馮 清

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司杜爾坪礦，山西 太原 030053)

杜爾坪礦巷道礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重。隨采深加大，礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)更突出，巷道支護(hù)更為困難，巷道翻修與維護(hù)導(dǎo)致直接成本增加，斜井、井底車場(chǎng)、硐室變形破壞嚴(yán)重，直接威脅礦井安全正常生產(chǎn)，巷道支護(hù)成為制約開(kāi)采的重要難題之一。巷道變形破壞研究表明對(duì)于巷道圍巖的支護(hù)，進(jìn)行眾多復(fù)雜的措施來(lái)多次維護(hù)巷道流變圍巖雖能取得一定效果，但期望能非常有效控制深部破碎、軟弱、流變圍巖大變形仍是非常困難，完全控制圍巖流變大變形目前幾乎很難。

本文就杜爾坪礦巷道破碎軟弱圍巖支護(hù)技術(shù)難題進(jìn)行研究。研究巷道淺部破碎圈和深部塑性圈的形成機(jī)制及變形破壞特征，針對(duì)巷道不同階段的變形和破壞特征，提出一次支護(hù)需要重點(diǎn)預(yù)防淺部破碎圈的形成，并允許深部塑性圈的變形卸壓；二次支護(hù)的主要任務(wù)是在適當(dāng)時(shí)機(jī)阻止大塑性圈的繼續(xù)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)深部極難維護(hù)巷道的安全有效支護(hù)。

本次研究將杜爾坪礦西大巷作為研究對(duì)象，西大巷為開(kāi)采+460水平服務(wù)，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1654m，服務(wù)年限約30年。西大巷沿煤2頂板掘進(jìn)，煤巖層硬度f(wàn)=4～7。斷面形狀為馬蹄形斷面，S荒= 22.55 m2，S凈=19.35 m2。

1 圍巖變形特性觀測(cè)及分析

1.1 表面變形特征

距迎頭約100m巷道的左上幫距底板約1.6～2.0m處，淺灰色砂巖，出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂、掉渣、脫落，向巷內(nèi)移近20～40cm。

距迎頭約50m巷道的右下幫，從底板向上約2.0m高度范圍內(nèi)，紅褐色砂巖，由巷道表面到內(nèi)部約60cm的厚度圍巖破碎，塊度約為20～40cm；拱基上下60cm范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯變形、開(kāi)裂、脫落。

距迎頭200m位置，斷面明顯縮小，表現(xiàn)為拱的兩側(cè)左上右下向內(nèi)擠壓約50～60cm，并出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。

巷道兩側(cè)人行道由于嚴(yán)重底臌引起傾斜，影響正常排水和行人，變形嚴(yán)重的位置巷道高度由4.3m降為2.0m左右。

1.2 深部位移測(cè)試

深部位移觀測(cè)方法特殊，能很好適應(yīng)極軟巖層松動(dòng)全測(cè)試，選用的材料和方法如下：

采用多鉆孔深部位移測(cè)試方法，為本文的創(chuàng)新所在?？朔似渌麥y(cè)試儀器無(wú)法在極軟巖層中安裝布置測(cè)點(diǎn)、操作不便、測(cè)點(diǎn)容易失效，測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)的缺點(diǎn)；具有成本低廉、安裝操作簡(jiǎn)單易行、測(cè)試準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

所用材料為現(xiàn)場(chǎng)廢棄的舊鋼繩、錨索、錨固劑等。依據(jù)巷道表面位移特征，測(cè)試斷面見(jiàn)圖1。

圖1 深部位移觀測(cè)鉆孔布置斷面圖

方法：在巷道兩側(cè)的三個(gè)不同高度的布置三排鉆孔，參數(shù)見(jiàn)表1。測(cè)試時(shí)，將廢舊鋼絲繩截成與孔深相匹配的長(zhǎng)度，在每個(gè)孔底錨固一根相應(yīng)長(zhǎng)度的鋼絲繩，在孔外留20cm長(zhǎng)的余量作為自由端，并在自由端掛上500g的重錘使鋼絲繩實(shí)時(shí)反應(yīng)孔底的位移，觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

表1 深部位移測(cè)試鉆孔布置參數(shù)

圖2 多鉆孔深部位移測(cè)試結(jié)果

由圖2測(cè)試結(jié)果可知，鉆孔深度為1.5～1.8m時(shí)，鉆孔外部鋼絲繩的縮短量很小，而深度大于1.8m的鉆孔外部鋼絲繩縮短量急劇增加，最大達(dá)到32mm；表明深度1.5～1.8m鉆孔底部與孔口表面位移量基本相等，而深度大于1.8m的鉆孔底部位移量遠(yuǎn)小于表面位移量。

由以上分析可得，+460m西大巷圍巖松動(dòng)圈范圍為1.5～1.8m。

2 軟巖巷道變形破壞機(jī)理分析

2.1 巷道變形破壞機(jī)理的損傷力學(xué)分析

巷道整體結(jié)構(gòu)損傷源于材料劣化和局部失效。這種局部劣化和失效往往和結(jié)構(gòu)中存在的初始缺陷有關(guān)。吳佰建等在文獻(xiàn)[1]進(jìn)行損傷力學(xué)分析，認(rèn)為細(xì)觀的損傷和響應(yīng)性既受制于宏觀上的作用因素，又可能顯著影響宏觀的響應(yīng)或者失效性能[2-6]。

巷道的變形和破壞過(guò)程，是一個(gè)多因素造成的過(guò)程：細(xì)觀結(jié)構(gòu)可能發(fā)生為裂隙的形成、發(fā)展，宏觀結(jié)構(gòu)的彈性變形、塑性破壞或蠕變。一般情況下，當(dāng)局部細(xì)節(jié)損傷萌生以后，宏觀與細(xì)觀尺度必然相互耦合，相互影響。這個(gè)特點(diǎn)決定了巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的整體觀念。有必要通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)來(lái)掌握細(xì)觀層次上的響應(yīng)與失效狀態(tài)何時(shí)、以怎樣的途徑去影響宏觀結(jié)構(gòu)性能。實(shí)質(zhì)上，需要通過(guò)提高支護(hù)強(qiáng)度和剛度，來(lái)約束細(xì)觀或有缺陷結(jié)構(gòu)的損傷積累，增強(qiáng)巷道結(jié)構(gòu)的整體自承能力。

2.2 巷道變形破壞機(jī)理的卸荷力學(xué)分析

文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)果表明：卸荷更容易導(dǎo)致巖石破壞，卸荷開(kāi)始后表現(xiàn)出擴(kuò)容特性，當(dāng)圍壓降低到屈服前一定程度后，微量圍壓減少引起變形模量急劇減小。高應(yīng)力卸荷條件下只比加載條件下低14%，而只比加載條件下高23%。

目前在巷道開(kāi)挖等巖石地下工程中，開(kāi)挖面徑向則更表現(xiàn)為卸荷破壞。特別是出現(xiàn)拉應(yīng)力后,結(jié)構(gòu)面的力學(xué)條件將發(fā)生本質(zhì)的變化,導(dǎo)致巖體力學(xué)參數(shù)急劇下降,卸荷變形劇增。

發(fā)生卸荷裂隙的方向大體平行于開(kāi)挖的臨空面，發(fā)生時(shí)間的滯后性。因此,這種現(xiàn)象引起塌方、滑坡等工程隱患。巖體的局部卸荷作用將導(dǎo)致巷道圍巖的偏應(yīng)力增大,從而導(dǎo)致巖體內(nèi)的損傷發(fā)生演化,引起巷道巖體的力學(xué)性態(tài)呈現(xiàn)一定程度的惡化[3-7]。

巷道圍巖在開(kāi)挖之前處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)；開(kāi)挖后，破壞了圍巖的平衡狀態(tài)，在松動(dòng)圈范圍內(nèi)表現(xiàn)為卸荷變形、移動(dòng)和破壞。在支護(hù)設(shè)計(jì)中，必須通過(guò)高強(qiáng)度、高剛度支護(hù)體系消除圍巖內(nèi)形成的偏應(yīng)力，阻止松動(dòng)圈的卸荷變形積累。

2.3 三軸卸荷巖石蠕變損傷細(xì)觀機(jī)理CT掃描

試驗(yàn)結(jié)果表明，軟巖巷道蠕變損傷擴(kuò)展存在損傷演化的不均勻性和局部化現(xiàn)象。在蠕變瞬時(shí)段，裂紋在很短的時(shí)間內(nèi)有一定的擴(kuò)展，然后穩(wěn)定擴(kuò)展，巖石進(jìn)入蠕變穩(wěn)態(tài)段，隨著時(shí)間的推移，巖石體積膨脹，軸向應(yīng)變穩(wěn)定增加，在穩(wěn)態(tài)段的末期，裂紋擴(kuò)展速度加快，CT數(shù)下降率增大，巖石很快進(jìn)入蠕變加速段，由于巖石的脆性特性，在較短的時(shí)間內(nèi)損傷急劇演化累積，導(dǎo)致試件發(fā)生蠕變損傷脆性斷裂破壞。

通過(guò)CT掃描獲取巖石進(jìn)入蠕變加速段的裂紋擴(kuò)展特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖鉆孔窺視結(jié)果，建立宏微觀變形關(guān)系。為軟巖巷道支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇提供科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)，以便實(shí)現(xiàn)深部極難維護(hù)巷道的安全、經(jīng)濟(jì)、有效支護(hù)。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)及礦壓觀測(cè)

3.1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)及原則

筆者對(duì)巷道圍巖不同支護(hù)形式的數(shù)值計(jì)算(篇幅所限，在此省略)，系統(tǒng)分析了巷道圍巖的變形力學(xué)機(jī)制、塑性區(qū)、拉應(yīng)力區(qū)的發(fā)展、圍巖應(yīng)力場(chǎng)等，表明深部軟弱圍巖條件下開(kāi)拓巷道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

(1)宜采用頂幫錨網(wǎng)噴+底板錨固的全斷面全長(zhǎng)錨固方式。

(2)必須強(qiáng)調(diào)底板錨固的重要性，它是取代底板反拱，控制底臌最有效經(jīng)濟(jì)的支護(hù)措施。只有當(dāng)巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)呈相對(duì)穩(wěn)定，且沒(méi)有明顯支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)的共同承載體系時(shí)，實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的匹配和變形耦合，才能有效適應(yīng)并控制巷道圍巖收斂位移，盡量減少返修。

(3)當(dāng)圍巖裂隙發(fā)育，對(duì)水泥漿液具有良好可注性，水泥漿液能較好實(shí)現(xiàn)劈裂滲透加固圍巖作用時(shí)，應(yīng)考慮采用全斷面錨網(wǎng)噴+注漿錨桿+頂板錨索的支護(hù)形式，從控制高地應(yīng)力圍巖流變變形看，其效果是顯著的。

(4)大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)剛度與強(qiáng)度，特別是預(yù)應(yīng)力，可有效抑制圍巖結(jié)構(gòu)面離層和彎曲變形，實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)預(yù)防淺部破碎圈的有害擴(kuò)展。

3.2 支護(hù)材料及參數(shù)

一次支護(hù)時(shí)掛10#以上，網(wǎng)格80mm×80mm的鐵絲經(jīng)緯壓花網(wǎng)，采用Ф25mm×2100mm高強(qiáng)度錨桿，一次噴漿厚度為130mm；二次支護(hù)掛100mm×100mm的Φ6mm點(diǎn)焊接，規(guī)格1.0m×1.8m鋼筋網(wǎng)，采用Φ25mm×2100mm高強(qiáng)度錨桿，噴射混凝土厚度20mm，錨桿間排距為1000mm×1000mm；Φ28mm×350mm樹(shù)脂錨固劑，規(guī)格為 Φ150mm的鐵托盤,錨桿錨固力巖層中不小于130kN，煤層中不小于70kN，預(yù)緊力均不小于400kN。

頂板破碎時(shí)采用錨索加固，錨索直徑17.8mm，重量1.5kg/m，級(jí)別270K，強(qiáng)度1860N/mm2，截面積191.00mm2，延伸率≥3.5%，最低破斷負(fù)荷 353kN，長(zhǎng)度6m，采用中速樹(shù)脂錨固劑，最小錨固長(zhǎng)度≥1.5m,支護(hù)間排距2.5m×2.5m，由巷中向兩肩窩對(duì)稱布置，打兩排，超前二次支護(hù)進(jìn)行,單根錨索錨固力大于150kN。

3.3 礦壓觀測(cè)結(jié)果

頂?shù)装逡平c巷道兩幫收斂測(cè)試結(jié)果(圖3、圖4)。

巷道的頂?shù)装逡平颗c巷道兩幫收斂測(cè)試結(jié)果表明，從巷道開(kāi)掘后經(jīng)歷了2個(gè)月左右后巷道變形就可以趨向穩(wěn)定，在巷道開(kāi)掘初期40天內(nèi)巷道變形收斂較快，隨后巷道變形收斂趨向穩(wěn)定，這表明選擇較好的支護(hù)措施，完全可以很有效地維護(hù)深部回采巷道的圍巖穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1)采用多鉆孔方法測(cè)試圍巖的淺部破碎圈和深部塑性圈，能夠準(zhǔn)確測(cè)定圍巖松動(dòng)圈，為支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)確定提供準(zhǔn)確依據(jù)。本方法具有簡(jiǎn)單、易行、低成本、高效益的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 頂?shù)装逡平颗c時(shí)間關(guān)系圖

圖4 兩幫移近量與時(shí)間關(guān)系圖

(2)初期支護(hù)要采用高剛度、高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力錨桿，這樣可有效抑制圍巖結(jié)構(gòu)面離層和彎曲變形，實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)預(yù)防淺部破碎圈的有害擴(kuò)展。巷道變形大幅減小，頂板離層有效控制。變形量可降低70%，頂板離層為原來(lái)的5%～10%，甚至近零離層。

(3)錨桿、錨索的整套構(gòu)件力學(xué)特性必須匹配，這樣支護(hù)體系的強(qiáng)度和整體性明顯提高，能有效避免大變形[8]。

(4)對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道，實(shí)施二次支護(hù)。必須強(qiáng)調(diào)在一次支護(hù)高強(qiáng)度、高剛度、高預(yù)緊力的基礎(chǔ)上，允許有一定變形，釋放壓力；在合適時(shí)間二次支護(hù)，巷道支護(hù)狀況發(fā)生本質(zhì)性變化，圍巖完整性與穩(wěn)定性大幅提高。

由此可見(jiàn)，在深部開(kāi)采的巷道維護(hù)問(wèn)題中，關(guān)鍵要選擇有效的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段、結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究，運(yùn)用現(xiàn)代力學(xué)分析理論，搞清楚研究巷道特定條件下的變形力學(xué)機(jī)理，將巷道的頂、底、幫部圍巖作為整體考慮來(lái)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)控制深部圍巖長(zhǎng)期流變和大變形的目的。

[1] 吳佰建,李兆霞,湯可可. 大型土木結(jié)構(gòu)多尺度模擬與損傷分析—從材料多尺度力學(xué)到結(jié)構(gòu)多尺度力學(xué)[J]. 力學(xué)進(jìn)展,2007,8(3):321-336.

[2] 邱戰(zhàn)洪,羅元豐. 動(dòng)力損傷力學(xué)基本理論的研究分析[J]. 臺(tái)州學(xué)院學(xué)報(bào),2007,6(3):29-33.

[3] 李建林,王樂(lè)華. 節(jié)理巖體卸荷非線性力學(xué)特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,10(10):1968-1975.

[4] 李宏哲,夏才初,閆子艦，等. 錦屏水電站大理巖在高應(yīng)力條件下的卸荷力學(xué)特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,10(10):2104-2109.

[5] 唐立強(qiáng),楊敬源,王勇，等. 井壁穩(wěn)定性的斷裂損傷力學(xué)分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2007,6(6):642-646.

[6] 蔣宏偉,翟應(yīng)虎,劉德鑄. 損傷力學(xué)在粗面巖水力壓裂裂縫延伸機(jī)理研究中的應(yīng)用[J]. 石油鉆采工藝,2007,2(1):44-47.

[7] 胡海浪,李建林,王小虎. 卸荷巖體力學(xué)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J]. 西北水電,2007,3(2):9-13.

[8] 張軍,尹根成.巷道底臌對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響[J]. 礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2007,12(6):43-47.