王羽揚(yáng)，劉 勇,2，王 沉,2，康向濤,2，冷光海

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州省復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽 550025)

0 引言

軟巖巷道支護(hù)問題一直是當(dāng)今世界地下工程中一項(xiàng)重要而復(fù)雜的技術(shù)問題，隨著淺部煤炭資源日漸枯竭，煤礦開采深度及開采強(qiáng)度的不斷提高，軟巖巷道的數(shù)量也在逐漸增多，高地應(yīng)力、高地溫、高滲透地壓、強(qiáng)烈采動(dòng)影響以及松軟破碎圍巖等不利因素加大了巷道的支護(hù)難度[1-2]。

在深部軟巖巷道圍巖控制研究中，不同的學(xué)者提出了不同的支護(hù)理論及支護(hù)技術(shù)[3-11]；何滿潮等[4]針對(duì)軟巖巷道大變形、難支護(hù)問題提出了關(guān)鍵部位耦合組合支護(hù)理論；董方庭等[5]認(rèn)為巷道支護(hù)的難易度與圍巖松動(dòng)圈的大小有著密切聯(lián)系，支護(hù)的目的在于控制圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展，并提出了松動(dòng)圈支護(hù)理論；李學(xué)彬等[8]以查干淖爾礦為工程背景，通過數(shù)值模擬、理論分析等手段，提出了“高強(qiáng)度鋼管混凝土”支護(hù)技術(shù)并成功應(yīng)用于該礦，支護(hù)效果顯著；劉珂銘等[9]針對(duì)清水營礦大斷面軟巖巷道變形嚴(yán)重問題，通過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)考察等方法，分析提出了“錨網(wǎng)噴+鋼管混凝土支架+鋼纖維混凝土碹體+加固錨索”的支護(hù)方式，支護(hù)效果良好。這些支護(hù)理論和支護(hù)技術(shù)對(duì)軟巖巷道支護(hù)具有一定程度的控制效果，但沒有對(duì)巷道支護(hù)的外部加固區(qū)和內(nèi)部承載區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)高應(yīng)力、應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜的大變形軟巖巷道支護(hù)方面研究較少。

本文以貴州盤江礦區(qū)土城礦14運(yùn)煤上山為工程背景，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論分析等研究方法提出了“三殼”圍巖控制理論，總結(jié)分析巷道變形破壞的機(jī)理，建立了“錨桿錨索+灌漿+鋼管混凝土支架”的“三殼”支護(hù)方案，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，巷道支護(hù)達(dá)到預(yù)期支護(hù)效果，可為同類條件下軟巖巷道支護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

14運(yùn)輸上山位于貴州省盤江礦區(qū)土城礦14采區(qū)，井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層，褶皺分布廣泛，巖層傾角為1°～5°，圍巖巖性多為泥巖、頁巖、粉砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層。巷道埋深620 m，長時(shí)間受較高水平應(yīng)力影響，同時(shí)巷道處于各類巷道交叉點(diǎn)，受多重采動(dòng)影響，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，屬于典型的高應(yīng)力工程軟巖巷道。如圖1為14運(yùn)煤上山平面布置示意圖。

圖1 14運(yùn)煤上山平面布置Fig.1 Plane layout of 14 coal transportation uphill

1.1 巷道原支護(hù)方案

巷道原設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱，斷面規(guī)格為：凈寬5 500 mm，壁高860 mm，拱高2 600 mm，凈高3 460 mm。采用錨桿網(wǎng)索噴支護(hù)方案，各支護(hù)參數(shù)為：幫頂部采用φ22 mm×L2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，頂板錨索為φ21.6 mm×L6 000 mm，間排距為1 200 mm×1 200 mm，掛網(wǎng)為菱形金屬網(wǎng)，噴射混凝土厚度為130 mm。原支護(hù)方案如圖2所示。

1.2 巷道圍巖變形破壞特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和勘察，巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，巷道變形破壞特征主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)巷道圍巖變形程度大，變形速率快。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，巷道支護(hù)后1月內(nèi)頂板沉量1 000～1 400 mm，兩幫移近量1 600～2 100 mm，底鼓量500～800 mm，收斂速度最高可達(dá)到70 mm/d。

2)支護(hù)構(gòu)件失效嚴(yán)重。錨桿(索)表現(xiàn)在折斷、滑脫、螺母脫落、托盤壓彎及壓裂，頂板及兩幫金屬網(wǎng)兜出現(xiàn)撕裂，局部巖石冒落等現(xiàn)象。

3)圍巖泥化現(xiàn)象嚴(yán)重。圍巖巖性多含高嶺石、蒙脫石、伊利石等黏土礦物，遇水膨脹而軟化。

4)圍巖兩幫移近量高于頂板。兩幫巖石鼓出向巷道內(nèi)擠，松散破碎。

2 巷道圍巖變形破壞原因及機(jī)理分析

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析以及綜合多方面資料與研究，巷道變形破壞的原因分析如下：

1)圍巖性質(zhì)。14運(yùn)輸上山圍巖巖性多以泥巖、頁巖、粉砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層為主，裂隙和節(jié)理較發(fā)育；取巖樣在室內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)載荷拉壓和礦物成分測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分析得出：以泥巖為主要成分的單軸抗拉強(qiáng)度低于0.8 MPa，具有膨脹性的黏土礦物含量為75.4%，石英、斜長石、白云石分別為18.7%，4.8%，1.1%，黏土礦物中蒙脫石含量占78%，因此巷道遇水極易膨脹，產(chǎn)生較大的膨脹壓力，同時(shí)巷道圍巖自承載能力低，從而導(dǎo)致巷道的失穩(wěn)變形。

2)應(yīng)力環(huán)境。巷道位處各硐室、聯(lián)絡(luò)巷、石門交岔點(diǎn)，受重復(fù)采動(dòng)影響顯著，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，側(cè)壓系數(shù)1.49，所處應(yīng)力水平較高，巷道長期處于高地應(yīng)力狀態(tài)。巷道開挖后承載體自身固有結(jié)構(gòu)應(yīng)力與其他伴隨層位及伴生地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力疊加，抗擾及承載能力差，應(yīng)力集中明顯，且巷道圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)向二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，期間聚集的大量能量瞬間釋放給巷道造成大變形和沖擊破壞，從而導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重。

3)支護(hù)方案。巷道原支護(hù)方案采用的是錨桿(索)網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿長度2.4 m，錨索長度6 m，現(xiàn)場(chǎng)采用YTJ-20 型巖層鉆孔探測(cè)記錄儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，圍巖松動(dòng)圈范圍在1.8～3.2 m，超過了錨桿的錨固范圍，錨桿的主動(dòng)承載性能沒有得到充分發(fā)揮；巷道位處高應(yīng)力區(qū)，采用的支護(hù)方式遠(yuǎn)不能滿足支護(hù)要求，底板無支護(hù)處于敞開狀態(tài)，導(dǎo)致底板應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，底鼓變形嚴(yán)重，頂板及兩幫的變形也成倍增加，致使支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)。

4)水理作用。巷道滲水嚴(yán)重，圍巖巖性多以黏土礦物為主，與水的長時(shí)間接觸，降低圍巖的自身強(qiáng)度和承載能力；黏土礦物中蒙脫石、高嶺石含量居多，水的侵入導(dǎo)致圍巖膨脹變形，呈現(xiàn)出松散破碎狀態(tài)。

3 “三殼”圍巖控制理論與機(jī)理

3.1 “三殼”圍巖控制理論

在巷道內(nèi)部架設(shè)支架，支架與圍巖之間預(yù)留300～600 mm間隙用于灌漿形成內(nèi)部承載殼，外部實(shí)施錨桿(索)形成淺、深2個(gè)“應(yīng)力承載殼體”支護(hù)體系，承載殼、主承載殼、次承載殼即為巷道的“三殼”支護(hù)。承載殼、支架稱為內(nèi)部應(yīng)力承載殼，主承載殼、次承載殼稱為外部應(yīng)力加固殼。“三殼”支護(hù)模型如圖3所示。

圖3 巷道圍巖“三殼”支護(hù)模型Fig.3 “Triple shell” support model of roadway surrounding rock

3.2 “三殼”巷道圍巖控制機(jī)理

1)巷道內(nèi)部采用環(huán)形支架，預(yù)留間隙的灌漿體硬化形成混凝土支護(hù)體和環(huán)形支架組合形成雙重支護(hù)結(jié)構(gòu)，兩者結(jié)合既能高強(qiáng)度抗壓，又能適度讓壓，對(duì)于巷道四周來壓大、圍巖受力不均，兩者能提供較大的承載能力。

2)灌漿過程中漿液在高壓泵的作用下滲透到破碎圍巖裂隙中，滲透漿液在圍巖中固結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，提高圍巖的內(nèi)摩擦角和殘余強(qiáng)度；同時(shí)，高強(qiáng)灌漿能夠充填圍巖中較大裂隙、甚至閉合，提高圍巖的彈性模量和強(qiáng)度，以此控制圍巖松動(dòng)圈的惡性擴(kuò)展。

3)圍巖環(huán)形灌漿可將巷道中的導(dǎo)水裂隙進(jìn)行封堵、充填，阻止水對(duì)圍巖的侵蝕作用，強(qiáng)化了圍巖四周的強(qiáng)度；底板灌漿體的硬化過程中，底板圍巖的受力由二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，底板強(qiáng)度極限得到提高，應(yīng)力承載范圍也逐步擴(kuò)大，可有效控制底鼓。

4)內(nèi)部應(yīng)力承載殼能提供較大的承載能力，當(dāng)巷道圍巖四周發(fā)生變形破壞，內(nèi)部應(yīng)力承載殼可限制破碎巖石向巷道空間擠出，減少圍巖變形量，底鼓、頂板下沉、兩幫內(nèi)擠等得到有效控制。

5)巷道圍巖外部采用高強(qiáng)錨桿(索)支護(hù)，并施加較大的預(yù)緊力，錨桿改善了淺部圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，將錨固區(qū)域由載荷體轉(zhuǎn)化為承載體，限制淺部圍巖的破壞變形，錨索錨固在深部穩(wěn)定巖層中，與錨桿群的成拱作用共同控制圍巖變形，錨桿、錨索與圍巖的相互耦合，共同提高了圍巖的承載能力。

4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

4.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)14運(yùn)煤上山軟巖巷道變形破壞影響因素分析研究，結(jié)合“三殼”圍巖控制機(jī)理和現(xiàn)場(chǎng)變形破壞嚴(yán)重的情況，設(shè)計(jì)出“錨桿索+灌漿+鋼管混凝土支架”的復(fù)合支護(hù)方案，支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 復(fù)合支護(hù)Fig.4 Composite support

巷道支護(hù)施工流程為：巷道斷面拓寬至設(shè)計(jì)斷面→錨桿索網(wǎng)一次支護(hù)→安裝空鋼管支架，支架與巷道表面有500 mm間隙→在支架表面鋪設(shè)不燃型材料布和鋼筋網(wǎng)→向空鋼管內(nèi)注C40混凝土→用噴漿機(jī)對(duì)間隙進(jìn)行灌漿充填→底板回填。具體為：

1)根據(jù)斷面要求拓寬巷道斷面，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，斷面采用圓形巷道斷面，挑頂、開幫、臥底后規(guī)格為寬×高=6 000 mm×6 000 mm。

2)錨桿采用φ22 mm×L2 500 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿間排距為800 mm×800 mm，頂板每排布置15根，每根錨桿使用K2 335樹脂藥卷3卷，錨桿預(yù)緊力矩達(dá)到200～250 N·m；鋼筋網(wǎng)規(guī)格長×寬=1 800 mm×980 mm，搭接長度100 mm，錨桿打在鋼筋網(wǎng)搭接處；錨索采用φ21.6mm×L7 000 mm的預(yù)應(yīng)力錨索，每排布置7根，每根采用5支錨固劑，間排距1 200 mm×1 200 mm。

3)支架鋼管采用φ194 mm×10 mm型號(hào)為20#無縫鋼管，套管規(guī)格為φ219 mm×10 mm，鋼管之間采用3道抱箍連片連接，間距為500 mm，支架鋼管內(nèi)采用C40混凝土配合比為水泥∶水∶沙子=1∶0.39∶1.29。

4)預(yù)留間隙灌漿配合比為水泥∶沙子=1∶3，速凝劑的比例為水泥用量的3%～5%。

4.2 支護(hù)方案驗(yàn)算

4.2.1 巷道所需支護(hù)載荷計(jì)算

巷道所需支護(hù)載荷可根據(jù)塑性芬納(Fenner)公式[11]計(jì)算，公式為：

(1)

式中：p0為原巖應(yīng)力，取13.95 MPa；φ為圍巖內(nèi)摩擦角，取24°；c為圍巖黏聚力，取0.35 MPa；ra為巷道半徑，取2 533 mm；Rp為圍巖塑性區(qū)半徑，取4 300 mm。計(jì)算得pi=1.71 MPa。

4.2.2 “三殼”結(jié)構(gòu)體承載能力計(jì)算

結(jié)合設(shè)計(jì)方案，建立如圖5所示的“三殼”支護(hù)結(jié)構(gòu)體力學(xué)模型。

“三殼”支護(hù)結(jié)構(gòu)體厚度H計(jì)算公式[12]：

(2)

式中：L1為錨桿有效長度，L1=L′-La-Lb；L′為錨桿長度，取2.5 m，La為錨桿外露端長度，取0.15 m，Lb為錨桿錨固端長度，取0.5 m；β為錨桿索在破裂圍巖中的控制角，取45°；L2為錨索有效長度，L2=L″-Lc-Ld；其中L″為錨索長度，取7 m，Lc為錨索外露長度，取0.25 m，Ld為錨索錨固長度，取2.5 m；h為灌漿體厚度，取0.5 m；D1為錨桿間排距，取0.8 m；D2為錨索間排距，取1.2 m，計(jì)算得H=4.6 m，L=H-h=4.1 m。

圖5 “三殼”支護(hù)結(jié)構(gòu)體力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of “Triple shell” support structure

取一微元體分析，在其徑向受力平衡，可得軸對(duì)稱平衡方程：

(3)

假設(shè)巷道錨固后仍遵循摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，且內(nèi)摩擦角不變，則強(qiáng)度準(zhǔn)則方程：

(4)

“三殼”支護(hù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)力邊界條件：當(dāng)r=R+h時(shí)，內(nèi)邊界鋼管混凝土支架的支護(hù)阻力σ0、錨索內(nèi)端頭提供的徑向軸力σm1、錨桿提供的徑向軸力σm2、灌漿支護(hù)體pc，即：

r=R+h，σr=pc+σ0+σm1+σm2

(5)

“三殼”支護(hù)結(jié)構(gòu)體外力邊界條件：當(dāng)r=R+h+L時(shí)，外邊主要有承受圍巖壓力σi、錨索錨固端產(chǎn)生的徑向力σn1以及錨桿產(chǎn)生的徑向力σn2，即：

(6)

聯(lián)立上式可推導(dǎo)出承載拱極限承載能力表達(dá)式為：

(7)

綜上可知，設(shè)計(jì)方案的極限承載能力為σi>pi，滿足巷道支護(hù)要求。

5 巷道數(shù)值模擬分析

5.1 模型建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立如圖6所示的數(shù)值模型圖，考慮邊界效應(yīng)，模型邊界長度應(yīng)取巷道的半徑的8倍以上，故定模型尺寸為50 m×20 m×60 m，共有52 300個(gè)單元和58 696個(gè)節(jié)點(diǎn)，頂部施加均布載荷13.95 MPa，開挖過程中模型限制左右前后水平方向移動(dòng)，底部限制各個(gè)方向移動(dòng)，巷道巖層材料參數(shù)如表1所示。

圖6 巷道數(shù)值模型Fig.6 Numerical model of roadway

5.2 結(jié)果分析

1)巷道開挖臨空

巷道開挖初期由于沒有采取任何支護(hù)措施，圍巖應(yīng)力由二向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，圍巖塑性區(qū)范圍較廣，巷道位移量隨著開挖時(shí)間而不斷增加，最終頂板最大下沉量180 mm，底鼓量150 mm，如圖7所示，故巷道開挖后應(yīng)立即施加支護(hù)，防止圍巖進(jìn)一步的變形破壞。

表1 巖層材料參數(shù)Table 1 Material parameters of rock strata

圖7 支護(hù)前后巷道位移對(duì)比Fig.7 Comparison of roadway displacement before and after support

2)巷道施加支護(hù)

巷道開挖后，立即施加錨桿索，架設(shè)鋼管混凝土支架之后實(shí)施灌漿，從圖8可以看出，支護(hù)后的塑性區(qū)范圍明顯比未支護(hù)情況小，支護(hù)后的圍巖受力狀況得到改善，支護(hù)初期巷道的支護(hù)主要是錨桿索支護(hù)，隨著灌漿支護(hù)體的逐漸硬化，灌漿體和鋼管混凝土支架的作用逐漸變顯現(xiàn)出來，圍巖的變形量逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定，頂?shù)鬃畲笪灰屏? mm，底板最大位移量4 mm。

圖8 支護(hù)前后巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.8 Plastic area distribution of roadway surrounding rock before and after support

6 工程實(shí)踐

為驗(yàn)證實(shí)際的支護(hù)效果，現(xiàn)場(chǎng)采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面檢測(cè)儀對(duì)巷道圍巖變形量進(jìn)行45 d的變形檢測(cè)，每15 d檢測(cè)一次，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同時(shí)期檢測(cè)斷面與修復(fù)后原巷道斷面對(duì)比Fig.9 Comparison of detected section and repaired previous roadway section in different periods

檢測(cè)結(jié)果表明在巷道支護(hù)完成后15 d斷面收斂率為3.39%；30 d斷面收斂率為6.74%；45 d斷面收斂率為10.21%，總平均收斂率為6.69%，圍巖變形量可控范圍內(nèi)，滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求。

7 結(jié)論

1)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和室內(nèi)試驗(yàn)得出14運(yùn)輸上山巷道變形破壞的原因主要是：高地應(yīng)力且應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜；圍巖巖性多以膨脹性軟巖為主，遇水極易膨脹；支護(hù)方案遠(yuǎn)不能滿足支護(hù)要求，錨桿索主動(dòng)承載性能無法發(fā)揮；圍巖滲水泥化現(xiàn)象嚴(yán)重。

2)針對(duì)高應(yīng)力大變形的軟巖支護(hù)問題，提出“三殼”圍巖控制理論，構(gòu)建了圍巖“三殼”支護(hù)模型，分析了“三殼”圍巖控制機(jī)理。

3)結(jié)合“三殼”圍巖控制理論和變形破壞機(jī)理，提出了“錨桿索+灌漿+鋼管混凝土支架”的復(fù)合支護(hù)方案，建立“三殼”支護(hù)結(jié)構(gòu)體力學(xué)模型，計(jì)算出極限承載能力σi大于巷道所需載荷pi，能夠維持巷道圍巖的穩(wěn)定。

4)現(xiàn)場(chǎng)采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面檢測(cè)儀對(duì)支護(hù)后的巷道不同時(shí)期斷面進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明支護(hù)后巷道最大斷面收斂率為10.21%，圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，支護(hù)效果顯著。