蘆嶺Ⅲ4采區膨脹性軟巖圍巖巷道支護技術研究

曹晟銘 婁培杰,2 蘇金鑫 趙 石 劉 虎

（1.安徽理工大學土木與建筑學院，安徽 淮南 232001；2.江西省地質環境與地下空間工程研究中心，江西 南昌 330013）

0 引言

我國的煤炭資源相對比較豐富，但是煤礦分布不規律，煤炭資源所處的地理位置與空間位置都有所不同［1-2］，所以針對某些區域內相似巖性、相似條件的巷道，選擇其中的一條巷道通過數值模擬與試驗分析，為類似工況的巷道在支護設計和施工時提供參考和指導。礦井巷道圍巖變形控制是開采煤炭的關鍵環節，巷道的穩定對于煤礦開采的產量、人員的安全作業、巷道的維護都有重要影響，因此控制巷道變形，使其穩定性趨好能夠促進安全保障的提高、效率的提升和經濟效益的最大化［3］。巷道圍巖變形控制的方法有錨桿支護、錨桿錨網支護、錨桿錨梁支護、U 型鋼支護、工字鋼三節棚支護等［4-5］。通過地質調查分析，蘆嶺Ⅲ4 采區軌道上山巷道巖性整體呈膨脹性，此類巷道在開掘過程中所需的支護強度較大，若支護強度不夠或者支護不及時，往往會使淺部圍巖出現大面積垮落。本研究針對此類巷道，經過現場勘察、試驗和模擬，提出了錨桿錨索聯合支護的方式，支護效果符合預期。

1 Ⅲ4采區軌道上山巷道工程概況

Ⅲ4軌道上山巷道地表位置位于蘆嶺—朱仙莊運煤鐵路三角帶以北，礦井西塌陷區東部，地表均為農田。Ⅲ4采區煤層整體呈傾向北的單斜構造［6］，Ⅲ4采區范圍如圖1 所示。Ⅲ4 軌道上山巷道井下位置位于Ⅲ4 采區中西部，撥門處東部為Ⅲ4 采區東翼（未準備），南部為Ⅲ4采區回風巷、-590 西軌大巷、-590西皮大巷，西部為-590西軌大巷、-590西皮大巷、Ⅲ4采區西翼（未準備），北部為蘆嶺礦深部礦井邊界。Ⅲ4軌道上山巷道平面如圖2所示。Ⅲ4軌道上山設計長度1 250.6 m，其中設計坡度3%。施工長度合計43.4 m，設計-14°施工長度600 m，設計-16°施工長度607.2 m，巷道設計標高-578.3～-890 m。根據周邊巷道實際揭露、勘探鉆孔資料分析，該區域巖層傾角為10°~29°，平均15°巷道施工巖性以泥巖、砂巖為主。泥巖呈灰色、塊狀，局部含鋁質及菱鐵鮞子，含植物化石碎片，較破碎；粉砂巖呈灰色、塊狀，局部含植物化石碎片；細砂巖呈灰色、塊狀，局部見方解石脈。

圖1 Ⅲ4采區范圍示意

圖2 Ⅲ4軌道上山平面

2 SEM掃描電鏡實驗與EDS能譜分析

2.1 巖石取樣

在Ⅲ4軌道上山巷道內，分別對頂板，底板及其他位置進行巖石取樣，取樣樣品如圖3 所示。對巖樣進行加工處理，處理好的樣品如圖4所示。

圖3 取樣樣品

圖4 加工后的樣品

2.2 巖樣電鏡掃描

采用電鏡掃描法，分別對所取的4 個不同位置的巖樣進行微觀結構觀察，分析其構造和特點，部分掃描結果如圖5、圖6所示。

圖5 底板巖樣掃描電鏡結果

圖6 頂板巖樣掃描電鏡結果

通過檢測可以發現，頂底板由無一定輪廓的鱗片狀單元堆積而成，是典型的蒙脫石形貌，能明顯看出顆粒間裂隙發育較為明顯，且單晶顆粒本身有原生溶蝕孔洞，這有利于水分在巖石顆粒之間流動，又因為蒙脫石遇水后很容易產生膨脹，會進一步導致巖體強度降低。

2.3 EDS能譜分析

利用電子能譜儀對巖樣的化學元素和含量進行檢測，底板巖樣檢測能譜圖如圖7 所示，頂板巖樣能譜圖如圖8 所示。由圖7、圖8 可知，巖樣含量以Si、Al、O、K、Na 為主，通過分析發現其巖樣是以含水鋁硅酸鹽為主要成分，并含有氧化鉀、氧化鈉的礦物質。結合電鏡掃描結果，巖樣結構為層狀顆粒堆積，由此可以判斷巖樣主要是以蒙脫石、伊利石為主要成分的巖石，印證了該巷道呈膨脹性變形的原因。

圖7 底板巖樣檢測能譜圖

圖8 頂板巖樣檢測能譜圖

3 數值模擬

以Ⅲ4 軌道上山巷道工程地質條件為基礎，選取巷道-890 m 處的截面建立FLAC3D模型，模型尺寸為：長、寬、高分別為80 m、32 m、40 m。在模型四周設置邊界條件，在模型頂部施加均布荷載模擬巷道上部巖石自重，選取摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構模型，按照設計的支護方案，建立的模型如圖9所示。模型共計307 520 個單元，325 853 個節點，對巷道周圍的網格進行適當加密，使計算過程更精確。

圖9 巷道圍巖數值模型

在未支護的條件下，巷道在水平和垂直方向的位移如圖10 所示，巷道在水平和垂直方向所受的應力如圖11 所示。由模擬結果可以看出，巷道開挖后，水平和垂直方向均出現了較大的位移變形，在水平方向上兩幫圍巖向巷道內擠壓，兩邊產生的變形均達到130 mm以上；水平方向所受的最大應力值在頂底板處為54.16 MPa，是由于側向壓力對巷道頂底板的擠壓作用，使其在頂底板位置出現較大應力。垂直方向上頂板下沉量最大為217 mm，底鼓量最大為136 mm，頂底板最大位移量均大于兩幫最大移量，且頂板下沉量大于底鼓量，垂直應力最大為29.72 MPa，最大應力出現在巷道兩幫，說明巷道開挖后垂直方向的應力對巷道兩幫產生擠壓作用。巷道開挖時產生過大的變形容易引起安全問題，因此巷道在開挖后必須及時進行支護。

圖10 未支護情況下巷道圍巖水平、垂直位移分布

圖11 未支護情況下巷道圍巖水平、垂直應力分布

4 巷道支護設計

通過對上述數值模擬結果分析可知，巷道在未加支護狀態下水平和豎直方向均出現了較大的位移，Ⅲ4 軌道上山巷道埋深已達800 m，深部巷道所受的地應力相對更大，巷道變形量增大、變形時間延長。應采用高預應力、高強度錨桿進行巷道圍巖支護，可以很好地控制巷道圍巖的變形。針對巖性條件差的深部巷道，選取高預應力、高強度的支護才能發揮錨桿的主動支護作用，進而保證巷道安全，提高施工效率［7-9］。因此，對Ⅲ4 軌道上山巷道采用此種支護方式，對巷道的頂板施加錨桿錨索，巷道兩幫施加錨桿，并對巷道頂板和兩幫進行二錨桿支護。通常底鼓量小于200 mm 時對井下的運輸和通風影響較小，另外對頂板和兩幫進行支護后也會減小底鼓量，所以不需要對此巷道采取專門的底鼓防治措施［10］。此巷道的凈斷面為5 000 mm×4 000 mm，巷道斷面如圖12 所示。

圖12 Ⅲ4軌道上山巷道斷面（單位：mm）

4.1 巷道一次支護參數

錨桿采用GM22/2800-490 無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，直徑為22 mm，長度為3 000 mm，配套托盤型號為Φ10×200×200 mm 方形球面型托盤，每根錨桿采用2 支MSK2950 樹脂錨固劑錨固，錨桿預緊扭矩為300 N·m。在巷道拱部位置，沿巷道中頂布置1根錨桿，對稱中頂左右各布置5根錨桿，間排距800×800 mm。在巷道幫部位置，左右幫各布置2 根錨桿，錨桿間排距800×800 mm，下部的底角錨桿與水平按15°安裝。

錨索采用YMSΦ22×6 300 mm，配套托盤Φ16×300×300 mm 方形球面型托盤，每根錨索使用3 支MSK2950 樹脂錨固劑，錨索設計錨固力不小于200 kN。頂部安裝5 根錨索，錨索間排距1 600×1 600 mm，垂直于巖石表面安裝。一次支護斷面如圖13 所示。

圖13 巷道一次支護斷面（單位：mm）

4.2 巷道二次支護參數

二次支護在巷道拱部布置10 根錨桿，沿巷道中頂左右兩邊分別布置5 根錨桿，巷道兩邊分別布置2根錨桿，錨桿間排距800×800 mm。錨桿參數和錨固劑參數與一次支護參數一致。二次支護選用的鋼帶型號為GDM200/2 800 mm，鋼帶搭接長度為200 mm，首尾相連沿巷道方向，間距800 mm。二次支護斷面如圖14 所示，巷道支護斷面展開如圖15所示。

圖14 二次支護斷面（單位：mm）

圖15 支護斷面展開（單位：mm）

4.3 支護后巷道數值模擬及分析

通過模擬可知，巷道經過支護后，巷道頂底板及兩幫變形量明顯減小，在頂板和兩幫進行支護后底鼓量也明顯減小，頂板下沉量最大為20.7 mm，底鼓量最大為23 mm，左右兩幫位移量為28.4 mm。在二次支護情況下巷道圍巖位移分布如圖16所示。由模擬結果可知，頂板下沉量得到了較好控制，原因是在巷道頂板施加了5 根錨索，對于控制巷道頂板的下沉起到了關鍵的作用。左右兩幫也在錨桿的支護下，位移量得到有效控制。

圖16 支護情況下巷道圍巖水平、垂直位移分布

4.4 支護效果監測

為進一步確定支護方案的合理性，在Ⅲ4 軌道上山巷道圍巖表面設置不同的監測點，采用十字交叉法對巷道頂底板和兩幫的變形進行147 d 的監測，監測數據如圖17 所示。通過監測數據可知，巷道頂板下沉在30 mm 后趨于穩定，底鼓量在33 mm后趨于穩定，左右兩幫變形量在30 mm 后也趨于穩定。巷道的實際變形量與數值模擬結果基本一致，說明此支護方案可有效應對巷道的變形，保證了巷道使用的安全。

圖17 巷道位移監測曲線

5 結論

①通過SEM掃描電鏡對巖石進行掃描，結合能譜分析判斷出該巷道巖性呈膨脹性的原因，在此基礎上提出了高預應力錨桿錨索支護方案。

②通過對開挖巷道進行數值模擬分析，可以看出深部巷道在未支護條件下，圍巖會向巷道內側產生較大的位移。在對巷道進行支護后圍巖穩定性得到提升，二次支護方案控制了圍巖的變形，保證了巷道使用的安全。

③通過對該巷道的支護和模擬分析，為淮北礦區類似工程條件的巷道，在支護設計上提供了參考。