深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術

孫俊彥

(中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著煤礦開采規(guī)模的加強，礦井開發(fā)深度的不斷加深，軟巖工程控制問題日益突出。軟巖巷道支護已成為當今世界地下工程中一項復雜而重要的技術問題，軟巖巷道的圍巖控制，特別是深部高應力軟巖巷道圍巖控制，已成為礦井生產與管理的關鍵性技術[1-3]。針對軟巖巷道的變形特征和控制研究，許多專家、學者進行了大量的研究和實踐，也取得許多顯著的成果，通過工程地質分析和實驗檢測等手段對軟巖巷道圍巖礦物成分和微觀結構進行了分析，對軟巖黏土礦物吸水軟化和膨脹機制做出了解釋[4-6]；通過理論分析和數(shù)值模擬等手段，分析了軟巖巷道圍巖變形規(guī)律和變形破壞特征，對巷道支護方案進行了優(yōu)化模擬[7-9]。

但就實際工程運用來看，軟巖問題還沒有得到根本性解決，軟巖工程的控制等諸多問題還有待于進一步的研究與探討。為此，基于某礦二采區(qū)2294運輸平巷的具體地質條件，采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬和力學分析等方法研究軟巖巷道圍巖的變形破壞機理和圍巖控制技術，以期對軟巖條件下巷道掘進、工作面回采以及提高企業(yè)的經濟效益提供借鑒。

1 工程概況

1.1 巷道圍巖

2294運輸平巷的老頂為淺灰色礫狀粉砂巖，厚度為4.5～15.1 m，平均厚度為9.8 m，主要成分為石英、巖屑等，巖石較為堅硬。直接頂為深灰色的黏土巖，巖層的厚度為1.5～5.8 m，平均厚度為2.7 m，呈片狀，巖石強度低。煤層厚度為2.6～7.8 m，平均厚度2.9 m，自西向東煤層厚度逐漸變厚。煤層傾角為3°～12°，平均傾角為7°。直接底為淺灰色的黏土巖，巖層的厚度為1.2～4.8 m，平均厚度為2.2 m，呈粒狀結構，巖石強度低，老底為中細粒砂巖，厚度為3.6～12.5 m，平均厚度為7.8 m，主要成分同老頂。2294巷道頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 2294巷道頂?shù)装鍘r性

1.2 巷道現(xiàn)狀

由于巷道頂?shù)装寰鶠轲ね翈r，其吸水后會泥化、膨脹直至破壞，將對巷道圍巖的變形及支護控制產生較大的影響。2294運輸平巷掘進期間，發(fā)現(xiàn)巷道中存在幾處小的斷層，由于斷層處的圍巖更加破碎，局部出現(xiàn)導水的現(xiàn)象，使得巷道圍巖力學性質更加弱化，導致巷道圍巖不具備自穩(wěn)能力。2294運輸巷道平面如圖2所示。

圖2 2294工作面巷道布置

2 軟巖巷道圍巖變形現(xiàn)場實測結果

為研究2294運輸平巷圍巖變形規(guī)律，在巷道掘進迎頭50 m處布置相應的礦壓監(jiān)測站。監(jiān)測的主要內容包括巷道圍巖表面位移與U型鋼支架實際所受載荷。

2.1 巷道圍巖表面位移變形實測

對巷道圍巖表面位移每隔2 d監(jiān)測一次，監(jiān)測的時間累計30 d，巷道向前推進的距離為120 m。巷道頂?shù)装迮c兩幫的圍巖變形隨掘進工作面向前推進及掘后時間變化曲線如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形隨掘進時間的變化

由圖3可知，巷道掘進初期，巷道圍巖變形量大。巷道掘進10 d內，頂?shù)装宓囊平繛?28 mm，占總的監(jiān)測位移量的60.55%；而兩幫的移近量為727 mm，占總的監(jiān)測位移的62.08%。巷道圍巖的變形對環(huán)境變化非常敏感。巷道圍巖變形進入緩慢階段時，出現(xiàn)2次快速變形時期，分析2次不同時期，發(fā)現(xiàn)第1次快速變形時期，巷道U型鋼支架局部發(fā)生折損失效；而第2次快速變形時期，巷道受水的浸濕，使圍巖軟化與膨脹，巖石的強度與粘聚力降低，再加上U型鋼支架局部折損失效，從而使得巷道圍巖的變形速度增加。圍巖變形具有明顯的時間效應與空間效應。巷道初期變形量大，變形趨于穩(wěn)定后受環(huán)境影響，變形速度出現(xiàn)波動，但后期再次趨于穩(wěn)定后，依舊以較大的變形速度持續(xù)；而空間效應主要表現(xiàn)為掘進過程中，工作面與圍巖的相對距離對圍巖的力學性能影響，此外巷道的埋深對巷道的圍巖變形與穩(wěn)定狀態(tài)也有明顯的影響。

2.2 U型鋼支架實際所受載荷

在對巷道圍巖變形監(jiān)測的過程中，同時兼顧對U型鋼支架實際所受載荷進行連續(xù)監(jiān)測，累計觀測時間為30 d，巷道向前推進的距離為120 m。U型鋼支架實際所受載荷隨掘進時間的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，對U型鋼支架整體受力進行分析，可以看出巷道掘進初期，支架所受承載力明顯增大，且增大的速度較快。隨著掘進的時間推移，支架所受承載力依然增加，但增加的速度緩慢。從各個測點來分析，可以發(fā)現(xiàn)支架右側方要比左側方所受載荷力大，而兩側肩部所受的載荷力要比幫部的大，頂板所受的載荷最小。由此，可以得出支架在達到屈服強度后，發(fā)生曲折變形的時候，其變形的特點為尖頂型，肩部向巷道內側發(fā)生變形，而幫腳發(fā)生彎曲曲折，支架整體向左發(fā)生傾斜。結合巷道圍巖變形特點來分析，可以看出支架所受載荷在后期出現(xiàn)小幅度的擾動與巷道圍巖出現(xiàn)二次快速變形有關，且支架出現(xiàn)所受載荷增加超前于巷道圍巖二次快速變形，這也反應了支架局部發(fā)生屈服，使得圍巖變形進一步增加。此外圍巖遇水膨脹、軟化也同樣加劇了支架的彎曲、變形。

圖4 U型鋼支架受力隨掘進時間的變化

3 軟巖巷道圍巖控制技術

3.1 模擬方案

錨桿、錨索、U型鋼支架以及三者之間的組合形成的聯(lián)合支護方式是煤礦軟巖巷道常用的支護手段[10-12]。通過查閱相關文獻，并結合現(xiàn)場施工情況，U型鋼棚距的選擇范圍為0.5～0.7 m，具體的棚距選擇0.5 m、0.6 m和0.7 m；而錨索的預緊力一般為錨索桿體拉斷載荷的40%～70%，具體的支護優(yōu)化方案設計見表1。

表1 巷道圍巖支護優(yōu)化方案設計

結合現(xiàn)場巷道圍巖變形以及U型鋼支架實際所受載荷分析，設計錨索的強化部位為U型鋼肩部與水平夾角呈30°，拱頂處以及距幫部底腳0.2 m處，具體的支護模型與支護結構如圖5所示。

圖5 巷道支護模型與支護結構

3.2 模擬結果

采用數(shù)值模擬方法，對初步選擇的支護方案進行優(yōu)化設計，從U型鋼棚距、錨索的長度與預應力3個因素進行優(yōu)化分析。通過巷道圍巖的變形及應力變化進行對比分析，并結合現(xiàn)場實際情況綜合考慮，最終確定優(yōu)化后的支護參數(shù)為U型鋼棚距0.6 m，錨索的長度為6.5 m，預應力為160 kN。

4 支護參數(shù)設計及效果分析

4.1 軟巖巷道支護方案

巷道支護過程中，通過架設29U型鋼支架，布置托梁進行錨索補強，對于因浸水面積大，底板膨脹變形甚至泥化的局部區(qū)域進行鋪設淺拱底梁。U型鋼支架架設過程中，在臨時支護基礎上，刷擴兩幫，挖柱窩；架設棚腿，用卡纜將拱頂與幫腳組合在一起；緊卡纜、上好兩幫支拉板并將木背板插好兩幫。U型鋼支架后鋪設金屬網(wǎng)，其型號為16#鉛絲雙股雙聯(lián)，采用三星連接方式，間距不大于150 mm。幫部底腳距低板的距離為0.5 m，與水平的夾角為5°；肩部與水平以及拱頂處的夾角為30°。錨索選用的是φ17.8 mm×6 500 mm鋼絞線，其排距為1.2 m，托梁的長度為2.4 m。局部底板支護的過程中，采用的圓弧結構淺拱，半徑為6.0 m，長度為4.9 m，矢高為0.5 m，搭接的長度為0.2 m。巷道支護方案如圖6所示。

圖6 巷道支護方案

4.2 軟巖巷道礦壓監(jiān)測結果

2294運輸平巷掘進的過程中，在工業(yè)性試驗區(qū)域布置2個監(jiān)測點，監(jiān)測的主要內容為巷道表面位移和錨索與U型鋼受力。

4.2.1 巷道表面位移監(jiān)測分析

在工業(yè)性試驗區(qū)布置的兩監(jiān)測點1#與2#相離50 m，布置2#測點的時候，距離巷道掘進迎頭30 m，1#與2#觀測點累計觀測的時間為40 d和30 d，巷道圍巖位移隨觀測時間的變化如圖7所示。

由圖7可知，1#測站與2#測站巷道圍巖的位移變化趨勢相同，即初期的快速變形，中期的緩慢變形，后期的趨于穩(wěn)定。采用優(yōu)化設計后的支護方案，從巷道兩幫與頂?shù)装宓奈灰埔平縼砜矗锏绹鷰r變形得到較好的控制，兩幫的圍巖位移變化最大減少74.4%，頂?shù)装宓膰鷰r位移變化最大減少73.9%。

圖7 巷道圍巖位移隨觀測時間的變化

4.2.2 錨索與U型鋼支架受力監(jiān)測分析

對1#與2#觀測站收集的錨索與U型鋼實際所受載荷數(shù)據(jù)進行綜合分析與整理，1#、2#測站錨索與U型鋼支架受力隨觀測時間變化曲線如圖8所示。

由圖8中U型鋼與錨索的受力變化曲線可知，相對于原支護方案，優(yōu)化設計后的支護方案U型鋼支架整體所受承載力明顯降低，U型鋼支架所受最大承載力為91 kN；錨索所受載荷總體隨觀測時間逐漸增加，左幫、拱頂及右?guī)退茌d荷變化較為穩(wěn)定，而左右兩肩所受載荷在不同觀測時間出現(xiàn)波動，特別是左肩出現(xiàn)載荷明顯降低的現(xiàn)象；錨索與U型鋼支架的聯(lián)合支護，從兩者所承受載荷來看具有協(xié)調性與補償性，錨索局部的補強作用使得U型鋼所受載荷明顯降低，巷道圍巖的變形破壞得到較好的控制。

圖8 1#、2#測站錨索與U型鋼支架受力隨觀測時間的變化

綜上分析可知，在錨索的補強作用下，U型鋼支架局部受到約束，較大的變形通過搭接處縮動來釋放，實現(xiàn)U型鋼支架的可縮性特性。

4.2.3 巷道支護效果對比分析

對于2種方案的經濟效應進行對比分析，優(yōu)化后的方案在巷道掘進支護方面的成本能夠節(jié)省2 000元/m。而相對于原支護方案，優(yōu)化后的方案因為在鉆孔與安裝錨索的過程中需要花費大量時間，因而前期的巷道施工速度相對較慢，但原支護方案因后期需要多次翻修，造成巷道運輸中斷，影響后期工作面的正常作業(yè)，且需要大量的人力物力。因此，總的來說優(yōu)化后的支護方案施工速度較高。

5 結論

(1)對巷道圍巖的實測變形量與U型鋼的實際所受載荷進行了分析，得出圍巖變形破壞的規(guī)律。

(2)對于高應力膨脹性較為破碎的三軟煤層巷道，U型鋼對圍巖的控制效果要優(yōu)于錨桿的支護效應，且對圍巖的護表能力較好；但隨著圍巖變形的繼續(xù)加劇，現(xiàn)有的29U型鋼將發(fā)生局部屈服、失穩(wěn)等特征，巷道圍巖變形將難以控制。

(3)采用數(shù)值模擬方法，對初步選擇的支護方案進行優(yōu)化設計，從U型鋼棚距、錨索的長度與預應力3個因素進行優(yōu)化分析，通過巷道圍巖的變形及應力變化進行對比分析，并結合現(xiàn)場實際情況綜合考慮，最終確定優(yōu)化后的支護參數(shù)為U型鋼棚距0.6 m，錨索的長度為6.5 m，預應力為160 kN。

(4)在試驗區(qū)域布置了2個測站，監(jiān)測的結果表明，巷道兩幫移近量為302 mm，頂?shù)装逡平繛?30 mm，相對于原支護方案減少了74.4%和73.9%；U型鋼支架整體實際所受載荷明顯低于原支護方案，錨索在預應力較高的條件下，能發(fā)揮其補償性與協(xié)調性，并在與U型鋼支架共同作用下，實現(xiàn)對圍巖的較好控制。