張 強

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.西勘正興巖土工程有限公司，成都 610000)

破碎圍巖巷道支護研究

張 強1，2

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.西勘正興巖土工程有限公司，成都 610000)

針對布置在構(gòu)造帶中的巷道其圍巖通常比較破碎，采用錨噴索支護操作難度大、支護效果不理想等問題，分析研究了破碎圍巖巷道支護的技術(shù)并對巷道注漿材料、設(shè)備進行選型，采用數(shù)值模擬的方法對注漿加固并支護后巷道變形進行模擬，確定了巷道支護參數(shù)。

巷道支護；數(shù)值模擬；注漿加固

由于煤層賦存環(huán)境有時較為復(fù)雜，許多巷道掘進時不可避免的要穿過地質(zhì)構(gòu)造帶。通常情況下，地質(zhì)構(gòu)造帶圍巖及煤體在構(gòu)造應(yīng)力的作用下節(jié)理裂隙比較發(fā)育，圍巖比較破碎。采用錨桿支護或金屬支架支護方式，容易出現(xiàn)破碎圍巖的冒落，一旦出現(xiàn)了煤巖體冒落，支護體與圍巖間容易形成空隙，支護體無法提供主動支護或有效約束力，造成支護失效。

方新秋教授提出了二次支護的方法控制圍巖變形，先采用U型可縮性支架支護，再采用錨注與錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護，使注漿為錨桿錨固作用提供了發(fā)揮的平臺[1]。肖同強采用數(shù)值模擬的方法分析了圍巖應(yīng)力狀態(tài)的變化及分布形態(tài)，得到了斷層附近破碎圍巖煤巷錨桿圍巖支護穩(wěn)定性機理[2]。目前，在破碎圍巖巷道支護研究方面，注漿加固是一種重要的途徑，這是因為一方面圍巖在注漿加固之后不會再冒落，支護體支護力可以通過巷道表面?zhèn)鬟f到巷道深部，另一方面注漿加固有效改善了圍巖整體的力學(xué)性質(zhì)，提高了圍巖的自承能力。

本文對構(gòu)造帶圍巖及煤體破碎的破壞過程進行分析，說明了采用注漿加固加錨網(wǎng)索支護的原理。對現(xiàn)場注漿設(shè)備與材料進行選型，通過數(shù)值模擬的方法并對注漿加固后巷道支護方式進行方案比較，最終確定了錨桿合理的支護方案。

1 地質(zhì)概況

樂安煤礦15號煤層平均厚為7.3 m，煤層夾矸厚度約0.2 m，賦存穩(wěn)定。煤層上部頂板巖層為煤層與泥巖的互層，此部分巖層厚1.7 m?；卷攷r層主要由厚度4.33 m的黑灰色的石灰?guī)r巖層構(gòu)成，煤層底板由厚度1.25 m的沙質(zhì)頁巖巖層構(gòu)成。圖1中列出了樂安煤礦取芯得到的煤層綜合柱狀圖。

圖2所示為15號煤層三采區(qū)15302工作面采掘巷道布置平面圖。

在回采工作面劃定的區(qū)域內(nèi)，煤層呈向斜布置，巷道位于該向斜構(gòu)造帶內(nèi)，巷道掘進時發(fā)現(xiàn)距離開切眼200 m左右160 m范圍內(nèi)巷道圍巖破碎嚴重，存在三條斷層，巷道難以支護。

2 破碎圍巖巷道加固機理

2.1 破碎圍巖形成機理

根據(jù)煤礦巷道圍巖破壞引發(fā)機理的不同，圍巖破壞形式可分為兩類，即由于結(jié)構(gòu)面的存在或地質(zhì)弱面的存在而引發(fā)的破壞和地應(yīng)力引發(fā)的破壞。其中，原始地應(yīng)力包括重力場應(yīng)力及地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力[3]。重力場應(yīng)力導(dǎo)致上覆巖層的載荷向支護體的傳遞。構(gòu)造應(yīng)力使巖層發(fā)生了很大的彈性形變和塑性形變，從而形成了各種地質(zhì)構(gòu)造。構(gòu)造應(yīng)力的方向通常是以水平方向的應(yīng)力為主，在水平方向的應(yīng)力作用下，煤層及煤層頂板、底板容易發(fā)生剪切破壞。與重力場產(chǎn)生的自重應(yīng)力相比，構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的規(guī)律更為復(fù)雜，其在時間和空間上有很大差異，巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力大小的影響[4]。

據(jù)此對樂安礦三采區(qū)順槽破碎圍巖進行分析。15號煤頂板為泥巖，底板為頁巖，為軟硬相間組合。在水平擠壓力作用下，頂?shù)装鍘r層產(chǎn)生滑動，底板軟巖形成褶皺，而頂板脆性巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下被破壞，形成局部破碎。構(gòu)造水平應(yīng)力示意圖，見圖3。

2.2 破碎圍巖巷道加固機理

電機尺寸較小，空間非常緊湊，結(jié)構(gòu)布置必須合理，需要將各零部件尺寸都盡量壓縮。殼體采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，保證強度的同時能得到較大的內(nèi)部空間。磁旋轉(zhuǎn)編碼器為非接觸式，定轉(zhuǎn)子分開，雖然徑向尺寸很小，但軸向尺寸并不小，較占空間。磁旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)子為光滑圓柱結(jié)構(gòu)，需固定在電機轉(zhuǎn)子上。電機為雙方向旋轉(zhuǎn)，編碼器轉(zhuǎn)子固定時需考慮防松裝置。該電機是制作專用護套一端將編碼器轉(zhuǎn)子固定在其腔體內(nèi)，另一端通過內(nèi)螺紋嵌入鋼絲螺套固定在電機轉(zhuǎn)子上?；魻柌捎昧⒑附Y(jié)構(gòu)，霍爾傳感器金屬面平行于電機軸線，這樣可以節(jié)省徑向空間，同時用專用支架將霍爾元器件固定，作為保護。軸承采用法蘭軸承以減小軸向空間的占用。

一般來說，單一的破碎型巷道可以通過噴漿、金屬鋼梁、錨桿支護的一種或幾種得到很好地維護[3]。但是，由于此時回采巷道不可避免的要受到工作面超前支承壓力構(gòu)造應(yīng)力的影響，巷道維護通過錨噴架中的一種已難以實現(xiàn)。因此考慮先采用注漿加固對巖體中裂隙進行閉合、加固，再在此基礎(chǔ)上加錨網(wǎng)索的支護方式對破碎圍巖巷道進行支護。

破碎圍巖巷道存在的基本問題是圍巖不完整，破碎的圍巖容易冒落，導(dǎo)致支護體和圍巖不能有效接觸，有時形成點、線接觸，支護體實際未對圍巖提供有效的支護力，造成進一步破壞。注漿加固可以將圍巖固結(jié)在一起，保證圍巖的完整性，使支護體可以對巷道進行有效的支護。另一方面，通過注漿的方式可以有效的增加圍巖的力學(xué)性能和自承能力，從而降低了支護的難度。錨網(wǎng)索支護可以提供徑向約束，從而實現(xiàn)巷道的支護[5-6]。

2.3 注漿技術(shù)參數(shù)

根據(jù)目前國內(nèi)的材料及裝備水平，結(jié)合礦井實際情況對注漿的設(shè)備及材料進行了選擇，選型情況如下[7]：

選用525號普通硅酸鹽水泥，并添加3%～5%濃度為45Be的水玻璃。水泥漿水灰比范圍：0.75∶1～1∶1。

3 破碎圍巖巷道支護方案

3.1巷道支護技術(shù)分析

采用注漿加固的方式對圍巖的整體性質(zhì)進行加強，配合錨網(wǎng)索聯(lián)合支護的主動支護方式進行支護設(shè)計。

注漿加固可以提高圍巖的完整性，提升圍巖自承能力[8]。此外，注漿可以使錨桿、錨索在圍巖深部錨固端與圍巖粘結(jié)，從而形成承載圈。注漿可以提高節(jié)理間的摩擦力，從而降低圍巖對錨桿、錨索的剪切力，避免錨桿、錨索破壞[9]。

金屬網(wǎng)可以使破碎的巖塊在金屬網(wǎng)作用下不會冒落，而是相互擠壓，并在錨桿錨索的懸吊的作用下使產(chǎn)生于圍巖深部錨固作用力傳遞到金屬網(wǎng)上，從而形成主動支護的效果，防止頂板進一步破壞。

3.2 巷道支護數(shù)值模擬

圖4為排距0.8 m時工作面前方不同位置處錨桿錨索支護后順槽圍巖應(yīng)力分布圖。

圖5為錨桿排距不同時順槽頂?shù)装逡平浚瑘D6為錨桿排距不同時順槽頂?shù)装逡平?，圖7及圖8表示距離工作面不同位置處頂板離層值曲線。

結(jié)合圖5、圖6、圖7及圖8能夠看出，排距為0.8m時的支護方式能夠有效減小巷道圍巖應(yīng)力，進而有效地減小巷道頂?shù)装逡平?。在巷道兩幫進行支護可以有效地提高巷道兩幫的圍壓，進一步增強圍巖殘余強度，從而能夠改善巷道兩幫圍巖所受應(yīng)力的狀態(tài)。幫腳的支護提高了該處水平應(yīng)力，使圍巖破壞程度減輕。

由圖7、圖8可以觀察到，錨固范圍內(nèi)頂板離層量無明顯變化，圖4所示支護方式支護參數(shù)的選擇是合理的。

4 結(jié)論

1）通過對構(gòu)造帶形成理論分析得到了樂安煤礦圍巖破碎的機理：煤層頂板、底板為軟硬相間的巖層組合，在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，底板軟巖形成褶皺，而頂板脆性巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下被破壞，形成局部破碎帶。

2）提出了破碎圍巖巷道支護的難點：破碎的圍巖的冒落導(dǎo)致支護體不能對圍巖提供有效的支護，而注漿加固可以將圍巖固結(jié)在一起，使支護體可以對巷道進行有效的支護。

3）合理的注漿加固可以很大程度改進圍巖力學(xué)性質(zhì)，從而提高圍巖的自承能力，為錨網(wǎng)鎖支護提供了可行的前提；錨網(wǎng)索支護可以提供徑向約束，提高巷道圍壓，從而提高巷道圍巖殘余強度。因此采用注漿加固加錨網(wǎng)索支護的方式支護巷道。

4）數(shù)值模擬的結(jié)果最終確定了經(jīng)注漿加固的破碎圍巖巷道的支護參數(shù)。

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Roadway Supporting Study in Roadways with Broken Surrounding Rock

ZHANG Qiang1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2. Zhengxing Geotechnical Engineering Co.,Ltd.,China Southwest Geotechnical Investigation&Design Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China)

Because of broken surrounding rock of roadways located in tectonic zones,anchor-boltshotcrete supporting operation is difficult and supporting effect is poor.On the supporting technology analysis in the roadways with broken surrounding rock,grouting materials and equipment are selected. Numerical simulation is used to simulate the deformation after the grouting reinforcement and determine the supporting parameters for the roadways.

roadway supporting;numerical simulation;grouting reinforcement

TD353

A

1672-5050（2015）01-0041-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.014

（編輯：劉新光）

2014-11-16

張強(1982-)，男，山西太原人，在讀工程碩士，助理工程師，從事地質(zhì)研究工作。