景海河 呂 謙 趙術(shù)江 孫銀磊

(1.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150027; 2.神華能源公司沙吉海煤礦，新疆和布克賽爾 834411)

0 引言

軟巖問題是影響礦井生產(chǎn)的一大難題，目前全國許多礦井由于是軟巖巷道而導(dǎo)致支護(hù)的難度和破壞程度不斷增加[1-5]，一般的支護(hù)方法不能有效的控制軟巖巷道的大變形破壞，這就給煤礦的安全與生產(chǎn)帶來了不可估計(jì)的損失和困難。因此，軟巖巷道的支護(hù)問題就變成急需解決的課題，本文就沙吉海煤礦B103W01工作面運(yùn)輸順槽的支護(hù)問題進(jìn)行了研究，并提出了以恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角注漿鋼管為主體的耦合支護(hù)技術(shù)。

1 工程地質(zhì)特征

1.1 地層巖性

沙吉海煤礦B103W01工作面運(yùn)輸順槽標(biāo)高為+300 m，布置在B10煤層中，頂板為泥巖，厚度8 m;泥質(zhì)粉砂巖，厚度12 m，底板為泥巖，厚度8 m。

1.2 巖性分析

為了全面的了解運(yùn)輸順槽圍巖的膨脹性粘土礦物的種類及含量的多少，所以在運(yùn)輸順槽內(nèi)進(jìn)行巖樣的采集并進(jìn)行了電鏡分析、能譜分析、X射線衍射分析，分析結(jié)果如表1，表2所示。

表1 粘土礦物種類及相對含量

表2 全巖礦物種類及含量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:運(yùn)輸順槽巷道圍巖粘土礦物主要為蒙脫石、伊/蒙混層和高嶺石，對圍巖的強(qiáng)度影響較大。其中，膨脹性及吸水性較強(qiáng)的蒙脫石和伊/蒙混礦物的相對含量達(dá)45%;其混層比達(dá)到51%。由此可見，運(yùn)輸順槽圍巖屬膨脹性軟巖。

1.3 物理力學(xué)性質(zhì)

首先對運(yùn)輸順槽巷道的圍巖進(jìn)行了巖石和煤樣的采集并將其加工成標(biāo)準(zhǔn)的試件，先后對加工好的試件進(jìn)行了容重，孔隙率，單軸、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)以及變形實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3，表4所示。

表3 不同巖樣的主要物理力學(xué)參數(shù)(一)

表4 不同巖樣的主要物理力學(xué)參數(shù)(二)

從表3可以明顯看出，軟巖巷道的圍巖強(qiáng)度普遍較低，其中泥巖的吸水性較強(qiáng)，在飽和狀態(tài)下泥巖的抗壓強(qiáng)度僅為3.5 MPa，而抗壓強(qiáng)度最小的煤的抗壓強(qiáng)度卻達(dá)到18.52 MPa，所以在飽和狀態(tài)下的煤體的抗壓強(qiáng)度顯著大于泥巖的抗壓強(qiáng)度，此時(shí)吸水后的泥巖的抗壓強(qiáng)度大幅降低(軟化系數(shù)僅為0.13)，且?guī)r體會(huì)因膨脹而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，這對巷道的穩(wěn)定性控制將極為不利。

2 巷道變形力學(xué)機(jī)制分析

通過對運(yùn)輸順槽圍巖的試驗(yàn)研究和對現(xiàn)場的調(diào)查并依據(jù)實(shí)際工程的破壞特點(diǎn)，可分析出可能造成運(yùn)輸順槽破壞的原因如下:

1)根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)勘查可知，沙吉海煤礦B103W01工作面運(yùn)輸順槽圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀呈隨機(jī)分布，大大削弱了圍巖的整體性和穩(wěn)定性;巷道開挖之后，巷道頂板受礦山壓力影響產(chǎn)生裂隙，由于錨索端部伸入到煤層上部含水層中，水順錨索桿體通過圍巖裂隙進(jìn)入到泥巖當(dāng)中，水被泥巖吸收后膨脹變形，且泥巖遇水后其抗壓強(qiáng)度急劇降低，這使得巖體自身不能充分發(fā)揮自身的承載能力，而普通錨網(wǎng)的支護(hù)強(qiáng)度低，且錨固的深度有限，錨桿的延性差，根本無法限制圍巖所產(chǎn)生的大變形問題。由于圍巖壓力過大經(jīng)常使得錨桿發(fā)生破斷失效，對于巷道的頂板支護(hù)極其不利;

2)由于膨脹性粘土礦物的蒙脫石和伊/蒙混合層在圍巖中含量達(dá)到45%以上，這就使的圍巖具有較高的膨脹性和吸水性，這些因素對圍巖的變形和破壞有著非常重要的影響;

3)從運(yùn)輸順槽現(xiàn)場掘進(jìn)施工情況來看，頂板淋水大，掘進(jìn)工作面涌水量可達(dá)45 m3/h，在水的作用下，巷道圍巖的穩(wěn)定性將進(jìn)一步惡化，因此，水是巷道圍巖的不穩(wěn)定因素中最為不利的因素之一;

4)受工程擾動(dòng)嚴(yán)重，運(yùn)輸順槽巷道受到相互之間施工擾動(dòng)影響，可能會(huì)加大巷道的變形破壞。

經(jīng)以上分析，該工程部位的變形力學(xué)機(jī)制為ⅠAⅡBCDⅢE型，即不但具有分子膨脹機(jī)制型、而且還具有重力及水影響的應(yīng)力擴(kuò)容型，同時(shí)還具有隨機(jī)節(jié)理型。

對ⅠAⅡBCDⅢE復(fù)合型軟巖巷道，引進(jìn)“以柔克剛、剛?cè)岵?jì)”的恒阻大變形錨桿支護(hù)體系及中空注漿錨索等新型支護(hù)工藝。首先通過恒阻大變形錨桿的支護(hù)，可以吸收掉圍巖中一定的變形膨脹能和塑性能，使圍巖的ⅠAⅡBCDⅢE復(fù)合型軟巖巷道轉(zhuǎn)化為比較簡單的ⅡBCDⅢE型。利用恒阻大變形錨桿的恒阻大變形力學(xué)機(jī)制和能吸收圍巖部分能量的特點(diǎn)，當(dāng)巷道圍巖發(fā)生大變形的時(shí)候，恒阻大變形錨桿會(huì)隨著圍巖的膨脹變形而自動(dòng)延伸，并能在一定范圍內(nèi)保持恒定的阻力值，此時(shí)恒阻大變形錨桿可以通過恒阻大變形的工作特性吸收圍巖多余的能量，這就使得恒阻大變形錨桿在圍巖產(chǎn)生大變形的條件下仍具有良好的支護(hù)作用并能保證巷道的穩(wěn)定。

同時(shí)采用了錨桿的三維優(yōu)化技術(shù)，可以有效地控制圍巖結(jié)構(gòu)變形，使其轉(zhuǎn)化為ⅡBCD型。

巖體錨注加固技術(shù)是對巖體實(shí)施外錨內(nèi)注加固處理的一種加固方式，其中特種中空錨桿(索)兼作注漿管。它是巖體注漿加固技術(shù)與巖體錨桿(索)加固技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，充分利用注漿加固與錨桿加固的各自優(yōu)點(diǎn)，對軟弱、破碎圍巖進(jìn)行錨注支護(hù)，就是通過漿液的充填、膠結(jié)與錨桿的組合、懸吊以及噴射混凝土的封閉和支撐等作用來改善圍巖的受力狀況以及它的整體性，就是用注漿來改變圍巖的松散結(jié)構(gòu)，封閉裂隙，可以有效的阻止水對巖體的侵蝕，從而提高圍巖的強(qiáng)度，改善圍巖的受力狀態(tài)，繼而達(dá)到維護(hù)圍巖穩(wěn)定性的目的，而恒阻大變形錨桿又是起支護(hù)作用的。最后通過中空注漿錨索、底角注漿鋼管與恒阻大變形錨桿支護(hù)技術(shù)可以使圍巖與支護(hù)體變形協(xié)調(diào)、達(dá)到相互耦合作用，最終達(dá)到巷道圍巖的穩(wěn)定的目的。具體的轉(zhuǎn)化及支護(hù)力學(xué)對策如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸順槽巷道復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化圖

3 工程實(shí)例

3.1 巷道斷面形狀及支護(hù)形式

斷面設(shè)計(jì)形狀為梯形，支護(hù)形式為恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管耦合支護(hù)，如圖2所示。

3.2 支護(hù)材料及參數(shù)

支護(hù)所用材料有錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼筋梯、底角鋼管，具體參數(shù)如下:

1)錨桿。

采用φ20 mm×2 700 mm恒阻大變形錨桿，間排距700 mm ×800 mm，三花布置，預(yù)緊力不小于300 kN。

2)錨索。

采用φ22 mm×7 000 mm中空注漿錨索，間排距1 600 mm×2 400 mm，錨索緊跟迎頭安裝時(shí)預(yù)緊力為100 kN，滯后迎頭安裝時(shí)預(yù)緊力為120 kN。

3)金屬網(wǎng)。

采用φ6.5 mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)片的尺寸為1 700 mm×900 mm，網(wǎng)格尺寸100 mm×100 mm。

4)底角鋼管。

采用φ43 mm×2 500 mm無縫鋼管，內(nèi)插鋼筋并注漿，排距為500 mm。

5)鋼筋梯。

鋼筋梯采用10號(hào)圓鋼焊接而成，其頂部的規(guī)格(長×寬)為4 900 mm×100 mm，幫部規(guī)格(長×寬)為5 000 mm×100 mm。

圖2 支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖

4 支護(hù)效果分析

B103W01工作面運(yùn)輸順槽巷道采用了恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管支護(hù)技術(shù)，軟巖巷道的大變形問題得到了有效的解決，巷道的整體造型良好。為了檢驗(yàn)支護(hù)效果，在運(yùn)輸順槽兩側(cè)分別設(shè)一組測站，分別監(jiān)測巷道圍巖的兩幫收縮及頂板下沉和底臌，經(jīng)過120 d的監(jiān)測結(jié)果表明，巷道圍巖最大變形量74 mm，在可接受的范圍內(nèi)，巷道穩(wěn)定，支護(hù)效果良好。

5 結(jié)語

1)通過現(xiàn)場調(diào)查、實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，確定了B103W01工作面運(yùn)輸順槽巷道的破壞原因;

2)確定了B103W01工作面運(yùn)輸順槽巷道的變形力學(xué)機(jī)制，提出了恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管的支護(hù)對策;

3)工程實(shí)踐表明，恒阻大變形錨桿+中空注漿錨索+底角鋼管支護(hù)方案在軟巖巷道維護(hù)圍巖的穩(wěn)定、有效遏制圍巖大變形和應(yīng)對工程擾動(dòng)的影響等方面有著獨(dú)特的作用，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值，可以作為類似巷道的設(shè)計(jì)參考和依據(jù)。

[1] Sellers E J，Klerck P.Modeling of the effect of discontinuities on the extent of the fracture zone surrounding deep tunnels[J].Tunneling and Underground Space Technology，2000，15(4):463-469.

[2] Kidybinski A，Dubinski J.Strata Control in Deep Mines[M].Rotterdam:A.A.Balkema，1990.

[3] 許興亮，張 農(nóng).富水條件下軟巖巷道變形特征與過程控制研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36(3):298-302.

[4] 何滿潮，孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計(jì)與施工指南[M].北京:科學(xué)出版社，2004.

[5] 何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2002.