范育青，劉玉成，趙明洲，溫良霞，王昌琪

(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700)

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部礦產(chǎn)資源開采被提上日程，其中煤炭資源已成為西部地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)支柱。在西部淺埋煤層開采過程中，經(jīng)常會(huì)遇到強(qiáng)度低、膠結(jié)差、易風(fēng)化、易水解、成巖不完全的弱膠結(jié)軟巖，導(dǎo)致巷道圍巖得不到有效的控制，造成頂板坍塌、巷幫內(nèi)擠和底鼓等事故發(fā)生。目前，針對(duì)弱膠結(jié)軟巖巷道的支護(hù)理論及支護(hù)技術(shù)的研究，專家學(xué)者們通過室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等技術(shù)手段取得了一系列成果，為我國西部弱膠結(jié)軟巖巷道圍壓變形控制提供了理論基礎(chǔ)和科學(xué)決策[1-10]。王渭明等[1]通過定義劣化系數(shù)，構(gòu)建了考慮應(yīng)變軟化和塑性擴(kuò)容特性的弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖彈塑性流動(dòng)損傷模型，推導(dǎo)出彈性損傷區(qū)、塑性軟化損傷區(qū)和塑性流動(dòng)損傷區(qū)的應(yīng)力、位移解析解，闡明了原巖應(yīng)力、剛度劣化、擴(kuò)容梯度等因素對(duì)圍巖變形破壞規(guī)律的影響。李廷春等[2]分析了泥化弱膠結(jié)軟巖矩形巷道的變形過程，認(rèn)為巷道圍巖變形受斷面形狀、圍巖巖性影響較大，且呈現(xiàn)出流變變形的特性，最終可導(dǎo)致巷道失穩(wěn)。王云博等[3]針對(duì)伊犁地區(qū)中生代弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖變形特性，提出了“二次錨網(wǎng)噴+預(yù)應(yīng)力錨索”的主動(dòng)支護(hù)技術(shù)，并得到成功應(yīng)用。張德寶等[4]綜合運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值模擬等技術(shù)手段，揭示了弱膠結(jié)軟巖遇水軟化機(jī)理，提出了全斷面錨網(wǎng)噴架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，有效地控制了圍巖變形。李清等[5]深入探究了弱膠結(jié)煤巷圍巖物理力學(xué)性質(zhì)與圍巖位移曲線演化過程，為該類巷道圍巖穩(wěn)定的維護(hù)提供了科學(xué)指導(dǎo)和決策依據(jù)。孟慶彬等[6]利用一系列地質(zhì)力學(xué)技術(shù)探測手段，獲得了泥質(zhì)弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖松動(dòng)圈范圍、地應(yīng)力分布規(guī)律、物理與力學(xué)特性，揭示了該類巷道圍巖變形破壞特征與機(jī)理。賀廣良等[7]以新疆伊犁四礦區(qū)弱膠結(jié)軟巖巷道為工程背景，揭示了不同斷面形式及對(duì)應(yīng)支護(hù)措施下的圍巖變形與塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律，提出了“二次錨網(wǎng)噴+預(yù)應(yīng)力錨索”支護(hù)技術(shù)。李學(xué)彬等[8]研發(fā)了一種強(qiáng)度高、抗裂性能和延伸性能好新型聚合物噴層，能夠較好地適應(yīng)弱膠結(jié)軟巖巷道大變形的支護(hù)要求，維持巷道的長期穩(wěn)定。劉燕等[9]利用現(xiàn)場監(jiān)測與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的手段，揭示了西部礦區(qū)弱膠結(jié)軟巖巷道的底板變形破壞特征及破壞機(jī)制，提出了讓抗聯(lián)合底鼓控制措施。李晉旭[10]基于等效應(yīng)變?cè)?，建立了弱膠結(jié)軟巖錨固力損失效應(yīng)模型，得到了支護(hù)體錨固力降低與軟巖變形的計(jì)算關(guān)系。這些研究成果不僅豐富了弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖控制理論和技術(shù)，還為該類巷道圍巖的控制和加固提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)價(jià)值。

神東礦區(qū)煤層埋藏在200m左右的淺部，其周邊圍巖多為力學(xué)強(qiáng)度較低的軟弱巖石，該類巖石強(qiáng)度低、膠結(jié)性能差、遇水和空氣極易風(fēng)化、崩解，風(fēng)化后的強(qiáng)度與土接近，給煤礦生產(chǎn)建設(shè)帶來嚴(yán)重影響。該礦運(yùn)輸大巷開挖過程中遇到此類巖層，嘗試采用了多種支護(hù)方式，包括：架棚支護(hù)、“工字鋼+錨網(wǎng)噴支護(hù)”等，幾乎全部失敗，須經(jīng)多次返修圍巖才能趨于穩(wěn)定，給礦井生產(chǎn)和安全造成了嚴(yán)重影響。因此，本文擬通過此類弱膠結(jié)軟巖的力學(xué)性能測試，從本質(zhì)上揭示該類巷道圍巖變形破壞失穩(wěn)機(jī)理，并基于巷道圍巖大變形破壞特征，采用FLAC3D模擬演化弱膠結(jié)軟巖巷道的圍巖應(yīng)力位移分布規(guī)律和塑性區(qū)范圍，從而為弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)加固方案設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)。最后針對(duì)弱膠結(jié)軟巖巷道塑性區(qū)范圍的確定，改進(jìn)了原有支護(hù)方案，提出了“錨網(wǎng)噴主動(dòng)支護(hù)+36U型鋼支架+全斷面錨注”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，保證了施工的順利進(jìn)行。

1 巷道圍巖力學(xué)性能測試

1.1 巷道圍巖礦物成分測試

圖1 泥巖礦物成分

通過X射線衍射試驗(yàn)，獲得該類巖石主要由石英、鉀長石、斜長石和粘土礦物組成，其中粘土礦物成分高達(dá)60.6%，巖石各成分含量如圖1所示。其粘土礦物主要由高膨脹性的蒙脫石、伊利石和高嶺石組成，其中蒙脫石含量高達(dá)82%，對(duì)應(yīng)蒙脫石在泥巖中的含量高達(dá)49.7%，粘土礦物主要成分如圖2所示。根據(jù)強(qiáng)膨脹性軟巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]，純蒙脫石含量達(dá)到 40%～60%時(shí)為極強(qiáng)膨脹性軟巖，該類巖石具有強(qiáng)膨脹性和遇水軟化強(qiáng)流變性，可導(dǎo)致巷道圍巖的失穩(wěn)破壞。

圖2 粘土礦物成分

1.2 微觀結(jié)構(gòu)電鏡掃描

采集頂板巖層處的泥質(zhì)粉砂巖，經(jīng)電鏡掃描可得到其微觀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。從圖3可看出：①試件內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造痕跡較為顯著；②試塊空隙度較大且質(zhì)地疏松；③試件中粘土礦物的成分以聚集體存在的形式居多，彼此之間含有較大空隙，而其內(nèi)部空隙則較小；④聚集體空隙之間的微裂隙發(fā)生貫通，為水及其他流體提供了流動(dòng)通道；⑤基底以粘土顆粒為主，而基質(zhì)中含有強(qiáng)度較高的粉砂粒子。

圖3 巷道頂板巖層微觀結(jié)構(gòu)

1.3 巷道圍巖基本力學(xué)性質(zhì)

巷道頂、底板巖層主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，如圖4所示，其基本力學(xué)參數(shù)見表1?？梢娖湮锢砹W(xué)性能指標(biāo)較差，且離散性較大，結(jié)合礦物成分測試和微觀結(jié)構(gòu)電鏡掃描結(jié)果，應(yīng)由巖體膠結(jié)性能差，含水率差異大，內(nèi)部原生裂隙、次生裂隙、節(jié)理分布狀態(tài)和密度不同等因素所致?？傮w而言，該類巖層自承能力差，巖層運(yùn)動(dòng)無穩(wěn)定期，其蠕變變形的不斷增加引發(fā)更深層巖層的膨脹變形。因此，該類巷道圍巖的控制就要求提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度，提升圍巖的自穩(wěn)能力和自承能力。

圖4 巷道圍巖綜合柱狀圖

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

2 巷道圍巖變形破壞特征

2.1 巷道圍巖變形特征分析

該礦運(yùn)輸大巷主要用于運(yùn)煤、進(jìn)風(fēng)、行人和管線布置等，設(shè)計(jì)長度3245m，服務(wù)年限67a。巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，凈斷面面積19.39m2，其中：巷道寬5.28m，直墻高1.6m，圓拱半徑2.64m，初期先后選取“16#普通工字鋼對(duì)棚+錨桿支護(hù)、棚距680mm”，“12#礦用工字鋼對(duì)棚+錨桿支護(hù)、棚距500mm”兩種支護(hù)方式。

巷道掘進(jìn)期間，其圍巖變形規(guī)律如圖5、圖6所示。巷道兩幫變形經(jīng)歷了線性增長、趨于穩(wěn)定兩個(gè)階段，線性增長階段巷道圍巖變形速率較大，分別達(dá)到22.5mm/d和18mm/d，且持續(xù)時(shí)間較長，達(dá)到31d，觀測范圍內(nèi)兩幫移近達(dá)到738mm和639mm，呈現(xiàn)典型軟巖巷道大變形特征，兩幫移近量大，幫部噴層脫落，底角位置明顯內(nèi)擠，影響巷道正常使用。頂?shù)装逡平?jīng)歷了增長→穩(wěn)定→增長→穩(wěn)定的過程，頂?shù)装逡平畲笞冃嗡俾史謩e達(dá)到40mm/d和38mm/d，觀測范圍內(nèi)頂板下沉量分別達(dá)到992mm和803mm。前者在28d時(shí)，而后者在33d時(shí)，頂板下沉量均發(fā)生了突變，應(yīng)為圍巖膨脹變形能積聚超過支護(hù)體的承載能力所致，巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，鋼支架變形嚴(yán)重，出現(xiàn)棚腿扭彎、漿皮開裂、鋼筋網(wǎng)搭接處撕裂等現(xiàn)象，究其原因：①隨著變形量的增加，錨桿逐步失效或喪失錨固作用，未能有效形成主動(dòng)支護(hù)，絕大部分圍巖應(yīng)力由架棚承擔(dān)，即未實(shí)現(xiàn)錨桿和架棚支護(hù)作用耦合，不能整體對(duì)抗圍巖的大變形；②弱膠結(jié)軟巖的流變性較強(qiáng)，支護(hù)體薄弱的地方成為地應(yīng)力集中釋放的突發(fā)口，可致使支架后方土層向該處流動(dòng)，導(dǎo)致支架發(fā)生不均勻變形，圍巖應(yīng)力集中達(dá)到一定程度，支架破壞[6]。16#普通工字鋼抗彎截面模量為141cm3，12#礦用工字鋼抗彎截面模量為144.5cm3，雖然兩者的強(qiáng)度和剛度幅度相差不大，但支護(hù)效果卻有較大差異，進(jìn)一步說明了采用高強(qiáng)度、高剛度的支護(hù)體系可以有效控制巷道圍巖變形。

圖5 兩幫移近曲線圖

圖6 頂?shù)装逡平€圖

2.2 巷道圍巖松動(dòng)圈測試

圍巖松動(dòng)圈是地下工程中普遍存在的實(shí)際物理力學(xué)狀態(tài)，它對(duì)地下工程的穩(wěn)定性影響很大。巷道圍巖松動(dòng)圈以圍巖破壞產(chǎn)生宏觀裂隙形成的物性界面為主要特征，在該范圍內(nèi)，巖體為破裂松馳狀，通過地質(zhì)雷達(dá)圍繞巷道斷面掃描一周，由于地質(zhì)雷達(dá)發(fā)出的電磁波經(jīng)過松動(dòng)圈與非破壞區(qū)交界面(松動(dòng)圈界面)時(shí)，必然發(fā)生較強(qiáng)的反射或散射，從而可以根據(jù)反射波圖像特征來確定圍巖松動(dòng)圈破壞范圍[12，13]。

為了確定巷道圍巖松動(dòng)圈的大小及分布規(guī)律，在巷道內(nèi)布置了3個(gè)監(jiān)測斷面，利用地質(zhì)雷達(dá)分別對(duì)頂板、兩幫和底板圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行探測，監(jiān)測結(jié)果顯示巷道頂板圍巖松動(dòng)圈范圍為2.4～2.8m，左幫為1.8～2.4m，右?guī)蜑?～2.6m，底板為2.2～2.6m，局部地區(qū)達(dá)3.5～4m，屬于大松動(dòng)圈。這種情況下的巷道圍巖塑性破壞區(qū)往往超過了錨桿的長度，不易形成著力點(diǎn)和穩(wěn)定的壓縮帶；另外，若錨桿的剛度過大，則難以與圍巖發(fā)生協(xié)調(diào)變形，致使錨桿陷入圍巖，使其更加松散、破碎。

3 圍巖應(yīng)力位移空間分布規(guī)律分析

基于巷道圍巖現(xiàn)場極大變形特征和巷道圍巖力學(xué)性能測試結(jié)果，同時(shí)鑒于FLAC3D數(shù)值模擬軟件在大變形模擬中的獨(dú)特優(yōu)勢[13-15]，本文選用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，分析該類軟巖巷道的圍巖大變形機(jī)理。根據(jù)現(xiàn)場具體地質(zhì)條件，結(jié)合巷道尺寸建立模型(30m×30m×25m)，如圖7所示，共設(shè)置8條圍巖應(yīng)力、位移監(jiān)測線。模型邊界采用位移約束，即四周約束水平位移，底部約束垂直位移；模型表面施加外力模擬現(xiàn)場地應(yīng)力，施加的水平荷載為8.45MPa、垂直荷載為6.12MPa。巖層采用摩爾-庫倫模型，結(jié)合研究區(qū)域地質(zhì)報(bào)告，其基本力學(xué)參數(shù)選取見表2。

表2 數(shù)值模擬模型中的巖層力學(xué)參數(shù)

最大主應(yīng)力、垂直位移、水平位移分布如圖7所示。巷道開挖后圍巖應(yīng)力重新分布，在巷道周圍形成卸壓區(qū)，頂?shù)仔秹簠^(qū)范圍較大，頂?shù)装逦恢贸蔀閼?yīng)力釋放的主要弱面，圍巖深部應(yīng)力逐漸升高，并在兩幫以里巖層位置形成應(yīng)力集中區(qū)。

圖7 監(jiān)測線布置圖

圖8 最大主應(yīng)力、垂直位移和水平位移分布云圖

3.1 頂板巖層應(yīng)力位移空間分布規(guī)律

圍巖破壞時(shí)頂板下沉嚴(yán)重，頂板破壞時(shí)主要發(fā)生下沉變形，假設(shè)頂板巖層水平方向、軸向方向位移為0，獲得頂板覆巖最大主應(yīng)力、位移分布規(guī)律如圖9所示。隨巖層深度的增加巖層下沉量逐漸減小，自巷道頂板向上，圍巖下沉量隨與巷道頂板深度的增加呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減。經(jīng)擬合，獲得頂板下沉量s1與頂板距離h1的擬合曲線為：

巷道開挖后巖層卸壓嚴(yán)重，頂板位置巖層壓力降為0，隨巖層深度的增加，應(yīng)力逐漸恢復(fù)，在頂板上方4.5m位置應(yīng)力恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平，該范圍內(nèi)巖層應(yīng)力水平較低但下沉量較大，達(dá)到1000～1450mm，根據(jù)巖層抗壓不抗拉的特性，基于圍巖破壞區(qū)的相關(guān)研究[14，15]，推斷該范圍內(nèi)巖層喪失承載能力，發(fā)生垮落，即頂板上方4.5m范圍內(nèi)為覆巖破壞區(qū)。

圖9 頂板巖層應(yīng)力位移分布曲線

3.2 巷道肩部位置應(yīng)力位移分布規(guī)律

拱頂兩側(cè)45°位置定義為巷道肩部位置。假設(shè)巷道軸向方向無限長，則巷道變形等效為平面應(yīng)變問題，巷道軸向應(yīng)變?chǔ)舮=0，則巷道肩部位移u為：

式中，ux、uz分別為該點(diǎn)處水平方向、垂直方向位移，mm。

經(jīng)計(jì)算獲得巷道肩部最大主應(yīng)力、位移演化曲線如圖10所示，其中，圍巖位移指向巷道內(nèi)部。左右兩側(cè)圍巖變形規(guī)律基本一致，圍巖應(yīng)力隨與巷道距離的增加逐漸增加，在圍巖深部1.6m位置恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平，并繼續(xù)升高，在2.58m位置達(dá)到應(yīng)力峰值并形成應(yīng)力集中，右?guī)蛻?yīng)力集中系數(shù)(1.42)稍高于左幫(1.36)。隨后應(yīng)力逐漸降低并趨于穩(wěn)定。在巷道兩肩位置圍巖位移較大，尤其是在2.58m范圍內(nèi)，圍巖位移量達(dá)到800～1580mm，隨與圍巖深度的增加圍巖運(yùn)動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定。因此，確定圍巖深部2.58m范圍為圍巖破壞區(qū)域，擬合獲得巷道肩部位置圍巖變形s2與巷道距離h2的擬合曲線為：

圖10 巷道肩部巖層應(yīng)力位移分布曲線

3.3 巷道拱基位置應(yīng)力位移分布規(guī)律

拱基位置巖層主要發(fā)生指向巷道內(nèi)部的水平位移，忽略其垂直位移的影響，通過數(shù)據(jù)分析獲得圍巖主應(yīng)力、位移演化規(guī)律如圖11所示。隨與巷道距離的增加巖層應(yīng)力逐漸升高，圍巖變形量逐漸降低，在圍巖深部2.1m位置恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平，在巖層深部3.5m位置達(dá)到其應(yīng)力峰值，并在該處發(fā)生一定程度的應(yīng)力集中，右?guī)蛻?yīng)力集中系數(shù)(1.75)稍高于左幫(1.65)，之后主應(yīng)力水平隨與巷道距離的增加逐漸降低并趨于穩(wěn)定，則對(duì)應(yīng)獲得兩幫位置圍巖破壞區(qū)范圍為3.5m，在該范圍內(nèi)圍巖變形量達(dá)到300～1400mm，通過擬合獲得拱基位置圍巖變形s3與巷道距離h3的關(guān)系為：

圖11 巷道拱基巖層應(yīng)力位移分布曲線

3.4 巷道底角位置應(yīng)力位移分布規(guī)律

圖12 巷道底角巖層應(yīng)力位移分布曲線

巷道底角位置巖層主要發(fā)生指向巷道內(nèi)部的水平位移和垂直位移，依據(jù)巷道肩部位置位移計(jì)算方法，對(duì)應(yīng)獲得巷道兩底角位置圍巖應(yīng)力、位移演化規(guī)律如圖12所示。隨與巷道距離的增加巖層應(yīng)力首先下降，然后逐漸升高，在圍巖深部1.0m位置恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平，在巖層深部2.0m位置達(dá)到其應(yīng)力峰值(1.32γH)，之后主應(yīng)力水平有所降低并趨于穩(wěn)定，但始終略高于原巖應(yīng)力水平，則對(duì)應(yīng)獲得巷道底角位置圍巖破壞區(qū)范圍為2.0m，在該范圍內(nèi)圍巖變形量達(dá)到350～650mm，通過擬合獲得圍巖變形s4與巷道距離h4的關(guān)系為：

3.5 巷道底板應(yīng)力位移分布規(guī)律

巷道底板應(yīng)力位移分布規(guī)律如圖13所示。隨與巷道距離的增加巖層應(yīng)力增長經(jīng)歷“線性—非線性—線性增長”三個(gè)階段，在底板下部2.6m位置恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平，在巖層深部3.2m位置達(dá)到其應(yīng)力峰值(1.22γH)，之后主應(yīng)力水平呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，并逐漸趨于穩(wěn)定，但最終穩(wěn)定數(shù)值略高于原巖應(yīng)力水平，則對(duì)應(yīng)獲得巷道底板破壞范圍為3.2m區(qū)域，在該范圍內(nèi)圍巖變形量達(dá)到330～850mm，通過擬合獲得圍巖變形s5與底板距離h5的關(guān)系為：

圖13 底板巖層應(yīng)力位移分布曲線

3.6 巷道圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律

綜合巷道圍巖應(yīng)力、位移分布規(guī)律，可獲得巷道圍巖塑性區(qū)范圍，如圖14所示。圖14中實(shí)線輪廓內(nèi)為數(shù)值模擬演化的圍巖塑性區(qū)范圍，陰影虛線輪廓內(nèi)為地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場探測的松動(dòng)圈范圍?？傮w來看，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場探測比較接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的正確性，從而為西部淺埋弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性分析、支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化及支護(hù)加固方案的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)作用和科學(xué)依據(jù)。

圖14 巷道圍巖塑性區(qū)數(shù)值模擬演化范圍(m)

4 巷道支護(hù)改進(jìn)方案

弱膠結(jié)軟巖其自身沒有自穩(wěn)能力，在巷道掘進(jìn)過程中，易產(chǎn)生顯著的塑性變形，普通軟巖支護(hù)方式無法有效限制其塑性區(qū)的擴(kuò)展，上述數(shù)值模擬演化結(jié)果及地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果亦證實(shí)了這一點(diǎn)。若在錨網(wǎng)噴主動(dòng)支護(hù)失效之前，采取注漿等措施增加圍巖的整體黏聚力和內(nèi)摩擦角，不僅可以將弱膠結(jié)軟巖黏結(jié)，恢復(fù)或構(gòu)成完整巖體結(jié)構(gòu)，提高巖體的整體強(qiáng)度，還能為錨桿、錨索提供可錨基礎(chǔ)，提高錨固力，保證錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力與工作阻力能有效擴(kuò)散到圍巖中，提高支護(hù)效果[16-19]。另外，錨桿的作用是建立在架棚作用的基礎(chǔ)上的，只有在架棚能夠有效抑制圍巖大變形的前提下，錨桿才能發(fā)揮作用，起到加固圍巖的效果，否則錨桿加固效果將大大降低甚至喪失。高強(qiáng)度架棚支護(hù)在有效抑制圍巖大變形的條件下可實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)和架棚支護(hù)作用的耦合，其支護(hù)效果將實(shí)現(xiàn)非線性增長。因此，為了保證運(yùn)輸大巷能夠長期安全的服務(wù)生產(chǎn)，針對(duì)該礦弱膠結(jié)地層的工程地質(zhì)條件，提出了“錨網(wǎng)噴主動(dòng)支護(hù)+36U型鋼支架+全斷面錨注”的聯(lián)合支護(hù)方案，如圖15所示。

1—注漿錨索；2—高強(qiáng)螺紋鋼錨桿；3—注漿錨桿；4— U36型鋼支架；5—幫部注漿錨桿；6—底角錨桿；7—底角注漿錨桿；8—底板注漿錨桿；9—16#槽鋼圖15 支護(hù)方案斷面圖(mm)

支護(hù)參數(shù)如下：

1)噴射混凝土。弱膠結(jié)軟巖巷道揭露時(shí)極容易風(fēng)化，給巷道圍巖造成破壞，因此，必須及時(shí)噴漿進(jìn)行支護(hù)、及時(shí)封閉圍巖，噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，初噴層厚度50mm，復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度150mm。

2)錨網(wǎng)及錨桿支護(hù)。采用Φ22mm×2600mm左旋全螺紋高強(qiáng)錨桿，屈服載荷大于254kN，拉斷載荷大于307kN，間排距為：700mm×800mm，每根錨桿均用2支樹脂藥卷錨固，規(guī)格為Z2550，錨固力大于130kN，錨桿托盤采用規(guī)格200mm×200mm×12mm高強(qiáng)度蝶形托盤，配合高強(qiáng)度螺母、高強(qiáng)調(diào)心球墊和尼龍墊圈，力學(xué)性能與錨桿桿體配套。采用 Φ6mm冷拔鋼絲焊接的金屬網(wǎng)，網(wǎng)片尺寸2m×1m，網(wǎng)格尺寸100mm×100mm。

3)架設(shè)36U型鋼支架支護(hù)，棚距800mm。

4)全斷面錨注支護(hù)。注漿錨索采用Φ35mm×7000mm高強(qiáng)注漿錨索，錨頭由特種鋼材加工而成，是錨索的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。外徑52mm，長180mm。中間有Φ13mm的注漿孔，用于安裝注漿管。外上Φ32mm的高強(qiáng)螺帽，用于對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力。間排距為2100mm×1600mm，由螺旋肋鋼絞線組成，錨索體中心有注漿孔，錨索尾部設(shè)類似鳥巢的錨固段。注漿錨桿選用Φ25mm×2500mm螺紋鋼中空注漿錨桿，破斷力不小于15t，桿體上順序鉆有Φ6mm注漿孔，桿尾砸扁，封孔采用快硬水泥藥卷。頂板注漿錨桿間排距：2100mm×1600mm，每個(gè)斷面4根；幫部注漿錨桿排距為1400mm，到腰線距離為1000mm；底角注漿錨桿排距亦為1400mm，與水平方向呈30°。底板采用注漿錨桿配合16#槽鋼聯(lián)合支護(hù)，間排距為1600mm×800mm，兩邊注漿錨桿斜打，與豎直方向成15°。

5)注漿材料。注漿材料采用普通硅酸鹽水泥加ACZ-1型添加劑，水泥采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，添加劑用量為水泥重量的4%～6%。漿液水灰比為0.7∶1～1∶1。

6)注漿壓力及時(shí)間。注漿壓力控制在2.0～3.0MPa。注漿時(shí)間取為3～5min。

該礦弱膠結(jié)軟巖巷道錨注支護(hù)以后，為了監(jiān)測支護(hù)效果，共設(shè)置了2個(gè)表面位移測站監(jiān)測表面位移，兩個(gè)測站之間距離為50m，采用十字交叉法布置測點(diǎn)，巷道斷面位移的收斂量測采用JSS30A型數(shù)顯收斂儀，通過長達(dá)8個(gè)月的巷道表面位移變形監(jiān)測表明：頂?shù)装蹇傄平吭?43.5mm 內(nèi)，兩幫總移近量在48.3mm 內(nèi)，弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖變形曲線如圖16所示，由圖16可知改進(jìn)的支護(hù)方案有效地控制了巷道的圍巖變形。

圖16 弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖變形曲線

5 結(jié) 論

1)通過基本力學(xué)性質(zhì)測試、礦物成分測試、微觀結(jié)構(gòu)及水理性質(zhì)電鏡掃描，確定了西部淺埋弱膠結(jié)軟巖為極強(qiáng)膨脹性軟巖，其自穩(wěn)能力差、強(qiáng)膨脹性、強(qiáng)流變性、微裂隙發(fā)育及良好的水理性質(zhì)，加之與支護(hù)結(jié)構(gòu)的不耦合，最終導(dǎo)致弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖的失穩(wěn)破壞。

2)基于現(xiàn)場圍巖變形特征分析，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件演化了弱膠結(jié)軟巖巷道的圍巖應(yīng)力位移分布規(guī)律，即：巷道圍巖深部最大主應(yīng)力，隨著與巷道表面距離的增加，巖層應(yīng)力逐漸恢復(fù)并繼續(xù)升高，并在圍巖深部形成不同程度的應(yīng)力集中；圍巖深部變形s與圍巖深度h之間呈負(fù)指數(shù)衰減。

3)基于圍巖應(yīng)力、位移分布規(guī)律，演化出弱膠結(jié)軟巖巷道塑性區(qū)范圍，與地質(zhì)雷達(dá)探測的松動(dòng)圈厚度比較接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性，從而為西部淺埋弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)加固方案設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

4)提出了“錨網(wǎng)噴主動(dòng)支護(hù)+36U型鋼支架+全斷面錨注”的聯(lián)合支護(hù)方案，通過采用注漿錨桿和注漿錨索對(duì)巷道進(jìn)行全斷面注漿提高了弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖強(qiáng)度，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明改進(jìn)的支護(hù)方案有效地控制了巷道的圍巖變形。