φ6.5 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，規(guī)格為1 000 mm×600 mm；金屬網(wǎng)接茬處須有錨桿加鋼筋梯子梁將其上緊并緊貼巖面，網(wǎng)間搭茬長度不少于1 00 mm。過斷層巷道段的U型鋼聯(lián)合支護如圖1所示。

圖1 過斷層巷道段的U型鋼聯(lián)合支護(初次支護)Fig.1 U-shaped steel combined support(primary support) for roadway section passing through fault

(2)U型鋼支架。采用29U型鋼支架，排距600 mm。U型鋼支架雖然具有高阻、可縮和強護表優(yōu)點，但其作為一種被動支護并不能夠控制和適應復雜應力條件下巷道的變形特征，必須針對其結構上存在的薄弱環(huán)節(jié)進行補強[10-12]。每一架U型鋼支架在腰線以下位置采用搭接式卡纜進行鎖腿，形成巷幫連續(xù)約束，其裝置如圖2所示。

圖2 U型鋼支架的搭接式卡纜Fig.2 Lap type cable of U-shaped steel support

對U型鋼支架進行鎖腿主要有2個作用：①將支架沿走向連接起來，起到架間拉桿作用，增強支架的整體性和走向穩(wěn)定性；②將棚腿固定到較穩(wěn)定圍巖內(nèi)，增加其抗側壓的能力，可有效抑制巷幫內(nèi)移。

(3)噴射混凝土。待圍巖變形一定時間后(7～10 d)，再噴射混凝土，混凝土厚100 mm、強度等級C25。

(4)全斷面注漿。過斷層巷道段的全斷面注漿具體參數(shù)如圖3所示。注漿材料采用水泥—水玻璃雙液漿。

圖3 過斷層巷道段的全斷面注漿Fig.3 Full section grouting of roadway section passing through fault

(5)全斷面錨索。全斷面錨索支護參數(shù)如圖4所示。

圖4 全斷面錨索支護參數(shù)Fig.4 Supporting parameters of full section anchor cable

4 數(shù)值分析及驗證

4.1 數(shù)值模型及參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地質資料，采用數(shù)值模擬軟件FLAC對-800 m水平北翼209采區(qū)回風石門巷道圍巖特征進行模擬，建立相應的分析模型。模型尺寸長110 m、寬110 m，巷道寬5.16 m、高4.80 m，左右邊界為水平位移約束邊界，下邊界為水平和豎直位移約束邊界，上邊界為應力約束邊界，巷道埋深約840 m，數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 數(shù)值模型示意Fig.5 Schematic diagram of numerical model

根據(jù)測試報告和現(xiàn)場情況確定巖層物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖層物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock stratum

根據(jù)以上計算模型及力學參數(shù)，經(jīng)迭代計算平衡后得到的初始應力場如圖6所示。

圖6 初始應力狀態(tài)Fig.6 Initial stress state

4.2 過斷層時數(shù)值模擬

4.2.1 原支護方案支護效果模擬

原支護方案位移等值線分布如圖7所示。通過對過斷層時原支護方案下的巷道圍巖變形模擬結果分析得出，頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃瘟慷驾^大，頂板最大下沉量達1 250 mm，最大底鼓量為1 270 mm，巷道左幫移近量為 1 230 mm，右?guī)鸵平繛? 240 mm。

圖7 原支護方案位移等值線分布Fig.7 Displacement contour distribution of original supporting scheme

原支護方案圍巖應力場分布如圖8所示。從圖8可以看出，在水平方向和垂直方向上巷道周邊巖體松動范圍不斷加大，圍巖應力得到進一步釋放，巷道周邊圍巖處于較低應力水平(σx<15 MPa，σy<10 MPa)的范圍為巷道尺寸的2～5倍。

圖8 原支護方案圍巖應力場分布Fig.8 Distribution of surrounding rock stress field of original support scheme

從巷道周圍塑性區(qū)分布來看，巷道頂?shù)装宓募羟衅茐淖冃屋^多，圍巖塑性圈較大，達到約35 m，大概為巷道尺寸的7倍。巷道斷面整體變形情況如圖9所示，巷道底板已嚴重鼓起，頂板已嚴重下沉。

圖9 原支護方案巷道斷面整體變形情況Fig.9 Overall deformation of roadway section under original supporting scheme

4.2.2 新支護方案支護效果模擬

通過采用錨桿、金屬網(wǎng)、噴層和梯子梁及二次支護，利用注漿、錨索和鎖腿錨索梁等措施，巷道圍巖變形得到了有效控制。頂板最大下沉量為208 mm，底鼓量為230 mm，兩幫變形量分別為206、208 mm，如圖10所示。

圖10 新支護方案位移等值線分布Fig.10 Displacement contour distribution of new supporting scheme

從應力場分布可知，處于較低應力水平(σx<15 MPa，σy<10 MPa)的范圍為巷道尺寸的0.5～1.0倍，特別是垂直應力處于低水平的圍巖范圍只有巷道尺寸的一半，新支護方案圍巖應力場分布應力場分布如圖11所示。

圖11 新支護方案圍巖應力場分布Fig.11 Distribution of surrounding rock stress field of new supporting scheme

另外，從新支護方案下塑性區(qū)分布(圖12)來看，圍巖塑性圈較原支護方案相比明顯減小，塑性圈范圍為巷道尺寸的1～3倍。

圖12 新支護方案下塑性區(qū)分布Fig.12 Distribution of plastic zone under new supporting scheme

5 現(xiàn)場應用效果分析

試驗段內(nèi)巷道圍巖位移變化曲線(這里只列出2個斷面的監(jiān)測結果)如圖13所示。由圖13可知，在“錨+網(wǎng)+U型鋼+索+梁”支護試驗段內(nèi)的巷道頂?shù)装遄冃瘟考白冃乌厔葺^小。監(jiān)測100 d時，兩幫平均收斂量為219 mm，頂?shù)装逡平繛?67 mm，變形速度小于2 mm/d。因此，該“金屬網(wǎng)、U型鋼拱支架、噴漿、注漿和錨索”的綜合支護方式對巷道兩幫及頂?shù)装宓淖冃纹鸬搅艘种谱饔谩?/p>

圖13 巷道位移變化曲線Fig.13 Displacement curve of roadway

6 結論

現(xiàn)場支護試驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：采用“金屬網(wǎng)、U型鋼拱支架、噴漿、注漿和錨索”的綜合支護方式對控制深部高應力破碎軟巖巷道的變形具有非常明顯的效果，圍巖變形量大大減小，不僅提高了巷道頂板的穩(wěn)定性，又強化了兩幫結構，起到了“固幫強頂”的支護作用，巷道圍巖變形得到了有效控制。