秦學(xué)良

(潞安集團(tuán) 古城煤礦建設(shè)管理處，山西 長治 046100)

巷道是煤礦地下開采的必要通道，其暢通、穩(wěn)定是煤礦安全、高效開采的重要保障[1]。巷道的支護(hù)手段經(jīng)歷了從木支護(hù)到砌碹支護(hù)再到型鋼支護(hù)最后到錨桿支護(hù)的發(fā)展過程[2]，但是不同巷道工程所處的巖層性質(zhì)千差萬別，甚至同一巷道工程各位置巖層性質(zhì)也不盡相同，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖體強(qiáng)度耦合程度存在較大差異，導(dǎo)致巷道發(fā)生變形破壞的程度不一致，需要因地制宜綜合考慮，據(jù)此提出巷道控制的均勻性要求。

1 巷道變形的均勻性控制機(jī)理

1.1 均勻性承載控制機(jī)理

巷道圍巖支護(hù)的目的是通過支護(hù)結(jié)構(gòu)提高圍巖體的力學(xué)性質(zhì)、加強(qiáng)圍巖體各部分之間的聯(lián)系，充分調(diào)動(dòng)并發(fā)揮其自身的承載能力，能夠承載足夠的壓力，使支護(hù)與圍巖在強(qiáng)度方面實(shí)現(xiàn)耦合[3-5]?，F(xiàn)有的巷道工程中普遍存在著穿層巷道、沿頂掘進(jìn)或沿底掘進(jìn)厚煤層巷道等巖層性質(zhì)發(fā)生變化的情況，因此不同巖層性質(zhì)的巷道對支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式及強(qiáng)度要求不同，反之，相同的支護(hù)參數(shù)不能適用于所有的巷道。究其原因，巷道各位置巖體性質(zhì)及受力特征的差異從基礎(chǔ)上決定了其對支護(hù)參數(shù)要求的不同。

以沿頂掘進(jìn)的巷道為例，巷道在原巖體中開挖，主要受上覆巖層的壓力作用，其中巷道的頂?shù)装遄冃乌厔莘较蚺c上覆壓力方向平行，主要表現(xiàn)為下沉、鼓起，而幫部巖體的變形趨勢方向與上覆壓力方向垂直，主要表現(xiàn)為鼓脹變形。巷道圍巖體對圍壓有承載作用，但不同的巖性承載能力存在差異[6-7]，通常較強(qiáng)的巖體自身強(qiáng)度聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本可以穩(wěn)定控制堅(jiān)硬頂板變形，頂板雖有所下沉但在控制范圍之內(nèi)；但巷道兩幫及底板性質(zhì)普遍較差，支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足且不能適應(yīng)圍巖變形，未能調(diào)動(dòng)巖體的自身強(qiáng)度，變形甚至破壞嚴(yán)重，尤其是底板鼓起、裂縫，致使巷道不能繼續(xù)使用。

支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖體強(qiáng)度耦合程度不同導(dǎo)致變形破壞程度不同，因此提出巷道控制的均勻性要求。均勻性承載機(jī)理的內(nèi)涵包括兩個(gè)方面：第一是巷道各位置支護(hù)強(qiáng)度與巖體強(qiáng)度耦合程度高，支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮自身性能并充分調(diào)動(dòng)巖體的自承能力，降低對圍壓變化的敏感程度；第二是改變各位置支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體強(qiáng)度之間互相獨(dú)立的局面，通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)全斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)(外)的整體性和支護(hù)—圍巖強(qiáng)度(內(nèi))的整體性，通過幫部支護(hù)—巖體協(xié)同作用結(jié)構(gòu)使頂?shù)字ёo(hù)聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)各位置承載能力的優(yōu)勢互補(bǔ)，產(chǎn)生巷道斷面的協(xié)同承載作用，避免巷道強(qiáng)弱共存而發(fā)生的局部性失穩(wěn)。

1.2 圍巖深淺區(qū)協(xié)同承載機(jī)理

巷道開挖后，巷道附近原巖應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力疊加引起巷道變形不斷擾動(dòng)圍巖，應(yīng)變能積聚并通過頂板淺部巖層的變形而釋放。通常淺部巖層為煤層、泥巖等軟弱巖層，能量積聚程度弱，很小的能量釋放即可引起較大的巖體應(yīng)變，如果淺部錨桿在安裝過程中沒能足夠重視預(yù)緊力的作用，導(dǎo)致錨桿未能主動(dòng)支護(hù)和可靠錨固，必將導(dǎo)致圍巖大變形，同時(shí)錨固生根于深部巖層、發(fā)揮深部巖層承載能力從而實(shí)現(xiàn)深淺巖體協(xié)同承載的錨索，由于淺部變形速度過快、變形量過大導(dǎo)致其未能及時(shí)發(fā)揮協(xié)調(diào)承載作用而被迅速拉斷。

其中淺部的錨桿在施加預(yù)緊力后發(fā)揮的作用包括[8]：①在桿體軸向范圍產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，形成壓縮區(qū)，使巖體恢復(fù)三向壓力狀態(tài)，改善其受力環(huán)境；②巷道圍巖淺部巖體變形以擴(kuò)容變形為主，施加預(yù)緊力錨桿可提高錨固范圍巖體內(nèi)節(jié)理、裂隙結(jié)構(gòu)面的法向壓力，從而提高結(jié)構(gòu)面的摩擦阻力，增加其擴(kuò)展的難度，提高圍巖的穩(wěn)定性；③限制巖體初期的變形速度以及變形大小，使淺部圍巖受控變形，形成主動(dòng)支護(hù)并為錨索工作阻力的增加創(chuàng)造足夠的時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)深淺部巖體協(xié)同變形提供有力的基礎(chǔ)。

錨索貫穿淺部和深部巖體，因此錨索的作用機(jī)理與深淺部巖體的性質(zhì)及變形特征密切相關(guān)。巷道的淺部巖體和深部巖體的變形規(guī)律存在差異，淺部圍巖受工程擾動(dòng)大、邊界約束小、變形破碎劇烈；而深部圍巖受開挖擾動(dòng)影響較弱、變形約束大，往往以彈塑性變形為主，變形量小。錨索通過深部圍巖內(nèi)的錨固生根點(diǎn)和巷道表面的鎖具托盤約束巖體變形，當(dāng)淺部變形較大時(shí)，深、淺部之間難以協(xié)調(diào)。

根據(jù)錨索與深淺部圍巖的關(guān)系，錨索在大變形巷道中的作用機(jī)理及關(guān)鍵理念主要有[9-10]：①充分協(xié)調(diào)深淺部巖體的變形，使巷道圍巖的變形平穩(wěn)過渡，避免局部變形過大引起的突發(fā)性失穩(wěn)和結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)；②錨索貫穿淺部錨固體組合拱結(jié)構(gòu)，并將其固定在深部巖體中，變“托”為“拉”，形成多層保護(hù)支護(hù)體系，增加淺部巖體的穩(wěn)定性，使淺部巖體融入支護(hù)體系中；③在聯(lián)合支護(hù)過程中，錨桿加固淺部巖體，承擔(dān)淺部圍巖施加的作用力，減少變形，從而減少錨索所承受的淺部巖體的作用力，改善錨索的工作狀態(tài)和深部巖體的受力狀態(tài)，使得深部巖體充分發(fā)揮承載能力。

錨桿、錨索結(jié)合使用，必須進(jìn)行參數(shù)的聯(lián)合選擇，才能有效發(fā)揮各自的支護(hù)優(yōu)勢，將巷道的變形控制在使用要求范圍內(nèi)，保證圍巖的穩(wěn)定性。

2 巷道變形的綜合治理技術(shù)

2.1 雙拱圈層承載控制技術(shù)

雙拱承載控制技術(shù)的內(nèi)涵是底板反底拱與全斷面U型棚相結(jié)合，充分發(fā)揮系統(tǒng)高強(qiáng)度、高剛度，承載圍巖壓力，限制圍巖變形。

反底拱控底技術(shù)是在底板開挖反向拱鋪設(shè)鋼梁，鋼梁兩端用錨桿固定或與上部鋼棚對接成為拱座，在下部巖體壓力作用下達(dá)到成拱效應(yīng)，形成反向兩鉸拱結(jié)構(gòu)，然后在底部鋼梁上施工預(yù)應(yīng)力錨桿，錨固生根鎖住鋼梁緊貼巖面，最后在上部填充混凝土形成巷道底板平面。兩鉸拱屬于被動(dòng)受力結(jié)構(gòu)，在拱頂(巷道底部)豎向載荷的作用下以其結(jié)構(gòu)特征在兩個(gè)拱座處產(chǎn)生水平推力，抵消了巷道幫部變形產(chǎn)生的水平擠壓力，限制底角巖體向巷道中央的剪切滑移變形，達(dá)到控底又控幫的作用。如圖1所示。而預(yù)應(yīng)力錨桿屬于主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，以巖體內(nèi)部錨固點(diǎn)生根壓縮巖體裂隙在巷道底板一定深度限制巖體變形。反向拱與預(yù)應(yīng)力錨桿組合，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，形成更加穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，可起到主動(dòng)與被動(dòng)支護(hù)效果疊加，有效控制底板巖體變形。底板巖體變形不可避免，所以施加于反拱結(jié)構(gòu)的載荷是變化的，因此沒有固定的兩鉸拱形狀曲線適合所有的巷道，只能根據(jù)載荷的特點(diǎn)確定相對合理的反拱形式曲線，一般為拋物線或圓弧形。

圖1 反底拱受力特征示意

為達(dá)到巷道均勻性承載的控制要求，需使巷道底板、兩幫及頂部支護(hù)形成連接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各位置支護(hù)強(qiáng)度的互補(bǔ)，充分發(fā)揮支護(hù)的整體性作用。巷道頂部形狀是天然的兩鉸拱，在肩角處柱腿支撐形成拱座，通過幫部柱腿將頂部U型鋼拱和反底拱連接起來，形成雙拱機(jī)構(gòu)，共同承受上覆巖層壓力和底部反力。同時(shí)，利用幫部鎖腿錨桿固定柱腿緊貼巖面，加強(qiáng)柱腿的支撐強(qiáng)度，保障了全斷面承壓系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全封閉U型棚支架

2.2 底角錨桿控底技術(shù)

通常沿頂掘進(jìn)的煤巷，底板出現(xiàn)的變形問題較為突出。上部巖層垂直壓力通過巷道兩幫作用于煤層底板兩端底角，在底板未完全失去承載能力前使得底板巖層翹曲，底板中央鼓起；而垂直壓力增大超過底板煤體承載極限后，底角煤巖體快速破裂，煤體的破裂一般為擴(kuò)容變形，受幫部約束，底板破碎煤體體積的增加引起底板巖層的橫向碎脹，并對巷道底板中部的巖層產(chǎn)生水平擠壓力導(dǎo)致發(fā)生剪切滑移變形。底板煤體的變形破壞會(huì)引起兩幫的下沉，底板雖然變形讓壓，但引起的幫部移動(dòng)下沉使得底板承受的壓力未有效減小，因此，使底板變形讓壓在支護(hù)設(shè)計(jì)中是不可取的辦法。

施加錨桿支護(hù)可顯著提高被錨巖體的各種力學(xué)性質(zhì)，提高被錨巖體的承載強(qiáng)度，有效減少巷道的變形，控制破碎程度的進(jìn)一步加劇以及塑性區(qū)的擴(kuò)展。發(fā)揮錨桿在底板控制方面的作用，尤其是底角錨桿，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 增加底板巖梁的抗彎程度，提高對巷幫壓力的承載能力。巷道底板呈層狀分布，因此在力學(xué)分析中可將其建為"梁"力學(xué)模型。巷道開挖后底板巖梁所受的垂直壓力不斷增加直至超過其抗彎強(qiáng)度極限，在兩側(cè)底角發(fā)生破碎變形，使底板巖層失去整體性；而施加錨桿支護(hù)后，根據(jù)錨桿支護(hù)理論，可以顯著提高底角煤體的強(qiáng)度，增加底板的抗彎強(qiáng)度，抑制底鼓的產(chǎn)生。具體情況如圖3所示。

圖3 底板巖層錨桿強(qiáng)化過程

2) 發(fā)揮桿體強(qiáng)度，固定滑移巖層。底角錨桿穿過底板多層巖層，其預(yù)緊力的作用擠壓多層巖層，限制向上位移的空間，同時(shí)增加層與層之間的法向壓力，提高其摩擦力，限制底板巖層的水平錯(cuò)動(dòng)。

3) 錨桿楔入巖體，阻斷巖層的位移路徑。巷道底角是底板變形和傳遞壓力的關(guān)鍵位置，錨桿楔入底角，一方面可以充分利用桿體的強(qiáng)度，切斷上部壓力傳遞的路徑，改善受力狀態(tài)；另一方面，可以限制底角煤體的破碎和滑移，阻斷巖體變形位移的路徑，減少因底角煤體滑移而引起的幫部下沉，維護(hù)幫底的穩(wěn)定性。

2.3 破碎巖體注漿技術(shù)

巷道發(fā)生大變形破壞主要表現(xiàn)在圍巖內(nèi)部原生裂隙擴(kuò)展、次生裂隙產(chǎn)生及發(fā)育，導(dǎo)致巷道圍巖體積的增加，受深部巖體約束向內(nèi)部空間移動(dòng)而產(chǎn)生變形。對大變形破碎巖體注漿可很好地解決裂隙的發(fā)育問題，控制圍巖的穩(wěn)定，其主要作用如下：

1) 漿液擴(kuò)散到破碎巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成骨架，并發(fā)揮粘結(jié)性質(zhì)膠結(jié)獨(dú)立破碎的巖塊，使破碎的巖體再次構(gòu)成整體，從而提高強(qiáng)度，發(fā)揮承載能力。

2) 漿液進(jìn)入破碎巖體裂隙并膠結(jié)凝固，可以封堵裂隙，隔絕空氣、水進(jìn)入巖體的通道，防止淺部圍巖風(fēng)化和遇水弱化從而降低圍巖的強(qiáng)度，尤其是易風(fēng)化的圍巖巷道和泥質(zhì)圍巖巷道。

3) 注漿可有效提高淺部錨桿錨固組合拱的強(qiáng)度，并增強(qiáng)錨固體之間無效加固區(qū)的強(qiáng)度，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效作用范圍；同時(shí)，漿液進(jìn)入錨桿(索)鉆孔，粘結(jié)支護(hù)結(jié)構(gòu)體與鉆孔壁，實(shí)現(xiàn)了錨桿(索)的全長錨固，提高圍巖的穩(wěn)定性。

4) 注漿漿液填充密實(shí)破碎巖體的裂隙，可共同承載圍巖壓力，明顯改善圍巖體的承載狀態(tài)，保證圍壓均勻地作用在巖體上，避免因圍巖破碎引起的局部應(yīng)力過高而引起破壞，消除圍巖中的薄弱點(diǎn)和變形突破點(diǎn)，避免引起圍巖整體結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)。

3 結(jié) 語

1) 提出了巷道變形的均勻性承載控制機(jī)理。提高巷道各位置支護(hù)強(qiáng)度與巖體強(qiáng)度的耦合程度，降低對圍壓變化的敏感程度，增強(qiáng)全斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)(外)的整體性和支護(hù)—圍巖強(qiáng)度(內(nèi))的整體性，實(shí)現(xiàn)各位置承載能力的優(yōu)勢互補(bǔ)，產(chǎn)生巷道斷面的協(xié)同承載作用。

2) 提出了巷道圍巖深淺區(qū)協(xié)同承載機(jī)理。錨桿施加高預(yù)緊力，使淺部圍巖受控變形，形成主動(dòng)支護(hù)并為錨索工作阻力的增加創(chuàng)造足夠的時(shí)間，錨索貫穿淺部錨固體組合拱結(jié)構(gòu)，并將其固定在深部巖體中，變“托”為“拉”，形成多層保護(hù)支護(hù)體系，最終實(shí)現(xiàn)深淺區(qū)協(xié)同承載。

3) 提出了巷道綜合治理修復(fù)技術(shù)，主要包括：底板反底拱和全斷面U型棚相結(jié)合，承載上覆巖層壓力和底部反力的雙拱圈層承載控制技術(shù)；提高底板巖梁的強(qiáng)度，固定滑移巖層的底角錨桿控底技術(shù)；提高巖體強(qiáng)度，封堵水、風(fēng)通道，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力的破碎巖體注漿技術(shù)。