楊曉杰,龐杰文,張保童,孟凡毅,姜文峰,樊利朋,牛 翔

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京100083;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)國(guó)家能源深井安全開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;4.中交四航工程研究院有限公司,廣東廣州510230;5.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083)

回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道變形破壞機(jī)理及其支護(hù)對(duì)策

楊曉杰1,2,3,龐杰文1,2,3,張保童4,孟凡毅1,2,姜文峰1,2,樊利朋1,2,牛 翔5

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京100083;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)國(guó)家能源深井安全開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;4.中交四航工程研究院有限公司,廣東廣州510230;5.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083)

針對(duì)煤礦回風(fēng)石門(mén)出現(xiàn)嚴(yán)重底臌、折幫和頂沉等非線性大變形破壞現(xiàn)象,且難支護(hù)的問(wèn)題,采用工程地質(zhì)力學(xué)分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究相結(jié)合的研究方法,對(duì)巷道的變形破壞機(jī)理和支護(hù)對(duì)策進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明,巷道的變形破壞受分子吸水膨脹、膠體膨脹、構(gòu)造應(yīng)力、重力、工程偏應(yīng)力、軟弱夾層、層理等多種因素影響,其變形力學(xué)機(jī)制為IABIIABDIIIBC型。針對(duì)該種類型的復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制,提出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)化為單一型的技術(shù)對(duì)策,數(shù)值模擬結(jié)果表明該技術(shù)對(duì)策可有效控制巷道的大變形破壞;提出了恒阻大變形錨桿+金屬網(wǎng)+底角注漿錨管+鋼纖維混凝土耦合支護(hù)方案,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

回風(fēng)石門(mén);軟巖巷道;變形力學(xué)機(jī)制;支護(hù)

工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體[1]。巷道開(kāi)挖后,巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)遭到了破壞,引起應(yīng)力重新分布,圍巖將向巷道臨空面發(fā)生位移變形,出現(xiàn)底臌、頂沉、兩幫收縮等大變形特征。隨著開(kāi)采深度的不斷增加,軟巖巷道工程所處的工程地質(zhì)條件開(kāi)始變得復(fù)雜,支護(hù)問(wèn)題也變得越來(lái)越嚴(yán)重,特別是強(qiáng)膨脹型軟巖巷道、高應(yīng)力軟巖巷道以及大斷面交叉點(diǎn)等。對(duì)于這些巷道,采用一般支護(hù)形式更是難以奏效[2]。目前軟巖巷道支護(hù)理論的研究主要集中在圍巖變形特性研究與支護(hù)技術(shù)的研究上,主要有巖性轉(zhuǎn)化理論、軸變論理論、松動(dòng)圈理論、聯(lián)合支護(hù)理論、錨噴-弧板支護(hù)理論、主次承載區(qū)支護(hù)理論、應(yīng)力控制理論,以及軟巖工程力學(xué)支護(hù)理論,其中軟巖工程力學(xué)支護(hù)理論較好地結(jié)合了圍巖變形力學(xué)特性研究與支護(hù)技術(shù)研究,可以系統(tǒng)地分析軟巖的變形力學(xué)機(jī)制,并提出相應(yīng)的轉(zhuǎn)化復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制的支護(hù)對(duì)策。針對(duì)新安煤礦回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道支護(hù)難題,筆者運(yùn)用軟巖工程力學(xué)支護(hù)理論,采用工程地質(zhì)力學(xué)分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究相結(jié)合的研究方法,從物化膨脹、應(yīng)力擴(kuò)容和結(jié)構(gòu)變形3方面系統(tǒng)地分析了新安煤礦+535回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制,并提出了相應(yīng)的復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化對(duì)策,采用數(shù)值計(jì)算的方法,研究支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)巷道變形的控制效果,并將新提出的支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)踐。

1 回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道工程地質(zhì)力學(xué)分析

1.1 工程概況

新安煤礦位于甘肅省平?jīng)鍪芯硟?nèi),井田主要含煤地層為下侏羅統(tǒng)華亭群,主要巷道埋深750～900 m。+535回風(fēng)石門(mén)位于新安煤礦+535 m水平采區(qū),埋深約750 m,是國(guó)內(nèi)侏羅系地層埋深最大的煤礦之一。巷道賦存于粉砂巖、泥巖、細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖等膨脹性軟巖巖層,各個(gè)巖層沿巷道的走向和與垂直巷道走向方向均有約10°的傾角,圍巖具有明顯的軟巖特征。

新安煤礦+535回風(fēng)石門(mén)采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù),在施工2個(gè)月后因破壞嚴(yán)重進(jìn)行了第1次返修,截至2010年12月,巷道已進(jìn)行了4次返修,仍然出現(xiàn)大變形現(xiàn)象,影響煤礦的正常生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn),因此,對(duì)該巷道進(jìn)行工程地質(zhì)力學(xué)分析,研究其破壞機(jī)理并提出支護(hù)對(duì)策已迫在眉睫。

1.2 巷道變形破壞特征

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究,新安煤礦+535回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道的變形破壞有以下4個(gè)特征(圖1):①底臌嚴(yán)重,最大底臌量可達(dá)1.5 m;②頂板彎曲下沉,最大下沉量為1.8 m;③幫部嚴(yán)重鼓出并出現(xiàn)折幫現(xiàn)象;④支護(hù)體大量失效,具體表現(xiàn)為錨桿、錨索拉斷、折斷,托盤(pán)與桿體脫離,錨桿吸入巖壁,鋼筋網(wǎng)與托盤(pán)連接處剪斷等。+535回風(fēng)石門(mén)服務(wù)于+535 m水平,該水平的所有污風(fēng)都將通過(guò)該巷道排出礦井,巷道的后續(xù)修復(fù)工程直接關(guān)系到該水平生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3 巷道圍巖巖性分析

+535回風(fēng)石門(mén)位于煤1層的上部。巷道揭露巖性有:泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖,試驗(yàn)段剖面如圖2所示。這些巖石屬較軟巖類,為不堅(jiān)固巖層;圍巖的巖塊強(qiáng)度平均為10 MPa,巖體的平均強(qiáng)度為2.5～7.0 MPa。泥巖、砂質(zhì)泥巖的底板力學(xué)強(qiáng)度較差,且有遇水膨脹的性能,為不堅(jiān)固巖石;粉細(xì)砂巖底板強(qiáng)度稍高。

圖1 回風(fēng)石門(mén)變形破壞Fig.1 Deformation and failure of the air return laneway

圖2 回風(fēng)石門(mén)試驗(yàn)段巷道剖面Fig.2 Sectionmap of the test section of the air return laneway

1.4 巷道圍巖黏土礦物成分與微觀結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)黏土礦物測(cè)試研究方法[3-4],通過(guò)X射線衍射分析結(jié)果(表1),巷道圍巖各巖石樣品的主要礦物成分為黏土礦物和石英。其中黏土礦物總量最大值達(dá)到61.7%,平均含量為54.5%;石英的總量為37.3%～57.4%,平均含量為43.6%。由此反映了巷道圍巖具有很大的膨脹性。各巖石樣品中黏土礦物含量主要是以高嶺石為主,其次為伊/蒙混層和伊利石等礦物(表2)。其中高嶺石總量最大值為57%,平均值為44%;伊/蒙混層的總量最大值為44%,平均值為39.6%;伊利石的總量最大值為20%,平均值為13.8%。由以上數(shù)據(jù)可以看出,礦物顆粒中間有較強(qiáng)的膨脹性,即遇水后顆粒水膜加厚、吸水性大、易軟化、強(qiáng)度和穩(wěn)定性差。

表1 礦物X射線衍射全巖分析結(jié)果Table 1 The results of X-ray diffraction of full rock m ineral

表2 礦物X射線衍射黏土礦物分析結(jié)果Table 2 The results of X-ray diffraction of clay m ineral

利用電子顯微技術(shù)對(duì)圍巖的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試分析,如圖3所示,圖3(a)為1號(hào)泥巖樣品放大1 500倍,粒間可觀察到三角形孔隙,片狀伊蒙混層;圖3(b)為2號(hào)粉砂巖微裂隙和粒表溶蝕孔;圖3(c)為2號(hào)粉砂巖無(wú)序混層排列;圖3(d)為3號(hào)粉砂質(zhì)泥巖定向排列,呈絮狀,具有微裂隙;圖3(e)為5號(hào)粉砂巖溶蝕孔,孔中充填方解石晶體;圖3(f)為6號(hào)砂質(zhì)泥巖微結(jié)構(gòu),呈絮狀,有伊利石顆粒。含有黏土礦物的巖石樣品,其高嶺石、伊/蒙混層多為無(wú)序混層排列的結(jié)構(gòu),多呈片狀、絮狀分布。礦物表面有大量的溶蝕孔洞,部分溶蝕孔洞為泥質(zhì)成分、方解石所填充。

巖石的微裂隙較發(fā)育,且部分裂隙的連通性較好,部分裂隙為方解石等晶體填充,因此圍巖的節(jié)理較發(fā)育。

1.5 應(yīng)力場(chǎng)分析

1.5.1 自重應(yīng)力場(chǎng)分析

由新安煤礦+535回風(fēng)石門(mén)的巷道布置情況可知,其埋深約為750 m,自重應(yīng)力達(dá)到18.75 MPa(巖層容重為25 kN/m3),相比巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)可知,其自重應(yīng)力均超過(guò)各巖層的抗壓強(qiáng)度,因此,圍巖進(jìn)入非線性力學(xué)狀態(tài)。

圖3 回風(fēng)石門(mén)圍巖電鏡掃描分析結(jié)果Fig.3 Electron microscope scanning results of surrounding rock of the return air laneway

1.5.2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析

新安煤礦位于安口—新窯煤田東南部,與安口—新窯煤田同屬祁呂賀蘭山“之”字型構(gòu)造的脊柱與隴西系旋卷構(gòu)造的復(fù)合部位,構(gòu)造主要受太平洋板塊俯沖歐亞大陸的影響,表現(xiàn)為受近北東東—南西西方向的擠壓,與太平洋板塊的俯沖方向一致,致使該區(qū)地應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西—北東東方向,如圖4所示。

圖4 新安煤礦地質(zhì)構(gòu)造綱要Fig.4 Geological structuremap of Xin’an Coal Mine

根據(jù)在新安煤礦回風(fēng)石門(mén)段所做的地應(yīng)力測(cè)試,得出其最大主應(yīng)力的大小為31.2 MPa,方位角為66°,傾角8°;最小主應(yīng)力為16.5 MPa,方位角為336°,傾角為-7°。如圖5所示,該巷道軸向與最大水平應(yīng)力方向呈銳角相交,其圍巖變形偏向巷道某一幫,導(dǎo)致巷道不對(duì)稱變形[5-6]。

圖5 +535回風(fēng)石門(mén)位置Fig.5 Location of+535 air return laneway

1.5.3 采動(dòng)影響分析

如圖5所示,新安煤礦+535水平布置的巷道主要有回風(fēng)石門(mén)、主運(yùn)石門(mén)和膠帶運(yùn)輸石門(mén)3條大巷,各條巷道之間呈平行狀態(tài),但相互之間的距離較小,易受鄰近巷道的工程擾動(dòng)影響[7-8]?；仫L(fēng)石門(mén)又靠近1206工作面,工作面的標(biāo)高為+750～+550 m,在回采期間,若不設(shè)置終采線,采動(dòng)產(chǎn)生的超前壓力將對(duì)回風(fēng)石門(mén)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2 回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制及其轉(zhuǎn)化技術(shù)

2.1 回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制

(1)根據(jù)對(duì)新安煤礦+535回風(fēng)石門(mén)圍巖所作X射線衍射分析和掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果,該回風(fēng)石門(mén)圍巖黏土礦物中伊/蒙混層和高嶺石含量均較高,因此,該區(qū)圍巖變形力學(xué)機(jī)制包含IAB型,即分子吸水膨脹型和膠體膨脹型。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查研究,結(jié)合軟巖工程力學(xué)理論分析,新安煤礦+535回風(fēng)石門(mén)所受作用力主要為近水平方向的構(gòu)造應(yīng)力;根據(jù)彈塑性力學(xué)理論,圍巖中任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可用二階應(yīng)力張量表示,球形應(yīng)力張量是三向均勻受壓狀態(tài),它不會(huì)引起巖體的形變,而應(yīng)力偏張量是引起巷道圍巖變形破壞的決定性因素。同時(shí)新安煤礦+535水平生產(chǎn)系統(tǒng)的主石門(mén)、回風(fēng)石門(mén)和膠帶運(yùn)輸石門(mén)3條大巷之間的相互間距較小,巷道之間的應(yīng)力場(chǎng)相互疊加。因此,該巷道變形力學(xué)機(jī)制包含IIABD型,即構(gòu)造應(yīng)力型+重力變形型+工程偏應(yīng)力型。

(3)根據(jù)地質(zhì)條件分析可知,巖體層理發(fā)育且有軟弱夾層,對(duì)圍巖支護(hù)有較大的影響。故該巷道還存在IIIBC型變形力學(xué)機(jī)制,即軟弱夾層型和層理型變形力學(xué)機(jī)制。

綜上所述,新安煤礦+535回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制是一種復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制,即: IABIIABDIIIBC型。

2.2 復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化為單一型變形力學(xué)機(jī)制分析

軟巖巷道成功支護(hù)的關(guān)鍵[9]就是確定巷道圍巖的復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制,并采取合理的轉(zhuǎn)化技術(shù)將復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化為單一型變形力學(xué)機(jī)制。針對(duì)IABIIABDIIIBC復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制軟巖巷道,提出如下轉(zhuǎn)化對(duì)策(圖6):

圖6 復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化為單一型分析流程Fig.6 Analysis flow chart for the transformation of composite deformation mechanism into unitary type

(1)采用恒阻大變形錨桿支護(hù),恒阻大變形錨桿可以在巷道圍巖膨脹而發(fā)生大變形時(shí)自動(dòng)延伸,并保持恒定的工作阻力,因此,使用恒阻大變形錨桿能夠吸收圍巖的膨脹能,使巷道圍巖的變形能分層次釋放。

(2)采用三維優(yōu)化錨桿及關(guān)鍵部位耦合支護(hù)技術(shù);通過(guò)在頂板鈍角區(qū)域關(guān)鍵部位加打6 m的恒阻大變形錨桿和在底角鈍角區(qū)域加打底角注漿錨管,有效地將軟弱夾層和節(jié)理引起的非線性大變形控制住,并利用錨網(wǎng)耦合支護(hù)技術(shù)使圍巖達(dá)到變形和應(yīng)力均勻化。

(3)通過(guò)錨網(wǎng)耦合支護(hù)整體提高支護(hù)體強(qiáng)度,結(jié)合底角注漿錨管控制技術(shù)切斷底板塑性滑移線,從而將不穩(wěn)定的IIABD型變形力學(xué)機(jī)制中的構(gòu)造應(yīng)力和工程偏應(yīng)力轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的重力機(jī)制IIB型。

3 回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)分析回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制,提出了轉(zhuǎn)化復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制的支護(hù)對(duì)策——恒阻大變形錨桿耦合支護(hù)方案,如圖7所示,其具體支護(hù)參數(shù)[10-13]如下:

圖7 恒阻大變形錨桿耦合支護(hù)Fig.7 Coupling support scheme of constant resistance large deformation bolts

(1)錨桿:采用HMG-500型恒阻大變形錨桿,直徑22 mm,長(zhǎng)度采用3 000 mm和6 000 mm兩種,鉆頭直徑35mm,鉆孔直徑不小于37mm,分2次支護(hù),對(duì)于3 000 mm恒阻大變形錨桿,每次支護(hù)錨桿間排距都為1 000 mm×1 000 mm;對(duì)于6 000 mm恒阻大變形錨桿,右肩拱部分每次支護(hù)錨桿間排距都為1 000 mm×1 000 mm,左肩拱部分每次支護(hù)錨桿間排距都為850 mm×1 000 mm,直墻部分每次支護(hù)錨桿間排距都為1 000 mm×1 000 mm,平行布置;錨桿采用樹(shù)脂藥卷端頭錨固,固定錨桿每孔采用1根CK2870(里)、1根Z2835(外)樹(shù)脂錨固劑。預(yù)緊力為10 t。

(2)底角錨管:采用直徑48 mm的無(wú)縫鋼管,左側(cè)底角2根,右側(cè)底角3根,長(zhǎng)度5 m,間排距為800 mm×1 000 mm,平行布置;內(nèi)插?18 mm的普通螺鋼,長(zhǎng)度為4.5 m,并加壓注水泥漿。

(3)金屬網(wǎng):采用?8 mm鋼筋焊接而成,網(wǎng)片尺寸為1 100 mm×2 100 mm,網(wǎng)格尺寸100 mm×100 mm,網(wǎng)片搭接100 mm,網(wǎng)與網(wǎng)之間通過(guò)專用聯(lián)網(wǎng)器工具,鉤扣聯(lián)結(jié),連接點(diǎn)間距不大于200 mm。

(4)混凝土:噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20,采用鋼纖維混凝土,內(nèi)摻防水劑。

3.2 數(shù)值模擬分析

3.2.1 模型的建立

選取與1206工作面臨近的+535回風(fēng)石門(mén)段為研究對(duì)象,利用MIDAS/GTS軟件和有限差分軟件FLAC3D建立了三維實(shí)體模型,計(jì)算所采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

方案的模型由四面體單元構(gòu)成,計(jì)算范圍長(zhǎng)×寬×高=125 m×20 m×60 m,方案1共劃分151 971個(gè)單元,29 451個(gè)節(jié)點(diǎn)。該模型側(cè)面限制水平移動(dòng),底部固定,模型上表面為應(yīng)力邊界,施加的垂直荷載為18.75 MPa,模擬上覆巖體的自重邊界。材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。巷道為穿層巷道,相繼穿過(guò)細(xì)砂巖1、泥巖4。工程地質(zhì)力學(xué)模型和支護(hù)工況模型如圖8所示。

表3 回風(fēng)石門(mén)圍巖巖體物理力學(xué)參數(shù)取值Table 3 Physicalmechanical parameters for the surrounding rock of the air return laneway

圖8 地質(zhì)力學(xué)模型Fig.8 Geologicalmechanicsmodel

普通錨桿(索)和恒阻錨桿由cable單元生成,其中恒阻錨桿采用分段模擬,通過(guò)fish編制程序控制不同段間的作用力和位移隨時(shí)步的變化特性,模擬恒阻錨桿力學(xué)特性,具體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4;底角注漿錨管采用Pile單元,以模擬其抗彎特性,力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5;金屬網(wǎng)+混凝土噴層采用shell單元,彈性模量、泊松比和厚度分別為25 500 MPa,0.2和106.5 mm。

3.2.2 控制效果模擬分析

通過(guò)數(shù)值模擬[14-15]對(duì)2種支護(hù)方案的控制效果進(jìn)行對(duì)比分析。2種支護(hù)方式分別為:①錨網(wǎng)索噴支護(hù)(原支護(hù)形式),如圖9所示;②恒阻大變形錨桿+金屬網(wǎng)+底角錨管+鋼纖維混凝土耦合支護(hù)(試驗(yàn)段使用的新型支護(hù)形式),支護(hù)參數(shù)見(jiàn)3.1節(jié)。錨網(wǎng)索噴支護(hù)參數(shù)如下:

表4 普通錨桿(索)、恒阻錨桿數(shù)值計(jì)算參數(shù)Table 4 The numerical calculation param eters of common anchor,cable and the constant resistance large deformation bolt

表5 底角注漿錨管數(shù)值計(jì)算參數(shù)Table5 The numerical calculation parameters of grouting anchor pile

(1)錨桿采用?22螺紋鋼錨桿,長(zhǎng)度2 500 mm,間排距750 mm×750 mm,平行布置。

(2)錨索采用?18.9鋼絞線錨索,間距1.8 m,排距1.6 m,按平行布置,頂部長(zhǎng)度為6.8 m,幫部長(zhǎng)度為4.3 m,滯后工作面不超過(guò)5 m。

(3)金屬網(wǎng)采用8號(hào)鐵線菱形編織網(wǎng)。

(4)噴射混凝土為C20,噴砼厚100 mm,滯后工作面不超30 m。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖10,11所示。

對(duì)比巷道位移場(chǎng)分布,采用新型支護(hù)方案的巷道變形有明顯改善,其變形量對(duì)比見(jiàn)表6。

圖10 垂直位移場(chǎng)分布Fig.10 Distribution of vertical disp lacement field

圖11 水平位移場(chǎng)分布Fig.11 Distribution of horizontal displacement field

(1)原支護(hù)的垂直和水平方向位移量都較大,且具有非對(duì)稱性。其中垂直方向的變形主要集中在頂板與底板,底板的變形范圍偏向于右側(cè),最大底臌量為1 620 mm,頂板的變形范圍偏左側(cè),最大頂板下沉量達(dá)1 242 mm;水平方向的變形主要集中在兩幫,最大兩幫移近量達(dá)2 381 mm,且右?guī)偷淖冃未笥谧髱汀Ｉ鲜鲇?jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。

表6 兩種支護(hù)形式模擬變形量對(duì)比Table 6 Contrast of simulated deformation of the two supports mm

(2)實(shí)行恒阻大變形錨桿耦合支護(hù)后,在恒阻大變形錨桿、底角錨管、金屬網(wǎng)和噴射混凝土的共同協(xié)調(diào)作用下,允許巷道適量變形,釋放部分變形能,但支護(hù)強(qiáng)度始終不變,圍巖變形趨勢(shì)比較均勻,變形值較小,在合理變形范圍內(nèi)。

4 回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道支護(hù)方案現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

+535回風(fēng)石門(mén)采用恒阻大變形錨桿+底角注漿錨管等耦合支護(hù)方式成功地返修了50 m巷道,并在該段巷道內(nèi)布設(shè)了4個(gè)表面位移測(cè)站對(duì)表面位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)站布置如圖12所示。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量,得到表面位移時(shí)間-位移關(guān)系曲線(圖13)。由曲線圖可以看出,巷道施工后的4～20 d為圍巖變形的活躍期,這段時(shí)間巷道受掘進(jìn)開(kāi)挖的影響,變形劇烈,不穩(wěn)定;掘進(jìn)20～80 d為過(guò)渡期,圍巖移近量逐漸減小并趨于穩(wěn)定;掘進(jìn)80 d之后圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài),可以基本認(rèn)定巷道在掘進(jìn)后80 d已經(jīng)趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后兩幫收縮量為98～110 mm,頂板變形量為60～92 mm。巷道變形得到了有效的控制。

圖12 回風(fēng)石門(mén)圍巖表面位移測(cè)點(diǎn)布置Fig12 The layout drawing of observation station in the air return roadway

圖13 巷道變形監(jiān)測(cè)曲線Fig.13 Deformation monitoring curves of the roadway

5 結(jié) 論

(1)煤礦回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道的變形破壞受分子吸水膨脹、膠體膨脹、構(gòu)造應(yīng)力、重力、工程偏應(yīng)力、軟弱夾層、層理等多種因素影響,其變形力學(xué)機(jī)制為IABIIABDIIIBC型。

(2)針對(duì)IABIIABDIIIBC復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制,提出了以恒阻大變形錨桿為主要技術(shù)的轉(zhuǎn)化對(duì)策——恒阻大變形錨桿+金屬網(wǎng)+底角注漿錨管+鋼纖維混凝土耦合支護(hù)方式。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析原支護(hù)與恒阻大變形錨桿耦合支護(hù)的控制效果,發(fā)現(xiàn)采用恒阻大變形錨桿耦合支護(hù)后,圍巖變形趨勢(shì)比較均勻,變形值較小,在合理變形范圍內(nèi)。并在+535回風(fēng)石門(mén)進(jìn)行了50 m試驗(yàn)段的應(yīng)用,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)性和合理性。

感謝何滿潮院士對(duì)本文研究工作的指導(dǎo),感謝深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)的協(xié)同支持,特致謝忱!

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Deformation and failuremechanism and supportmeasures of the soft rock roadway in the air return laneway

YANG Xiao-jie1,2,3,PANG Jie-wen1,2,3,ZHANG Bao-tong4,
MENG Fan-yi1,2,JIANGWen-feng1,2,FAN Li-peng1,2,NIU Xiang5

(1.State Key Laboratory ofDeep Geomechanics and Underground Engineering,China University ofMining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China; 2.School ofMechanics&Civil Engineering,China University ofMining and Technology(Beijing),Beijng 100083,China;3.Key Laboratory of Deep Mining and Hazard Prevention,China University of Mining and Technology(Beijng),Beijing 100083,China;4.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co., Ltd.,Guangzhou 510230,China;5.College ofGeoscienceand Surveying Engineering,China University ofMining and Technology(Beijng),Beijng 100083, China)

Aiming at the problem that the air return laneway of coalmine with a series of nonlinear large deformation and failure phenomenon such as serious floor heaves,wall caving,and roof falling is difficult to support,the authors deeply studied the deformation and failuremechanism of the soft rock roadway,and supportmeasuresby combining the research methods of engineering geologicalmechanics analysis,numerical simulation analysis and engineering application.The results show that the deformations of the roadway are caused by the swelling force ofmolecularwater absorption and colloid,tectonic stress,deviatoric stress,tectonic stress,gravity,engineering deviatoric stress,weak interlayers and bedding,and the deformation mechanicalmechanism of the surrounding rock of the air return laneway is a kind ofcompositemechanicalmechanism,named IABIIABDIIIBCtype deformation mechanicalmechanism.For the deformation mechanicalmechanism of the roadway,the authors put forward a series of corresponding measures,and the numerical simulation results show that the technology can effectively curb the harmful deformation of the surrounding rock,and put forward a coupling support technique,which uses constant resistance large deformation bolts,metal nets,floor grouting bolts,and steel fiber reinforced concrete.

air return laneway;soft rock roadway;deformation mechanicalmechanism;support

TD353

A

0253-9993(2014)06-1000-09

楊曉杰,龐杰文,張保童,等.回風(fēng)石門(mén)軟巖巷道變形破壞機(jī)理及其支護(hù)對(duì)策[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(6):1000-1008.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0137

Yang Xiaojie,Pang Jiewen,Zhang Baotong,et al.Deformation and failuremechanism and supportmeasures of the soft rock roadway in the air return laneway[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1000-1008.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0137

2014-02-10 責(zé)任編輯:王婉潔

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(8142032);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41040027)

楊曉杰(1968—),男,山西萬(wàn)榮人,教授。Tel:010-62339107,E-mail:yxjcumt@163.com。通訊作者:龐杰文(1988—),男,山西運(yùn)城人,博士研究生。E-mail:pjwfanfan@126.com