江成玉，劉 勇，韓連昌，王 沉

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.盤江精煤股份有限公司 金佳礦，貴州 六盤水 553000)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，煤炭資源的需求日益增加，淺部的煤炭資源越來越少，逐漸向深部開采。然而深部巖體處于“三高一擾動(dòng)”的惡劣環(huán)境[1]，使得深部高應(yīng)力軟巖巷道呈現(xiàn)出礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、圍巖大變形且持續(xù)時(shí)間長、巷道底鼓嚴(yán)重、強(qiáng)流變性等一系列工程問題[2-4]。針對(duì)煤礦深部高應(yīng)力軟巖巷道難支護(hù)問題，不少研究學(xué)者從理論到實(shí)踐進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐碩的研究成果。韓連昌等[5]對(duì)某礦141211高應(yīng)力軟巖巷道難支護(hù)問題進(jìn)行研究，揭示了巷道變形破壞機(jī)制，提出了鋼管混凝土支架支護(hù)方案并進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)取得良好效果；冷光海[6]以貴州盤江礦區(qū)土城礦131運(yùn)煤上山為工程背景，分析了圍巖變形特征以及巷道失穩(wěn)破壞原因，提出了“錨桿(索)+灌漿+雙U型鋼”的聯(lián)合支護(hù)方案；學(xué)者們也對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，圍巖流變和應(yīng)力場演變，變形特征和支護(hù)參數(shù)及巷道底鼓進(jìn)行了研究并取得了一定成果[7-11]；其他學(xué)者也分析了高應(yīng)力軟巖巷道破壞的機(jī)理并提出了合適的巷道支護(hù)方案[12-14]。

但地質(zhì)條件不同，巷道采取得支護(hù)方式也不同。貴州煤礦構(gòu)造發(fā)育，造成深部高應(yīng)力且應(yīng)力復(fù)雜、圍巖松散破碎、軟巖遇水膨脹應(yīng)力大，支護(hù)效果不理想。因此以貴州土城煤礦141713運(yùn)輸巷為工程背景，通過現(xiàn)場調(diào)查、實(shí)驗(yàn)研究、理論分析總結(jié)該巷道破壞的原因，并提出“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+注漿+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)方案。通過理論分析、數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案支護(hù)效果良好，為該類條件下的巷道支護(hù)提供一定借鑒。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

貴州土城煤礦141713運(yùn)輸巷埋深970m，垂直應(yīng)力約20MPa。巷道圍巖多以泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，成分中以黏土礦物居多，黏土礦物中又以蒙脫石為主要成分，使得巷道圍巖的吸水性和膨脹性增強(qiáng)，屬于典型的高應(yīng)力工程軟巖巷道。

1.2 回采巷道原支護(hù)方案

巷道原斷面為半圓拱型，采用“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)方案，如圖1所示，采用?20mm×2400mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，其間排距700mm×700mm；?21.6mm×6000mm的預(yù)應(yīng)力錨索，其間排距1600mm×1600mm；鋼筋網(wǎng)采用?6mm鋼筋焊接，規(guī)格為1800mm×700mm，網(wǎng)格為120mm×120mm，支架是29#U型支架。

1.3 圍巖礦物成分分析

采取巖樣在室內(nèi)進(jìn)行圍巖成分分析，用Panalytical多功能粉末X射線衍射儀，分析結(jié)果見表1。通過分析可知，圍巖成分中黏土礦物含量居多，黏土礦物中親水性最強(qiáng)的蒙脫石含量占45%，使得圍巖膨脹性和吸水性顯著。

表1 巖石礦物成分與含量

2 巷道變形特征及原因分析

2.1 巷道變形特征

井下巷道變形實(shí)拍如圖2所示，可得在高應(yīng)力軟巖條件下的回采巷道出現(xiàn)了巷道斷面變形大、兩幫收縮、托盤彎曲、錨索松脫、支架變形、網(wǎng)兜破裂等礦壓顯現(xiàn)，造成了巷道的嚴(yán)重變形和破壞。

圖2 井下巷道失穩(wěn)破壞實(shí)拍圖

2.2 巷道失穩(wěn)破壞機(jī)理分析

巷道失穩(wěn)破壞的影響因素頗多，經(jīng)現(xiàn)場勘察和查閱相關(guān)地質(zhì)資料分析，主要包括以下原因：

1)地質(zhì)條件。埋深970m，屬于深部開采，垂直應(yīng)力約20MPa。巷道圍巖巖石成分中以黏土礦物為主，所含黏土礦物中蒙脫石、高嶺石含量73%，遇水易產(chǎn)生較大的膨脹壓力，從而導(dǎo)致圍巖松散破碎，在高應(yīng)力作用下，圍巖塑性變形和流變特性顯著，巷道變形大易失穩(wěn)，這是巷道變形破壞的內(nèi)在原因。

2)支護(hù)方式。該巷道支護(hù)方式為傳統(tǒng)巷道支護(hù)，由圖2可知，井下巷道支護(hù)構(gòu)件發(fā)生了嚴(yán)重的破壞與失效，說明了該支護(hù)方式在應(yīng)力高、圍巖變形大的條件不適應(yīng)。

3)采動(dòng)影響。在工作面推進(jìn)的過程中，巷道受到采動(dòng)的重復(fù)疊加影響，使得圍巖的完整性降低。增加了圍巖與礦井水的接觸面。

4)圍巖滲水。巷道圍巖表面滲水嚴(yán)重，圍巖巖性為親水性的黏土型礦物吸收后，形成了較大膨脹力，使得圍巖的破碎程度加劇，從而使得圍巖的承載能力大大降低。

3 回采巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)及理論分析

3.1 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)巷道變形破壞的特征及原因，有針對(duì)性的對(duì)巷道進(jìn)行合理支護(hù)，提出了“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+注漿+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)，如圖3所示。采用?25mm×3000mm的高強(qiáng)注漿錨桿，其間排距800mm×800mm；采用?29mm×7000mm的高強(qiáng)注漿錨索，其間排距1600mm×1600mm；支架采用型號(hào)為36的U性可縮性支架，棚距為800mm×800mm；注漿的水泥砂漿配合比為水泥∶沙子∶水=1∶3∶0.4，速凝劑的比列為水泥用量的3%～5%[5]，并添加ACZ系列注漿改良劑，采用高壓力注漿，先注錨桿，壓力不低于7MPa，后注錨索，壓力不低于10MPa。

圖3 優(yōu)化支護(hù)方案(mm)

此次方案根據(jù)巷道圍巖實(shí)際情況調(diào)整了錨桿索及支架規(guī)格和間排距，通過注漿對(duì)破碎圍巖進(jìn)行填充，增加巷道圍巖的完整性和穩(wěn)定性以及減少巷道圍巖與水接觸面，防止巷道圍巖遇水產(chǎn)生的膨脹力，提高了圍巖的力學(xué)性質(zhì)，讓錨桿索支護(hù)構(gòu)件不會(huì)因?yàn)閲鷰r破碎而失去支護(hù)效果，大大的發(fā)揮了錨桿錨索支護(hù)作用。

3.2 支護(hù)方案理論分析

根據(jù)懸吊理論，錨桿長度L可由式(1)計(jì)算：

L=L1+L2+L3

(1)

式中，L1為錨桿外露長度，取0.1m；L2為錨桿有效長度，m；L3為錨桿錨固長度，取0.5m。其中L2用普式自然平衡拱理論確定：

式中，f為普氏巖石堅(jiān)固性系數(shù)；B為巷道寬度，m；h為巷道掘進(jìn)高度，m；φ為巖體內(nèi)摩擦角，(°)。

根據(jù)現(xiàn)行實(shí)測和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：f=2；B=5.2m；h=3.2m；φ=24°。將以上數(shù)據(jù)代入式(2)中可得L2=2.3m。再將L2=2.3m代入式(1)中可得L=2.9m。可選用長度為3.0m中空注漿錨桿。

根據(jù)每根錨桿懸吊的巖重，計(jì)算錨桿的間排距S1、S2，按錨桿等距排列：

式中，Q為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，取80kN/根；K為錨桿安全系數(shù)，取2；γ為巖石體積力，取27kN/m3；L2為錨桿有效長度，取2.3m。將以上數(shù)據(jù)代入式(3)中計(jì)算可得S1=S2=0.8m，則設(shè)計(jì)支護(hù)的錨桿間排距為0.8m。

根據(jù)錨桿截面積計(jì)算公式：

式中，A為錨桿截面積，mm2；K為安全系數(shù)，取2；S為錨桿間排距，取0.8m；L為錨桿長度，取3m；γ為承載巖體容重，取27kN/m3；σs為錨桿抗拉強(qiáng)度，取0.5GPa；將以上數(shù)據(jù)代入式(4)中計(jì)算可得錨桿截面積為207mm2，直徑為25mm高強(qiáng)中空注漿錨桿壁厚為7mm，桿體截面為400mm2，滿足要求。

錨索長度應(yīng)滿足下式：

L≥L1+L2+L3+L4

(5)

式中，L為錨索全長，m；L1為錨固長度，m；L2為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取3.0m；L3為托盤及錨具厚度，取0.15m，L4為錨索外露長度，取0.5m，式中L1≥Kdafa/(4fc)，其中K為安全系數(shù)，取2；da為錨索直徑為29mm；fa為錨索抗拉強(qiáng)度，取1780MPa；fc為錨索與錨固劑的粘合強(qiáng)度，取10N/mm2?？汕蟮肔1=2.58m。代入式(5)可得L=5.78m。采用7m錨索滿足要求[15]。

根據(jù)塑性芬納(Fenner)公式[16]，可以計(jì)算出所支護(hù)反力Pi為：

式中，p0為原巖應(yīng)力，取20MPa；φ為圍巖內(nèi)摩擦角，取24°；c為圍巖黏聚力，取0.36MPa；ra為巷道半徑，取2600mm；Rp為圍巖塑性區(qū)半徑，取4300mm。將數(shù)據(jù)代入式(7)中計(jì)算得Pi=3.0MPa。

根據(jù)庫倫準(zhǔn)則：

|τ|=c+σtanφ

(7)

式中，τ為圍巖剪切強(qiáng)度，MPa；c為圍巖黏聚力，MPa；σ為剪切面上的正應(yīng)力，MPa；φ為圍巖內(nèi)摩擦角，(°)。可以用莫爾極限應(yīng)力圓直觀的表示庫倫準(zhǔn)則，如圖4所示。

圖4 錨注前后圍巖強(qiáng)度變化

由圖4可知，錨注后圍巖強(qiáng)度明顯大于錨注前的圍巖強(qiáng)度。因?yàn)殄^注后增加了圍巖粘聚力和內(nèi)摩擦角，從而增大了圍巖的剪切強(qiáng)度，提高了圍巖穩(wěn)定性。

4 支護(hù)方案數(shù)值模擬分析

4.1 模型的建立

運(yùn)用Flac3D數(shù)值模擬軟件對(duì)回采巷道支護(hù)方案進(jìn)行模擬對(duì)比，模型尺寸為80m×30m×68m。頂部施加20MPa的局部應(yīng)力，考慮巷道開挖后引起的邊界效應(yīng)，外部邊界取巷道半徑的8倍以上。模擬中錨桿和錨索采用Cable結(jié)構(gòu)單元、支架采用Beam結(jié)構(gòu)單元。煤巖層力學(xué)參數(shù)見表2，錨桿索的支護(hù)參數(shù)見表3，支架的支護(hù)參數(shù)見表4。

表2 煤巖層力學(xué)參數(shù)

表3 錨桿索參數(shù)

表4 支架參數(shù)

4.2 數(shù)值模型結(jié)果分析

由圖5中原支護(hù)和設(shè)計(jì)支護(hù)所對(duì)應(yīng)的位移、應(yīng)力云圖對(duì)比分析可知，應(yīng)用設(shè)計(jì)支護(hù)方案后巷道頂板最大位移量從160mm下降至45mm，巷道最大底鼓量從60mm下降至40mm；巷道兩幫最大移進(jìn)量從60mm下降至14mm；最大主應(yīng)力由24MPa增加到28MPa。注漿改變了巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角；增強(qiáng)了破碎圍巖的完整性，減少了圍巖與水的接觸面，降低了因圍巖內(nèi)所含的黏土礦物遇水膨脹所產(chǎn)生的膨脹力。

圖5 兩支護(hù)方案數(shù)值模型結(jié)果

5 現(xiàn)場監(jiān)測

為驗(yàn)證支護(hù)方案現(xiàn)場效果，采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面監(jiān)測儀在141713運(yùn)輸巷80m的范圍內(nèi)監(jiān)測斷面共有6個(gè)測點(diǎn)，每10m一個(gè)測點(diǎn)。并進(jìn)行了60天的現(xiàn)場監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測時(shí)期的前、中、后，在監(jiān)測數(shù)據(jù)中，選取了監(jiān)測前期、監(jiān)測中期、監(jiān)測后期3組頗具代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，巷道斷面監(jiān)測結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖6 巷道斷面監(jiān)測結(jié)果對(duì)比

從圖6中的巷道斷面監(jiān)測結(jié)果可知在巷道支護(hù)完成后20d斷面收斂率為2.92%；40d斷面收斂率為6.43%；60d的收斂率為9.87%，總的來說，巷道平均收斂率為6.41%，巷道圍巖總體變形量不大，不影響實(shí)際的生產(chǎn)。

6 結(jié) 論

1)貴州土城煤礦141713運(yùn)輸巷屬于高應(yīng)力工程軟巖巷道，地質(zhì)條件差、圍巖強(qiáng)度低，圍巖黏土礦物占比大、支護(hù)方式不適應(yīng)、采動(dòng)影響、高應(yīng)力和圍巖滲水是該巷道變形破壞的主要原因。

2)根據(jù)巷道破壞特征及破壞原因，提出“錨桿/索+鋼筋網(wǎng)+注漿+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)，改善了圍巖的力學(xué)條件，合理了支護(hù)方式。并在現(xiàn)場實(shí)際中取得較好支護(hù)效果。

3)采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面監(jiān)測儀對(duì)支護(hù)后的巷道不同時(shí)期斷面進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明支護(hù)后巷道最大斷面收斂率為9.87%，巷道圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，支護(hù)效果明顯。