兩側采動作用下砌碹巷道錨注耦合支護技術研究

王 學

(華潤煤業(集團)有限公司 發展部,太原 030021)

作為一種傳統的巷道支護形式,砌碹支護結構以其支護結構剛度大、服務年限長等諸多優點在我國開拓巷道和準備巷道中曾得到較為廣泛的應用,在巷道圍巖穩定性控制方面發揮了重要的作用[1-2]。過去數十年來,相關專家學者圍繞砌碹的碹體材料、砌碹工藝和后期維護等方面展開了大量的研究,對砌碹巷道的變形破壞特征和變形規律已有較好掌握[3-5]。隨著錨桿支護技術的發展與進一步完善,考慮到砌碹支護工藝和支護效果等原因,砌碹支護技術在新建礦井中使用的頻率逐漸降低。但是,對于早期建井過程中構筑的砌碹巷道的圍巖穩定性依然是影響礦井安全生產的一個重要因素,而對砌碹結構在多次采動作用影響下的破壞機理的深入探討相對欠缺[6-9]。本文以某生產礦井砌碹巷道在兩側采動作用下出現的嚴重變形為切入點,在系統分析變形破壞機理的基礎上,采用UDEC數值計算軟件,對不同支護條件下巷道的圍巖穩定性進行系統評估。基于數值計算結果和現場工程實際,確定補強支護的關鍵參數,并成功應用于工程實踐。

1 工程概況

某礦井位于山西省晉城市,礦井地質構造簡單,設計生產能力120萬t/a。礦井主要開采煤層為3#煤層,煤層傾角3°～15°,平均埋深300 m。煤層頂板為泥巖和細粉砂巖,底板為粉砂巖和砂質泥巖,圍巖結構相對穩定。礦井設計過程中布置有3條大巷,如圖1所示。3條大巷均沿煤層頂板掘進,平均間距為40 m。巷道斷面為直墻半圓拱,巷道寬度為4.5 m,墻體高度為1.8 m。大巷初始支護形式為粗料石砌碹支護,具體支護參數如表1所示。

表1 大巷支護參數

隨著下分層工作面開采,三條大巷處于兩側采空狀態,巷道圍巖穩定受到嚴重影響。具體表現為:原有粗料石支護結構出現錯動,部分料石出現破碎、掉落情況。特別地,在直墻半拱中間位置,巷道頂板下沉量較大,有頂板冒落的潛在風險,嚴重影響了礦井正常的通風、運輸和行人安全。

2 砌碹巷道變形破壞原因分析

考慮到三條大巷未受采動作用影響前圍巖相對穩定,未出現明顯的變形破壞,通過對實際工程的現場調研和查閱相關文獻資料,對本研究涉及的砌碹巷道變形破壞原因分析如下。

1)砌碹巷道支護結構作為一種典型的被動支護形式,在實際使用過程中主要對巷道頂板的松散圍巖起到承載作用,對于圍巖松動圈以外的圍巖穩定控制效果有限。巷道頂板6.04 m的泥巖層在采動作用影響下出現的變形將直接傳遞到碹體結構,支護壓力較大。

2)由于大巷自身為直墻半圓拱形狀,在實際施工過程中不可避免地在砌碹結構和原有巷道壁之間出現不耦合接觸的情況。這種人為形成的空洞和孔隙使得碹體結構無法有效地向巷道圍巖提供支撐作用。在未受采動作用之前,不耦合接觸部位的碹體結構即處于失效狀態。由于這個過程中巷道圍巖應力變化差異大,故巷道整體圍巖結構保持相對穩定。

3)當原本支護效果有限的砌碹結構受到應力擾動時,容易出現結構性失穩。具體而言,在下分層開采過程中,采動作用造成巷道周圍圍巖應力的二次分布。考慮到兩次采空過程出現的時空關系,碹體結構在非均布應力作用下容易出現非對稱破壞。作為一種典型的被動支護結構,一旦砌碹結構某一部位出現破壞,極其容易引發整個支護結構的破壞,同時給巷道圍巖穩定控制帶來極大的影響。

3 基于數值計算的砌碹巷道支護方案優選

目前對于砌碹巷道的支護設計方法主要集中在工程實踐經驗基礎上,形成了以注漿加固為代表的技術體系,但缺乏相應的理論依據[10-13]。本研究采用離散元軟件UDEC對不同支護形式下的巷道圍巖變形狀況進行模擬分析。根據巷道實際空間位置關系,建立離散元數值計算模型。在此基礎上,模擬分析砌碹支護形式下的巷道圍巖變形狀況,進一步分析砌碹巷道圍巖失穩機理。隨后，分析采用不同支護形式下的巷道變形情況,為確定科學合理的支護參數奠定基礎。

3.1 數值計算模型建立

根據前文介紹的巷道空間布置情況,建立寬度和高度分為別為323 m和93 m的二維數值計算模型,如圖2所示。模型左右邊界水平方向固定,下邊界垂直方向固定,上邊界按照平均埋深300 m施加縱向荷載。其中,膠帶大巷位于模型正中位置,回風大巷和軌道大巷位于膠帶大巷左右兩側,大巷保護煤柱寬度為40 m。

圖2 數值計算模型

通過實驗室巖石力學性質測試,獲得包括巖石單軸抗壓強度、抗拉強度在內的基本巖石力學參數。通過反復調試的方法,獲得表2所示的用于數值計算的關鍵參數。

表2 巖層的物理力學參數

3.2 砌碹巷道加固方案評估

為實現砌碹巷道在使用周期內的圍巖相對穩定,首先對采用砌碹支護(方案1)技術條件下巷道變形破壞特征進行研究。在此基礎上,對“砌碹+注漿”(方案2)和“砌碹+注漿+錨桿”(方案3)支護條件下巷道圍巖變形情況進行對比分析。為保證數值計算結果的可比性,本研究選取碹體厚度為0.3 m,使用長度為2.6 m的錨桿,間排距為800 mm×800 mm。

圖3為采用不同支護方案條件下得到的不同巷道的圍巖變形情況。

(a)回風大巷

如3圖所示,單純采用砌碹支護時(方案1),無論是巷道的頂板下沉、底板臌起還是兩幫移近量均為最大。砌碹支護形式作為一種典型的被動支護形式,在實際使用過程中并不能給裸露的巖體提供有效支撐,無法控制巷道圍巖向臨空面的擴展。在未受到采動作用影響前,砌碹結構可以在一定程度上保持結構的穩定性。然而,在下分層工作面開采過程中，在超前支撐壓力作用影響下,原有的砌碹結構發生破壞。特別地,大巷兩側工作面的非同時開挖極易造成施加在砌碹結構上的非均勻承載,導致碹體出現壓碎或者掉落的情況出現。

采用“砌碹+錨桿”支護結構形式時(方案2),原有的碹體結構在錨桿桿體和托盤的共同作用下,可以保持與巷道壁的緊密結合,減少了碹體結構的整體性破壞。同時,由于錨桿支護結構發揮的主動支護效應可以承擔一部分圍巖自重,降低了碹體結構本身的承載需求。此外,錨桿支護結構在一定程度上增加了圍巖的自身力學性質,在支護結構和圍巖自身穩定的基礎上,巷道圍巖的穩定性得到了有效控制。采用“砌碹+錨桿”支護時,巷道的整體變形量表現出顯著降低的趨勢。

與方案1和方案2相比,本研究提出的“砌碹+注漿+錨桿”支護技術(方案3)可以更好地控制巷道圍巖變形。如圖3所示,巷道圍巖整體變形情況得到進一步改善。作為采動作用影響下的砌碹巷道,在碹體內部不可避免地出現圍巖的變形,繼而存在一定范圍的空洞和離層。在錨桿支護技術的基礎上,通過注漿加固的方式可以更進一步提高圍巖自身力學性質,充分發揮圍巖的自承載能力。同時,通過注漿加固可以有效地填充碹體內部巷道圍巖的空洞和裂隙,保證錨桿支護能夠找到穩定的錨固區和著力點。

4 耦合支護方案與控制效果評價

基于上述數值計算分析結果,結合礦井實際生產情況,本研究提出“高水材料壁后充填+錨桿支護補強”相結合的耦合支護方案。

4.1 高水材料壁后充填

考慮到巷道沿軸向和徑向的非均勻應力狀態和現場觀測到的局部支護破壞情況,提出砌碹結構壁后充填技術方案。通過在砌碹結構和巷道圍巖之間的孔隙中進行人工充填,可以使原有的砌碹結構和巷道壁圍巖形成統一的承載體,進一步發揮砌碹結構的支護效果。由于“碹體結構—壁后充填體—巷道圍巖”的相互作用關系直接影響到壁后充填結果,因此壁后充填材料的選擇顯得尤為重要。從理論上講,壁后充填材料在滿足強度要求的前提下,需要具有一定的變形能力。同時,壁后充填材料還應該保證在充填過程中保持足夠的流動性和可滲透性,保證壁后充填過程不會對原有的砌碹結構產生顯著的二次破壞。

基于上述考慮,本研究選取具有高水灰比、速凝、早強特性的礦用高水材料作為注漿材料。通過實驗室試驗和現場測試相結合方法,綜合考慮施工環節和經濟成本,最終確定礦用高水材料的水灰質量比值為1.8。為保證壁后充填效果,充填孔的設計排距為2 000 mm,深度為600 mm,鉆孔直徑為42 mm。在巷道兩直墻側距離巷道底板1 200 mm位置各施工1個鉆孔。在巷道半圓拱處設計施工3個充填孔,孔間距1 767 mm,鉆孔沿半圓拱徑向施工。注漿孔的布置形式和間排距如圖4所示。

圖4 大巷壁后充填孔布置圖

4.2 錨桿補強支護

對于巷道變形不嚴重的部位,采用上述的高水材料壁后充填形成“碹體結構—壁后充填—巷道圍巖”三者協同的承載體共同控制巷道圍巖變形。但對于巷道變形嚴重的位置,在采用上述壁后注漿加固的基礎上,單純采用上述的被動支護形式將無法保持巷道圍巖的相對穩定。為更好地控制巷道圍巖穩定,在壁后充填技術實施的同時,通過打設錨桿、錨索等主動支護形式,形成“主動+被動”相結合的承載結構,共同控制巷道圍巖穩定。

在圖2所示的數值計算模型的基礎上,通過數值計算的方法,分別對不同錨桿(錨索)長度、直徑、預緊力和間排距條件下巷道圍巖變形情況進行系統研究,結合礦井生產實際情況,最終確定巷道支護參數為:頂、幫錨桿支護參數為直徑Φ20 mm,長度2.6 m,間排距800 mm×800 mm;采用加長錨固的方式,錨索采用直徑Φ17.8 mm,長度7.3 m;間距為下山中軸線兩側30°位置,排距為2.4 m,每隔3排錨桿打1排2根錨索。大巷支護結構平面圖和配套鋼筋梯子梁示意圖如圖5所示。

(a)錨桿(索)支護結構布置圖

4.3 支護效果評價

通過對巷道頂板下沉量、兩幫移近量和頂板離層情況的持續觀測可知,巷道頂板最大下沉量為35 mm, 兩幫最大移近量為43 mm, 未見明顯的頂板離層情況出現。上述礦壓觀測結果表明，本研究提出的“高水材料壁后充填+錨桿支護補強”相結合的技術手段具有顯著的技術可行性,有效地保證了砌碹巷道在使用周期內的相對穩定,保證了礦井的安全生產。

5 結束語

本研究采用現場調研的方式,對采動作用影響下砌碹巷道的變形原因進行了系統分析,在此基礎上提出“高水材料壁后充填技術+錨桿(索)補強支護”相結合的砌碹巷道耦合支護技術,有效地控制了巷道圍巖變形,實現了采動作用下砌碹巷道圍巖的穩定控制,保證了礦井的安全生產。本研究提出的耦合支護技術可以為具有類似支護條件的巷道圍巖穩定控制提供有益參照。