喬立瑾 ，朱家勝

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024;2.煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，太原 030001；3.中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán) 補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

當(dāng)前煤炭深部開采存在應(yīng)力集中程度高、剛開挖圍巖就呈現(xiàn)破碎狀態(tài)，傳統(tǒng)支護(hù)手段難以有效加固[1-3]。為此，后續(xù)加強(qiáng)支護(hù)和加固成為彌補(bǔ)支護(hù)不及時(shí)的一種有效措施[4-6]。破碎圍巖加固中，注漿加固應(yīng)是成效快、操作可行的施工技術(shù)，但施工和設(shè)計(jì)方案的合理與否決定著支護(hù)效率和效益，方案不當(dāng)將會(huì)造成事倍功半[7-9]。因此，尋找破碎圍巖合理的注漿支護(hù)方案和驗(yàn)證注漿加固效果顯得必不可缺。

陽煤五礦后備區(qū)開采深度達(dá)820 m以上，巷道頂板在開挖瞬間已處于高度破碎狀態(tài)，傳統(tǒng)的錨網(wǎng)支護(hù)只能起到護(hù)表作用，不能從根本上維護(hù)圍巖穩(wěn)定，未能發(fā)揮圍巖的自承載能力。為此，本文以該礦井底車場(chǎng)為實(shí)際背景，在其地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)典離散元軟件結(jié)合地質(zhì)窺視尋找合理的支護(hù)方案，為巷道加固提供技術(shù)支持。

1 工程背景

運(yùn)輸大巷埋深820 m，頂板在巷道掘進(jìn)期間已處高度破碎狀態(tài)，巷道斷面為直墻半圓拱形（5.84 m×5.02 m），巷道幫部以砂巖為主，頂板向上依次為砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖、砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖（厚約9m）。通過現(xiàn)場(chǎng)取芯并運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，獲得圍巖力學(xué)參數(shù)。

原始巷道采用錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+噴C20混凝土支護(hù)，見圖1，錨桿間排距800 mm，錨索間排距1 000 mm×800 mm，噴射C20混凝土厚120 mm，局部變形嚴(yán)重帶采用混凝土背板+U型鋼支架加強(qiáng)支護(hù)。巷道掘進(jìn)中，局部仍存在圍巖破碎帶逐漸擴(kuò)大現(xiàn)象，最終形成嚴(yán)重片幫和冒頂，在約150 d后初始表現(xiàn)穩(wěn)定的巷道也有變形嚴(yán)重的問題。

圖1 巷道支護(hù)斷面圖

2 巷道失穩(wěn)機(jī)理分析

分析巷道破壞首先是分析其破壞表現(xiàn)形式和破壞位置及深度，見圖2和圖3。

圖2 巷道表面破壞表現(xiàn)形式

圖3 頂板鉆孔內(nèi)部破壞情況

從圖看出，巷道頂板破壞嚴(yán)重，噴射混凝土表面呈現(xiàn)片裂式破壞，幫部完整性較好；為能了解頂板內(nèi)部破壞情況，通過鉆孔窺視儀查看頂板內(nèi)部圍巖完整性狀況；發(fā)現(xiàn)頂板表面圍巖破碎程度最大，破碎帶約深至3.5 m。繼而結(jié)合巷道所處的應(yīng)力環(huán)境分析巷道破壞的主要因素：1)高埋深條件下的應(yīng)力場(chǎng)：高埋深巷道圍巖表現(xiàn)為工程軟巖，軟巖的流變性較強(qiáng)，反映著載荷與時(shí)間的相關(guān)性，隨著時(shí)間推移，流變?cè)斐蓢鷰r永久變形增大；當(dāng)永久變形積累到一定量時(shí)，圍巖承載能力下降，圍巖局部失穩(wěn)，單獨(dú)和疊加的局部失穩(wěn)最終形成巷道整體失穩(wěn)。

2）低圍壓的影響：巷道開挖后，圍巖表面法向方向應(yīng)力釋放，這種應(yīng)力釋放造成主應(yīng)力差增大，進(jìn)而造成圍巖破壞傾向增大，當(dāng)這種應(yīng)力差足夠大時(shí)，圍巖將會(huì)破壞。

3）支護(hù)的匹配性：對(duì)于地下空間而言，影響穩(wěn)定性的因素除了載荷、受載體外，還包括支護(hù)體。支護(hù)體所提供支護(hù)力的大小、方向、位置特征是決定地下空間穩(wěn)定程度的關(guān)鍵因素。支護(hù)力可以改變表面圍巖的受力狀態(tài)，減小圍巖主應(yīng)力差，降低圍巖破壞的傾向性。

3 新的支護(hù)方案

影響巷道穩(wěn)定性因素的分析中，巷道所處應(yīng)力場(chǎng)難以改變，提高巷道穩(wěn)定性的有效途徑應(yīng)是增大圍巖表面壓力和提高支護(hù)力。對(duì)于已開挖巷道形成破碎區(qū)域的，應(yīng)進(jìn)行注漿加固，以使破碎圍巖體重新形成完整承載體，增強(qiáng)圍巖自承載能力；設(shè)計(jì)新的支護(hù)方案在原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上增加深度4 m的注漿加固。

4 新舊方案支護(hù)效果對(duì)比

采用大型離散元軟件分析新舊方案的巷道穩(wěn)定性狀態(tài)，模型尺寸100 m×80 m。采用平面應(yīng)變模型分析，模型左右邊界限制水平位移，上邊界施加均布力以模擬覆巖壓力20 MPa，下邊界限制豎直位移。巖體力學(xué)參數(shù)依據(jù)表1賦值。

表1 巖層分布及物理力學(xué)參數(shù)表

模擬結(jié)果顯示，舊方案支護(hù)時(shí)，巷道變形劇烈，底鼓較為明顯，兩幫也有一定程度的移近，頂板沉降尤為嚴(yán)重；U型鋼拱頂塌陷變形突出，兩幫支架出現(xiàn)彎曲變形；兩幫及其肩角和底角出現(xiàn)了不同程度的斷裂（與實(shí)際支護(hù)失效情況較為吻合）見圖4；巷道圍巖塑性區(qū)范圍較大，已經(jīng)到達(dá)巷道頂板老頂位置，出現(xiàn)大量拉伸斷裂區(qū)域。

圖4 舊方案圍巖變形圖

新方案支護(hù)時(shí)，巷道圍巖變形得到明顯減少，幾乎保持了設(shè)計(jì)的巷道斷面尺寸；U型鋼與錨桿錨索均保持較好的承載狀態(tài)，沒發(fā)現(xiàn)明顯的破壞斷裂現(xiàn)象。漿液在巷道圍巖中分布較為均勻合理，整個(gè)支護(hù)體均處于較好的支護(hù)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了較高的承載能力，見圖5。

據(jù)上模擬可知：漿液在注漿壓力作用下充分地滲到巖塊裂隙中，將松散破碎的圍巖有效地膠合在一起，減少了巷道周邊圍巖的松散結(jié)構(gòu)，控制了錨固區(qū)范圍內(nèi)的頂板沉降和底板鼓起現(xiàn)象，使圍巖強(qiáng)度恢復(fù)的同時(shí)，提高了圍巖的整體性。注漿之后，再聯(lián)合錨桿錨索和U型鋼支護(hù)，可將由注漿膠合后的錨固體承載結(jié)構(gòu)固結(jié)在巷道深部穩(wěn)定巖層中，有效控制了巷道的整體穩(wěn)定性，并使，圍巖應(yīng)力狀態(tài)得到明顯改善。

圖5 新方案圍巖變形圖

5 結(jié)論

本文依據(jù)陽煤五礦后備區(qū)運(yùn)輸大巷存在埋深大、地應(yīng)力高、頂板破碎的特征，通過分析該條件下巷道圍巖的失穩(wěn)特征，提出了巷道加強(qiáng)支護(hù)的措施，并利用離散元軟件予以分析，得到以下結(jié)論：①應(yīng)力場(chǎng)、圍巖力學(xué)特性、支護(hù)力分布特征是決定巷道穩(wěn)定的三大因素，改善巷道圍巖穩(wěn)定性在于改變圍巖的力學(xué)特性和支護(hù)力分布特征。②高埋深巷道圍巖由于應(yīng)力高而表現(xiàn)出流變特性，且在圍巖表面呈現(xiàn)主應(yīng)力差大、支護(hù)耦合性差的特點(diǎn)。③對(duì)于頂板破碎，而幫部和底板較穩(wěn)定的巷道可以通過注漿加固頂板，提高頂板和巷道整體在剛度和強(qiáng)度的匹配，以達(dá)到支護(hù)的耦合度。

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