薛道成

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司，山西 太原 030053)

1 概 述

由于煤炭賦存條件的復(fù)雜、多變，煤炭開采條件的不可選擇性，多數(shù)礦井的生產(chǎn)和建設(shè)都將面臨不同程度、不同數(shù)量的軟巖巷道開掘及維護(hù)難題。特別是服務(wù)年限較長(zhǎng)的準(zhǔn)備巷道、開拓巷道施工、維護(hù)，需解決一系列軟巖巷道問題，比如巷道自穩(wěn)時(shí)間短、變形大、難維護(hù)、返修率高等。加之多數(shù)軟巖巷道斷面較大，巷道變形破壞的影響因素復(fù)雜[1]，在支護(hù)設(shè)計(jì)中，要考慮多方面影響因素的嚴(yán)重程度、作用機(jī)理。根據(jù)軟巖特性，采用主動(dòng)組合支護(hù)手段，使施工工藝在空間、時(shí)間、圍巖特性三方協(xié)調(diào)，變形在控的新型耦合支護(hù)技術(shù)，即三維協(xié)控支護(hù)技術(shù)。本文結(jié)合古交礦區(qū)復(fù)合頂板煤礦軟巖巷道支護(hù)實(shí)際，通過(guò)圍巖物理力學(xué)特性研究、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料分析、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的定性和定量研究，借助數(shù)值分析、相似模擬等手段，提出三維協(xié)控支護(hù)技術(shù)方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了預(yù)期效果。

2 巷道地質(zhì)條件

2.1 巷道斷面特性

本文研究軟巖大斷面巷道以馬蘭礦南部軌道下山為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，巷道斷面形狀為半圓拱形，凈寬4.2m，凈高3.5m，凈斷面積12.8m2，其間車場(chǎng)巷道凈斷面積15.7m2，巷道頂?shù)装?、兩幫移近量局部高達(dá)1.0m，平均移近量大于600mm，且巷道處于長(zhǎng)期流變、蠕變狀態(tài)，巷道斷面不能滿足生產(chǎn)需要，需頻繁返修，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，造成采掘接替緊張。

2.2 巷道層位及構(gòu)造

巷道施工過(guò)程中，主要揭露巖性為：泥巖，厚度較大(平均>5.0m)，灰色、塊狀、含植物化石碎片，局部較破碎；粉砂巖(平均>2.5m)、鋁質(zhì)泥巖(平均>7.5m)，局部穿過(guò)中、細(xì)砂巖(平均<2.0m)，淺灰色、薄層狀、堅(jiān)硬，含石英及暗色礦物，水平狀層理。

巷道構(gòu)造情況：該處煤巖層產(chǎn)狀變化較大，施工范圍內(nèi)基本為北北東向，傾角50～160。

3 巷道圍巖特性

3.1 微觀礦物組成

南部軌道下山頂板巖石所含礦物，包括非黏土礦物石英、方解石、黃鐵礦、菱鐵礦、角閃石，黏土礦物伊利石、高嶺石、伊蒙混層，巖石表現(xiàn)為易風(fēng)化、易膨脹、易脆性碎粒破壞特性，抵抗風(fēng)、水及其他化學(xué)環(huán)境侵蝕的能力較差，對(duì)巖石的整體長(zhǎng)期穩(wěn)定不利。

3.2 微觀結(jié)構(gòu)

南部軌道下山巖石整體屬層狀構(gòu)造，連通性較好、微裂隙發(fā)育、聯(lián)結(jié)強(qiáng)度較弱，對(duì)整體結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度影響較大。粒間、層間空隙發(fā)育，空隙由黏土礦物及部分黑色機(jī)質(zhì)充填，容易產(chǎn)生局部層間錯(cuò)動(dòng)或碎粒狀破壞。層理結(jié)構(gòu)明顯，強(qiáng)度低、硬度小、結(jié)構(gòu)完整性較差，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性不強(qiáng)。在施工及支護(hù)中，應(yīng)注意控制變形及圍巖的封閉，并在合理設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度的條件下，保持連續(xù)可控變形。

4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

4.1 錨桿參數(shù)計(jì)算

4.1.1 錨桿長(zhǎng)度

通常錨桿長(zhǎng)度等于外露長(zhǎng)度l1、有效長(zhǎng)度l2與錨固段長(zhǎng)度l3之和。即

l=l1+l2+l3

式中：l為錨桿總長(zhǎng)度，m；l1為錨桿外露長(zhǎng)度，不大于0.15m；l2為錨桿有效長(zhǎng)度，m；l3為錨桿錨固長(zhǎng)度，取0.3～0.4m。

結(jié)合本巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)，l2按組合梁(拱)理論計(jì)算較合理，計(jì)算公式如下：

式中：q為組合梁上的均布荷載，MPa；σx為原巖水平應(yīng)力，σx=λγ·Z，MPa；σt為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；ξ為組合巖層數(shù)目的系數(shù)，0.75；k1為抗拉安全系數(shù)，取2～3；λ為側(cè)壓力系數(shù)，0.5；L為巷道跨度。

將巷道數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得：

l2=0.193×4.2

代入公式，l=l1+l2+l3=0.15+1.69+(0.3～0.4)=2.14～2.24m

幫部錨桿長(zhǎng)度：考慮錨桿支護(hù)材料配套及幫頂松動(dòng)破壞范圍的關(guān)系，幫部錨桿長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)為2.2m或2.4m，為材料的統(tǒng)一配置，頂幫錨桿長(zhǎng)度都取2.4m。

4.1.2 錨桿的錨固力

錨桿的錨固力P(kN)取決于巖石硬度，按下式計(jì)算：

式中：d為錨桿直徑，m；f為錨固段巖層的硬度系數(shù)；σt為錨桿桿體的極限抗拉強(qiáng)度，MPa。直徑為φ20mm的錨桿的抗拉強(qiáng)度能達(dá)到500MPa。

帶入數(shù)據(jù)，得頂錨桿的錨固力P頂=85.7 kN；幫錨桿的錨固力為P榜=85.7kN。

4.1.3 錨桿的間距、排距計(jì)算

通常間、排距相等，取為a。并根據(jù)錨桿的錨固力應(yīng)大于被懸吊巖石的重量的原則確定，即：

式中：a為錨桿的間、排距，m；K為無(wú)因次安全系數(shù)，3～5；Q為錨桿的設(shè)計(jì)錨固力，85kN；γ為被懸吊巖石的重力密度，取25kN/m3。

考慮炮掘施工安全系數(shù)，實(shí)際a取0.7m，可滿足生產(chǎn)需求。

4.2 錨索參數(shù)計(jì)算

4.2.1 錨固長(zhǎng)度

在錨索支護(hù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證鋼絞線與膠結(jié)體有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度，才能保證錨索的支護(hù)效果。大量工程實(shí)踐表明：樹脂藥包錨索錨固長(zhǎng)度應(yīng)≥1.0m。使用1支K2370、2支Z2370樹脂錨固劑的實(shí)際錨固長(zhǎng)度為：

2377.98mm>La

能滿足錨索生根穩(wěn)固巖層的要求。

4.2.2 錨索長(zhǎng)度

錨索宜錨固在圍巖內(nèi)部較穩(wěn)定的巖層中。錨索長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

L=La+Lb+Lc+Ld

式中：L為錨索的總長(zhǎng)度，m；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度，取1.1m；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，根據(jù)南部軌道下山煤巖綜合柱狀圖，取8.0m；Lc為上托板及錨具的厚度(一般≥0.1m)，取0.15m；Ld為需要外露的張拉長(zhǎng)度(一般≥0.2m)，取0.25m。

考慮直接頂厚度的不均勻性和施工影響因素，安全系數(shù)取1.05～1.1，則南部軌道下山錨索的長(zhǎng)度為：LS=9.975～10.45m。

故，錨索長(zhǎng)度選取10.5m為宜。

4.2.3 錨索支護(hù)密度

式中：N為錨索數(shù)目；P1為錨索的最低破斷力；W為每平方米巷道的靜壓力，W=∑h·∑γ； ∑h為懸吊的巖層厚度； ∑γ為懸吊的巖層的平均容重。

潛在的冒落高度一般為1.5倍的巷道寬度，計(jì)算得6.3m。

錨索的最低破斷載荷P1為353kN，考慮到錨桿支護(hù)體系的應(yīng)有作用，安全系數(shù)K取1.1，則N=1.1×6.3×25/353=0.49根/m2，該數(shù)值為錨索支護(hù)應(yīng)有的支護(hù)密度。

錨桿排距為700mm時(shí)，當(dāng)錨索排距3×700=2100mm，則每排需要的錨索數(shù)量n=2.1×4.2×0.49=4.32根，考慮后續(xù)注漿加固發(fā)揮圍巖自承能力，取3根。

4.3 數(shù)值分析

本文應(yīng)用FLAC3D對(duì)巷道底角錨桿的位置及下扎角度進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)調(diào)整其距底板的距離及下扎角度(與底板水平面夾角)兩個(gè)參數(shù)，對(duì)比分析巷道塑性變形破壞范圍、頂?shù)装逡平?、兩幫移近量，確定距底板的距離200mm、下扎角度150時(shí)，支護(hù)效果最佳。由于篇幅所限，模擬過(guò)程及圖表略。

故在方案設(shè)計(jì)中，巷道底角錨桿布置如圖1所示。

4.4 支護(hù)方案

主要對(duì)策為組合式支護(hù)措施，主要支護(hù)環(huán)節(jié)為：圍巖注漿以提高圍巖整體性和強(qiáng)度；利用錨索調(diào)動(dòng)深部圍巖強(qiáng)度；加固兩幫控制內(nèi)移；全斷面后路注漿提高圍巖整體穩(wěn)定性及自承能力，采用底角注漿錨桿控制巷道底板穩(wěn)定性[2-5]。

(1)錨桿規(guī)格及其布置。使用φ20左旋螺紋鋼高強(qiáng)度(粗尾)錨桿，長(zhǎng)度為2400 mm，巷道兩底角錨桿與水平面夾角為15°，其余錨桿均垂直巷道表面布置(圖1)。

(2)錨固方式。采用K/Z2370速凝樹脂藥卷，每個(gè)鉆孔需1根藥卷。

(3)頂板鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、兩幫加鋼筋梯。

圖1 南部軌道下山錨桿(索)支護(hù)方案

(4)錨索。采用預(yù)應(yīng)力錨索，長(zhǎng)度取10.5 m，結(jié)合施工實(shí)際實(shí)時(shí)調(diào)整具體長(zhǎng)度。初步確定錨索間距布置如圖1所示。使用3支K/Z2370的樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固。

(5)圍巖注漿補(bǔ)強(qiáng)加固。注漿錨桿將錨固和注漿結(jié)合在一起，提高巖體強(qiáng)度，形成承載結(jié)構(gòu)、改善賦存環(huán)境[3]。注漿錨桿長(zhǎng)2.4 m，間距(1.6m)、排距為1.4m(擴(kuò)散半徑0.8～1.0m)，除下底角注漿孔(與水平方向偏下夾角30°)外，其余孔均垂直巷道巖面布置，注漿孔布置見圖2。

圖2 注漿技術(shù)方案

4.4 支護(hù)效果分析

4.4.1 變形量

巷道位移及收斂速率是反映巷道圍巖變形和穩(wěn)定性狀態(tài)的重要指標(biāo)。課題組于2009年7月21日～2009年8月29日和2009年9月5日～2009年10月15日兩個(gè)時(shí)段，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了巷道圍巖變形觀測(cè)。

圖3和圖4分別是巷道掘出后，第I測(cè)站和第Ⅱ測(cè)站巷道圍巖表面位移量、位移速度隨時(shí)間的變化情況?？煽闯?，南部軌道下山掘進(jìn)期間兩幫和頂?shù)资諗课灰齐S時(shí)間的變化特征。

掘進(jìn)期間巷道變形觀測(cè)結(jié)果見表1、表2。

4.4.2 變形速度

掘進(jìn)影響期巷道表面位移量較大，14d掘進(jìn)進(jìn)尺29.4m，巷道兩幫位移為99mm，兩幫位移速度最大為6.0～6.1mm /d，頂板位移量47mm，底臌量為113mm，頂?shù)孜灰扑俣茸畲鬄?.3～9.2mm /d。

進(jìn)入穩(wěn)定期后，巷道表面位移量增速大大降低，兩幫位移速度在0.3～0.7mm /d左右。

表1 掘進(jìn)期間巷道表面變形情況一覽表

表2 南部軌道下山表面位移觀測(cè)統(tǒng)計(jì)整理表

圖3 掘進(jìn)期間第I測(cè)站圍巖收斂曲線

5 結(jié) 論

(1)軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，必須掌握軟巖類型及變形破壞機(jī)理，需特別注意對(duì)巷道底板的加固，將巷道頂、幫、底視為巷道系統(tǒng)的統(tǒng)一體，三方實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定互補(bǔ)互助。

(2)為了充分發(fā)揮噴漿對(duì)巷道環(huán)境適應(yīng)性及整體穩(wěn)定性的提高作用，以便發(fā)揮圍巖潛在的自承能力，須結(jié)合巷道變形實(shí)際，合理確定噴漿厚度、初噴和復(fù)噴時(shí)間間隔及其他噴漿參數(shù)。

(3)支護(hù)設(shè)計(jì)需結(jié)合巷道圍巖變形破壞特征，采用三維協(xié)控技術(shù)。在方案設(shè)計(jì)中，采用的支護(hù)材料須幾何尺寸、特性協(xié)調(diào)配合，施工工藝在時(shí)間和空間上與圍巖變形耦合，保證巷道變形在控。

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為本文所采用的支護(hù)技術(shù)對(duì)類似巷道支護(hù)有效，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(5)錨注補(bǔ)強(qiáng)加固對(duì)軟弱圍巖巷道具有很好效果，但須注意注漿材料選擇，注漿時(shí)間、注漿壓力、注漿量等參數(shù)的合理協(xié)調(diào)和優(yōu)化。

圖4 掘進(jìn)期間第Ⅱ測(cè)站圍巖收斂曲線

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