深井軟巖高應(yīng)力巷道過超大落差斷層破碎帶圍巖控制技術(shù)

孫興平，陳建本，孫 濤，侯俊友，孫延聰

（淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 顧橋煤礦，安徽 淮南 232001）

斷層是巷道掘進(jìn)過程中常見的不良地質(zhì)體[1-2]，巷道穿越斷層破碎帶極易發(fā)生冒頂[3]、突水突泥[4-5]、瓦斯異常和大變形等工程災(zāi)害。深井高應(yīng)力軟巖環(huán)境下的斷層破碎帶支護(hù)難度尤為突出，已嚴(yán)重制約煤礦安全、高效生產(chǎn)，阻礙礦井健康可持續(xù)發(fā)展。斷層破碎帶內(nèi)巖體巖性破碎、裂隙發(fā)育[6-7]、承載能力差、應(yīng)力分布異常等因素的疊加進(jìn)一步增加了圍巖控制的難度，常規(guī)支護(hù)很難滿足要求，需要增加輔助措施進(jìn)行強(qiáng)化控制[8-9]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者做了一些研究，并取得了較為滿意的成果。劉凱德等[2]針對(duì)地質(zhì)異常帶提出了超長(zhǎng)孔鉆桿注漿與鉆桿埋入鉆孔相結(jié)合的新型超前支護(hù)技術(shù)；劉泉聲等[8]通過巷道過斷層破碎帶的監(jiān)控量測(cè)及時(shí)掌握斷層破碎帶圍巖的變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力信息，并進(jìn)行合理評(píng)價(jià)；周波等[10]提出錨桿基礎(chǔ)支護(hù)+注漿加固對(duì)試驗(yàn)巷道弱結(jié)構(gòu)煤巖體的預(yù)強(qiáng)化工程控制技術(shù)；展亞太等[11]借助光彈試驗(yàn)裝置，對(duì)斷層破碎帶剪切作用下的宏觀力學(xué)特性、破碎帶中光彈力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及演化，力鏈空間分布及強(qiáng)度等特征進(jìn)行研究；文獻(xiàn)［12-14］提出了超前預(yù)注漿+錨網(wǎng)索噴+“U”型鋼支架的聯(lián)合支護(hù)方法，確保了安全通過斷層破碎帶；張紅軍等[15]利用研制的新型高預(yù)應(yīng)力增阻大變形錨桿支護(hù)技術(shù)，研究了軟巖高應(yīng)力圍巖控制問題。

上述研究成果為巷道過斷層破碎帶圍巖控制技術(shù)指明了方向，對(duì)深井軟巖高應(yīng)力巷道的控制具有十分重要的意義。為此，在以上研究成果的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬和工業(yè)性試驗(yàn)綜合研究方法，提出了圍巖改性+局部強(qiáng)化+主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)斷層治理方法，并應(yīng)用于顧橋礦巷道過F97斷層破碎帶，取得了良好的效果。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

顧橋礦東翼矸石軌道大巷、東翼軌道大巷（一）、東翼13-1 軌道大巷和東翼11-2 回風(fēng)大巷均要穿過F97斷層破碎帶，斷層沿西北方向分布，落差0～55 m，斷層帶內(nèi)巖性破碎，以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，遇水膨脹成松散狀，巖石裂隙發(fā)育。東翼矸石軌道大巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)839 m，埋深約1 010 m，直墻拱形，斷面尺寸5 200 mm×4 300 mm。巷道施工過程中將要穿越F97∠30°～60°H=28～35 m 斷層和F97-3∠75°H=3 m斷層破碎帶，長(zhǎng)度約80 m。斷層上盤偽頂缺失，直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚約3.7 m，基本頂由砂巖、細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖組成，以砂巖為主，厚約18.25 m，直接底為砂巖，厚約13.6 m。斷層下盤偽頂缺失，直接頂為砂質(zhì)泥巖、花斑泥巖互層，厚約8.4 m，基本頂由細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖組成，以砂質(zhì)泥巖為主，厚約11 m，直接底為細(xì)砂巖，厚約11 m。巷道布置平面圖如圖1。根據(jù)本區(qū)域地質(zhì)力學(xué)評(píng)估結(jié)果，基本巖石力學(xué)參數(shù)見表1。主要水害為砂巖裂隙水。預(yù)計(jì)正常涌水量0～3 m3/h，最大涌水量20 m3/h。

圖1 巷道布置平面圖Fig.1 Roadway layout plan

表1 基本巖石力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of rock strata

1.2 地應(yīng)力條件

《顧橋礦東區(qū)地應(yīng)力測(cè)試報(bào)告》顯示：實(shí)測(cè)深度范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力的量值為35.49 MPa，方位角為210.17°，仰角為1.38°；中間主應(yīng)力的量值為15.11 MPa，方位角為-27.7°，仰角為87.4°；最小主應(yīng)力的量值為6.09 MPa，方位角為120°，仰角2.20°。參照測(cè)試結(jié)果，對(duì)各主應(yīng)力大小和方向進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，綜合考慮巷道布置、地質(zhì)環(huán)境特征等因素，推薦中央?yún)^(qū)東翼矸石軌道大巷應(yīng)力場(chǎng)采用以下數(shù)值：巷道軸向水平應(yīng)力為33.2 MPa，徑向水平應(yīng)力為12.8 MPa，豎直方向應(yīng)力為24.57 MPa，忽略剪應(yīng)力分量的影響。

2 F97 斷層破碎帶支護(hù)難點(diǎn)

F97斷層破碎帶圍巖破碎軟弱，高應(yīng)力與低強(qiáng)度之間的矛盾突出，常規(guī)支護(hù)措施難以取得理想效果。礦井相似條件的多條巷道發(fā)生了大變形失穩(wěn)破壞，局部變形量超過2 m，需進(jìn)行反復(fù)巷修，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，并大幅增加了支護(hù)成本。影響F97斷層破碎帶巷道穩(wěn)定的主要因素可歸納為以下幾個(gè)因素。

1）圍巖巖性差，自承載力低。斷層破碎帶內(nèi)巖石主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，遇水泥化，易風(fēng)化，砂粒與土粒孔隙率大，閉合裂隙發(fā)育為敞口裂隙，導(dǎo)水通道貫通，滲透系數(shù)增加，表現(xiàn)為松散狀，無法形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。巷道開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)無生根基礎(chǔ)，容易整體冒落，主要表現(xiàn)為巷道兩幫位移大、底鼓和頂板下沉。泥巖泥化對(duì)照?qǐng)D如圖2。

圖2 泥巖泥化對(duì)照?qǐng)DFig.2 Comparison of mudstone argillation

2）埋深大，受構(gòu)造應(yīng)力影響顯著。巷道開挖后應(yīng)力重新分布，巷道表面由三向應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整為兩向應(yīng)力狀態(tài)，斷層帶內(nèi)壓應(yīng)力小，拉、剪應(yīng)力較大，斷層面附近最大，且斷層帶又處于高應(yīng)力環(huán)境中，主斷層與次生小斷層通過促震、減震、蠕動(dòng)觸發(fā)、動(dòng)態(tài)觸發(fā)、動(dòng)態(tài)加載以及動(dòng)態(tài)松弛等方式相互作用[13]，使斷層帶圍巖應(yīng)力分布表現(xiàn)的雜亂無章，增加了巷道圍巖的變形破壞。地應(yīng)力測(cè)試顯示，巷道軸向水平應(yīng)力達(dá)33.2 MPa，豎直方向應(yīng)力為24.57 MPa，為典型的高地應(yīng)力環(huán)境。主應(yīng)力范圍方向示意圖如圖3。

圖3 主應(yīng)力范圍方向示意圖Fig.3 Schematic diagram of principal stress range direction

3）動(dòng)力擾動(dòng)影響。相同的動(dòng)力擾動(dòng)，大靜壓圍巖比小靜壓圍巖更容易誘發(fā)失穩(wěn)破壞，且靈敏度更高。臨近穩(wěn)定狀態(tài)的巷道圍巖，微小的動(dòng)力擾動(dòng)即可誘發(fā)裂紋的瞬時(shí)連續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞，且伴隨高速應(yīng)變能釋放[16]。

3 F97 斷層破碎帶圍巖控制技術(shù)

3.1 圍巖改性

斷層破碎帶內(nèi)巖石巖性差，裂隙發(fā)育，呈散體狀，遇水膨脹、崩解，錨桿索無生根巖層，不能形成有效懸吊和承壓拱，且受開挖擾動(dòng)斷層帶活化，不利于圍巖穩(wěn)定性控制。研究表明注漿能夠有效充滿孔隙、裂隙，封堵水路，固結(jié)松散巖石，改善巖石殘余強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角，使斷層破碎帶成為圍巖強(qiáng)度高，承載能力強(qiáng)，抗?jié)B性好，穩(wěn)定性高的新結(jié)構(gòu)體[17-18]。注漿前后對(duì)照?qǐng)D如圖4。

圖4 注漿前后對(duì)照?qǐng)DFig.4 Before and after grouting

基于上述原因，提出了超長(zhǎng)大直徑預(yù)注漿和深淺孔花管小循環(huán)注漿圍巖改性方案。通過提高圍巖自身強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖自承載能力，達(dá)到圍巖控制目的。

3.2 局部強(qiáng)化

斷層破碎帶經(jīng)過改性后圍巖強(qiáng)度顯著提高，但錨網(wǎng)噴支護(hù)依然不能有效控制其大變形，說明支護(hù)存在薄弱環(huán)節(jié)。一般巷道圍巖變形破壞的力學(xué)根源是頂板壓力[19-20]，而現(xiàn)場(chǎng)施工中底板無支護(hù)，從而導(dǎo)致頂板和兩幫的壓力傳遞給底板造成底鼓量偏大進(jìn)而影響巷道出貨、行人和運(yùn)料功能?；诖耍岢隽说装遄{錨索結(jié)合預(yù)應(yīng)力反底拱鋼梁澆筑治理方法，通過改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，封閉底板應(yīng)力向巷道臨空面的釋放空間，達(dá)到局部強(qiáng)化支護(hù)的目的。

3.3 主被動(dòng)支護(hù)

錨桿支護(hù)自20 世紀(jì)80 年代引入我國(guó)后，被廣泛應(yīng)用并取得了良好的效果，因其能夠最大限度發(fā)揮圍巖自承載能力而被稱為主動(dòng)支護(hù)。錨桿索一旦生根在不穩(wěn)定巖層中，難以充分發(fā)揮圍巖承載力，易導(dǎo)致冒頂事故。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，提出了錨網(wǎng)索+36U 型棚主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)形式，通過圍巖改性和局部強(qiáng)化措施有效遏制斷層破碎帶圍巖大變形，確保服務(wù)年限內(nèi)不返修，滿足生產(chǎn)需要。

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模型

根據(jù)綜合柱狀圖和巷道幾何特征，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，利用FLAC3D建立計(jì)算模型，計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖5，巷道埋深1 010 m，模型尺寸為長(zhǎng)180 m，寬40 m，高80 m，共建立48.8 萬個(gè)單元，50萬節(jié)點(diǎn)。模型前后、左右和下面采用位移邊界，上面施加應(yīng)力邊界，巷道周圍網(wǎng)格加密，其余網(wǎng)格稀疏，巷道軸向施加應(yīng)力33.2 MPa，徑向水平應(yīng)力為12.8 MPa，豎直方向應(yīng)力為24.57 MPa。

圖5 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic diagram of calculation model

1）工況Ⅰ。錨網(wǎng)索+噴漿支護(hù)，錨桿規(guī)格：?22 mm×2 500 mm；間排距：0.8 m×0.8 m，拱頂錨索?21.8 mm×6 200 mm，間排距1.6 m×1.6 m，噴漿厚度100 mm，強(qiáng)度為C20。

2）工況Ⅱ。直徑113 mm，孔深約60～90 m，其余參數(shù)同工況Ⅰ。

3）工況Ⅲ。錨網(wǎng)索+噴漿+超前預(yù)注漿支護(hù)+U型棚+反底拱+底板錨索支護(hù)，U 型棚和反底拱均采用36U 型棚，其中反底拱深約1 m，4 排底板錨索，錨索規(guī)格為?21.8 mm×6 200 mm，其余參數(shù)同工況Ⅱ。

4）工況Ⅳ。錨網(wǎng)索+噴漿+超前預(yù)注漿支護(hù)+U型棚+反底拱+底板錨索+底板注漿支護(hù)，底板采用2.5 m 注漿管注漿，漿液為水泥漿，其余參數(shù)同工況Ⅲ。

先進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，然后通過編譯fish 語言執(zhí)行cable、beam、shell 等命令，模擬巷道圍巖改性+局部強(qiáng)化+主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)4 種工況，比選出最優(yōu)方案。

4.2 模擬結(jié)果

4.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)單元受力

支護(hù)結(jié)構(gòu)受力圖如圖6。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力圖Fig.6 Force diagrams of support structure

由圖6 可知：錨桿索均受拉應(yīng)力，未出現(xiàn)受壓失效狀態(tài)，錨桿索受力正常，錨桿和錨索所受軸力沿著桿體從外向里呈減小趨勢(shì)，工況Ⅰ至工況Ⅳ頂板錨索最大拉應(yīng)力呈先減小后增大趨勢(shì)，底板錨索最大拉應(yīng)力逐漸減小，錨桿最大拉應(yīng)力逐漸小。隨著支護(hù)強(qiáng)度的提高，錨桿索受力趨于均化，承壓拱范圍變大，承載能力增強(qiáng)。隨著支護(hù)強(qiáng)度的增大巷道噴漿最大剪力呈減小趨勢(shì)。最大彎矩先減小后增大。

4.2.2 斷層破碎帶巷道圍巖塑性區(qū)

巷道圍巖塑性區(qū)分布圖如圖7。

由圖7 可知：巷道圍巖塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，區(qū)域分布由兩幫、底板為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詢蓭蜑橹黜敯鍩o塑性區(qū)，過去曾經(jīng)處于屈服面的區(qū)域面積由35.7 m2減小到8.75 m2，減少了75.49%。

圖7 巷道圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.7 Plastic zone layout of roadway surrounding rock

4.2.3 斷層破碎帶巷道圍巖表面位移分析

巷道圍巖表面位移曲線如圖8。

圖8 巷道圍巖表面位移曲線Fig.8 Roadway surrounding rock surface displacement curves

由圖8 可知：隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加巷道頂板累計(jì)下沉量、底鼓量、兩幫移近量逐漸減小，工況Ⅱ相對(duì)工況Ⅰ，頂板累計(jì)最大下沉量、累計(jì)最大底鼓量、左幫累計(jì)最大移近量和右?guī)屠塾?jì)移近量分別減少了35、80、208、208 mm，占比分別為41%、51%、95%和95%；工況Ⅲ和工況Ⅳ巷道表面位移量也出現(xiàn)了不同程度的減少，但均無工況Ⅱ降低幅度大，工況Ⅲ和工況Ⅳ差別不大，2 種方案對(duì)巷道表面位移控制效果相當(dāng)。

5 工業(yè)性試驗(yàn)

5.1 巷道圍巖控制參數(shù)優(yōu)化方案

根據(jù)東翼矸石軌道大巷具體地質(zhì)條件，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果，提出了圍巖改性+局部強(qiáng)化+主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化方案，巷道支護(hù)斷面圖如圖9。

圖9 巷道支護(hù)斷面圖Fig.9 Tunnel support section

1）錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)。錨桿采用MSGLW-400 左旋螺紋高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿，規(guī)格?22 mm×2 500 mm，抗拉強(qiáng)度不小540 MPa，最大延伸率不小于12%，預(yù)計(jì)力100 kN，間排距800 mm×800 mm。錨索采用1×19 股高強(qiáng)度鋼絞線制作，抗拉強(qiáng)度不低于1 860 MPa，最大延伸率不小于3%，錨索預(yù)緊力不小于300 kN，錨索破斷力不小于607 kN，間排距1 600 mm×1 600 mm。采用?6.5 圓筋加工而成的三角形鋼筋網(wǎng)，尺寸為1 800 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔141 mm×141 mm×200 mm，網(wǎng)間搭茬200 mm。噴漿厚度100 mm，強(qiáng)度為C20。

2）注漿參數(shù)。超前預(yù)注42.5 水泥漿，孔徑113 mm，下?108 套管，化學(xué)漿液固管，孔深20～30 m，壓茬5 m，每排7 個(gè)孔，間距1.5 m，注漿壓力18～22 MPa。小循環(huán)注漿采用?15 mm 注漿花管，孔深8 m，間距2 m，每排6 個(gè)孔，注漿壓力3～5 MPa，壓茬3.2 m。底板注漿采用?15 mm 注漿花管，管長(zhǎng)2.5 m，間距2.5 m，注漿壓力1～3 MPa，施工在反底拱空擋內(nèi)，3 個(gè)孔/排。注漿鉆孔布置示意圖如圖10。

圖10 注漿鉆孔布置示意圖Fig.10 Schematic diagrams of grouting hole layout

3）金屬棚支護(hù)參數(shù)。U 型棚和反底拱均采用36U型棚，其中反底拱深約1 m，反底拱與U 型棚采用彎曲卡欄連接，棚腿與棚梁采用卡欄固定，每棚3 副，搭接500 mm，棚距700 mm，棚子相互之間采用拉條連接，為8#槽鋼加工而成，長(zhǎng)1 660 mm，一拉三布置，采用?22 mm×2 000 mm 錨桿進(jìn)行固腿。

5.2 巷道圍巖控制效果監(jiān)測(cè)

為檢驗(yàn)過斷層破碎帶巷道圍巖的治理效果并監(jiān)測(cè)其穩(wěn)定性，采用十字布點(diǎn)法和多點(diǎn)位移計(jì)對(duì)巷道進(jìn)行表面和深部位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性得到有效控制，效果顯著。

5.2.1 表面位移監(jiān)測(cè)與變化

1#測(cè)站位移監(jiān)測(cè)曲線如圖11，2#測(cè)站位移監(jiān)測(cè)曲線如圖12。

圖11 1#測(cè)站位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.11 Displacement monitoring curves of 1# station

圖12 2#測(cè)站位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.12 Displacement monitoring curves of 2# station

觀測(cè)結(jié)果表明：巷道最大底板下沉量約15 mm，最大底鼓量約25 mm，兩幫最大移近量為70 mm，均在工程變形允許范圍內(nèi)，巷道在前28 d 出現(xiàn)微小變形，隨后開始趨于平緩，最后穩(wěn)定，巷道整體穩(wěn)定性較好，巷道未出現(xiàn)大變形，支護(hù)效果明顯。

5.2.2 深部位移監(jiān)測(cè)

采用多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行深部位移監(jiān)測(cè)，孔深14 m，布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，深度依次為14、7、2 m。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，測(cè)點(diǎn)越深，絕對(duì)位移越小，觀測(cè)數(shù)據(jù)說明，巷道表面0～2 m 深度范圍內(nèi)為塑性破壞區(qū)，變形量相對(duì)較大，最大為8 mm，2 m 以外的圍巖區(qū)變形量較小，通過支護(hù)體的強(qiáng)化作用后，巷道變形均控制在較小范圍內(nèi)，支護(hù)效果較好。

6 結(jié) 語

1）針對(duì)斷層帶巖性差、自承載力低、應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜和動(dòng)力擾動(dòng)引起的巷道圍巖變形破壞機(jī)理，提出了圍巖改性+局部強(qiáng)化+主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)斷層治理新技術(shù)，即超前注漿掩護(hù)，小循環(huán)注漿保障，反底拱局部底板錨索強(qiáng)化和錨桿索與36U 棚聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

2）通過數(shù)值模擬對(duì)4 種支護(hù)方案進(jìn)行比選，獲得巷道最優(yōu)支護(hù)參數(shù)。隨著支護(hù)強(qiáng)度的提高，錨桿索受力趨于均勻，承壓拱范圍逐步變大，承載能力增強(qiáng)，噴漿層最大剪力呈減小趨勢(shì)，最大彎矩先減小后增大；圍巖塑性區(qū)范圍逐漸減小，塑性區(qū)分布位置由兩幫、底板逐漸變成兩幫，面積減少了約75%。

3）工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明：巷道圍巖28 d 后趨于穩(wěn)定，最大頂板下沉量約15 mm，底鼓量約25 mm，幫部移近量約35 mm，圍巖穩(wěn)定性控制較好。