西直格莊金礦軟巖巷道支護技術研究與實踐

董 越

（煙臺市鑫蓬礦山工程有限公司，山東 煙臺 264000）

軟巖巷道圍巖支護是國內外巷道支護的難點，隨著軟巖巷道在礦井開采中所占比例的不斷增加，對其支護技術的研究也受眾多專家的關注[1-5]。由于井下巷道圍巖賦存環境及物理力學參數差異性較大，采用工程類比法或經驗設計圍巖支護方案往往效果不好。本文采用數值模擬與現場試驗相結合的方法，探究軟巖巷道圍巖的支護技術，為類似工程地質條件下巷道支護提供借鑒。

1 工程概況

西直格莊金礦礦區位于秦嶺-大別-蘇魯造山帶（Ⅰ）膠南-威海隆起區Ⅳ（Ⅱ）威海隆起Ⅳb（Ⅲ）乳山-榮城斷隆Ⅳb2（Ⅳ）昆崳山-乳山凸起Ⅳb22（Ⅴ），牟（平）～乳（山）金成礦帶的中部，金牛山主斷裂西側，西直格莊斷裂東側。該區巖漿巖極為發育，斷裂構造發育，形成以北東向和北北東向斷裂為主的構造格架。區內出露地層較為簡單，主要為古元古界荊山群陡崖組和新生界第四紀地層。

采準巷道一般采用的凈斷面為4.5 m×3.7 m，原支護方式采用錨網噴支護。采用螺紋鋼錨桿，錨桿長為1.8 m，直徑為20 mm，錨桿間排距為800 mm×800 mm；鋪設直徑6 mm、長× 寬=2000 mm×1000 mm 的六邊形金屬鋼筋網，網孔規格為100 mm×100 mm，網片搭接長度為100 mm；噴射混凝土厚度為50 mm。支護方式如圖1。

圖1 巷道支護方案圖（mm）

通過地質調查發現，部分圍巖風化程度較大，裂隙中填充的綠泥石、泥質灰巖在裂隙水的影響下發生膨脹，使得裂隙越發明顯，圍巖穩定性極差，并且原支護結構破壞較為嚴重，采用單一的支護形式不能保障支護安全。

2 數值模擬研究

2.1 模擬方案

以采準巷道為對象，利用FLAC3D數值軟件對三種不同支護方案下的巷道圍巖變形進行研究分析，分別為：

支護方案一：巷道無支護技術；

支護方案二：巷道原支護方案；

支護方案三：錨桿索聯合支護方案。

（1）頂板支護。頂板錨桿采用Φ20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿排距800 mm，間距800 mm；每根螺紋鋼錨桿配套規格為150 mm×150 mm×10 mm 的可調心拱形高強度托盤，球形墊圈配減摩墊圈疊加安裝；每根錨桿配套使用兩支藥卷，上部一支為CK2355 的藥卷，下部一支為K2355 的藥卷；每排錨桿配套使用BHW280-4.5×4800 mm的鋼帶。

錨索采用Φ15 mm×6400 mm 的高強度低預應力錨索，采用非對稱布設形式。錨索托板采用長×寬×厚=300 mm×300 mm×14 mm 的拱形高強度鐵板，球形墊圈配減摩墊圈疊加安裝；每根錨索配套使用三支藥卷，上部一支為CK2355 的藥卷，下部兩支為K2355 的藥卷。

（2）幫錨支護。兩幫采用Φ18 mm×1800 mm的螺紋鋼錨桿進行支護，間距900 mm，排距800 mm；每根錨桿配套使用兩支K2355 樹脂藥卷；錨桿安裝時采用BHW280-4.5×400mm 的鋼帶托板與150 mm×150 mm×10 mm 的可調心拱形高強度托盤，球形墊圈配減摩墊圈疊加安裝，鋼帶托板要密貼煤幫，不松動。

2.2 模型建立

所建模型的尺寸長× 寬× 高為45 m×10 m×30 m，模型總共114 252 個實體單元，119 781個網格節點。在模型中，錨桿采用cable 單元進行模擬，混凝土襯砌采用實體單元Elastic 模型，采用莫爾-庫倫屈服準則。所建模型如圖2。

圖2 計算模型圖

模型前后左右邊界均設置為水平約束力；模型的底面設置為固定約束邊界，使其在任何方向上部發生位移；模型三維頂部設置為自由邊界，施加等效荷載。

各巖層的物理力學參數見表1。

表1 圍巖物理力學參數

2.3 結果與分析

為了觀察巷道開挖后整體豎向、水平位移量，在此段巷道布設8 個監測斷面，并在每個斷面的頂板、兩幫中點設置位移監測點。將三種支護方案下各斷面位移監測數據進行處理，如圖3。

圖3 巷道圍巖變形曲線圖

由圖3 可以看出，巷道采用無支護下，最大豎向位移值為73.5 mm，出現在監測斷面2 處，最大水平位移值為66.6 mm，出現在監測斷面1 處。巷道采用原支護技術（方案二）時，最大豎向位移值為54.1 mm，出現在監測斷面2 處，最大水平位移值為46.2 mm，出現在監測斷面2 處。巷道采用支護方案三時，最大豎向位移值為25 mm，出現在監測斷面1 處，最大水平位移值為23.2 mm，出現在監測斷面5 處。

通過比較三種方案下巷道的整體豎向位移和水平位移量可以看出，原支護方案下巷道圍巖變形得到一定的控制，相對無支護技術下，巷道變形量小。在斷面2 處，豎向變形量減少為27.2%。采用支護方案三后，圍巖豎向變形量為23.1 mm，相對無支護技術圍巖豎向變形量減少為69.0%。支護方案三的控制效果優于方案二，可有效控制巷道的變形破壞。

3 工業性試驗

將錨桿索網聯合支護技術應用于采準巷道，并在巷道掘進施工過程中采用“十字布點法”監測巷道頂底板及兩幫的圍巖變形情況。頂部測點布置在巷道中心線上，幫部測點布置在距巷道地面1 m 的位置處，頂幫測點布置在同一斷面內。底板監測點采用鐵釬，釘入底板圍巖內的長度為250 mm。圍巖觀測站按每周1 次進行測讀和記錄。巷道變形曲線如圖4。

圖4 巷道變形曲線圖

由圖4 可以看出，在采準巷道掘進完成的前50 d，巷道頂底板及兩幫的圍巖變形速率不斷增大，之后逐漸趨于穩定。巷道頂板最大下沉量約為96.5 mm，相對較大，但頂板未出現破壞和冒落現象；巷道底板底鼓量最大約為75.1 mm，相對較小；巷道左、右幫圍巖變形最大約為69.4 mm、55.1 mm。圍巖變形量均處于變形允許范圍內，表明了聯合支護技術參數的合理性和可靠性。

4 結語

（1）通過數值模擬計算可知，巷道采用錨網索聯合支護技術后，巷道圍巖變形量相對無支護技術圍巖豎向變形量減少69.0%，巷道圍巖變形量明顯減小。

（2）現場監測結果顯示，采用錨網索聯合支護技術后，在巷道掘進完成的50 d 后，巷道頂底板及兩幫的圍巖變形逐漸趨于穩定，圍巖變形破壞得到了有效控制，表明該支護技術的有效性。