郭豫寧

（湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭411201）

我國(guó)礦產(chǎn)資源極其豐富，井巷的建設(shè)規(guī)模和復(fù)雜程度在世界上都位列前茅。但隨著我國(guó)淺部煤炭資源的消耗殆盡，礦產(chǎn)資源的開(kāi)采逐漸向深部發(fā)展，開(kāi)采條件和環(huán)境變得更加復(fù)雜，巷道圍巖的變形變得尤為嚴(yán)重，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成了極大的影響，那么巷道圍巖的有效支護(hù)便是礦井安全生產(chǎn)的重中之重。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于巷道圍巖變形破壞的機(jī)理，對(duì)癥下藥提出行之有效的支護(hù)方法[1-2]。

專(zhuān)家學(xué)者為了了解深部巷道變形的機(jī)理和巷道圍巖穩(wěn)定性控制做了大量的研究[3-5]。王衛(wèi)軍教授等[6]基于團(tuán)隊(duì)的現(xiàn)有研究成果，總結(jié)發(fā)現(xiàn)了支護(hù)阻力對(duì)深部高應(yīng)力巷道圍巖變形的影響程度，提出了在巷道掘進(jìn)時(shí)需要預(yù)留一定的變形空間以容納圍巖部分“給定變形”的控制方法，這一劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)為今后深部高應(yīng)力巷道圍巖穩(wěn)定性的控制提供了有力的支撐。左建平教授等[7]建立了圓形與矩形巷道的圍巖受力模型，通過(guò)分析得出了其所具備的受力特征及應(yīng)力分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)之上，左建平教授還構(gòu)建了巷道圍巖梯度破壞機(jī)理及矩形巷道等強(qiáng)梁支護(hù)的破壞模型，提出了深部巷道等強(qiáng)支護(hù)控制理論力學(xué)概念模型。馬念杰教授[8]分析了雙向非等壓條件下巷道圍巖塑性區(qū)形成的力學(xué)機(jī)制及其形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)深部采動(dòng)巷道圍巖雙向壓力比值λ（0<λ<1）較小時(shí)，圍巖塑性區(qū)形態(tài)不再表現(xiàn)為圓形和類(lèi)橢圓形，而是呈現(xiàn)出蝶形分布的特征?；谶@一發(fā)現(xiàn)，馬念杰教授提出了可接長(zhǎng)錨桿的支護(hù)技術(shù)，這一支護(hù)技術(shù)通過(guò)縮小蝶形塑性區(qū)“蝶葉”的方式，進(jìn)而達(dá)到控制巷道圍巖變形的目的。袁超[9]系統(tǒng)的研究了深部巷道圍巖變形破壞力學(xué)機(jī)理，以塑性區(qū)時(shí)空演化規(guī)律與幾何分布形態(tài)為出發(fā)點(diǎn)分析了其對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，提出了深部高應(yīng)力巷道圍巖穩(wěn)定性控制方案及其支護(hù)原理。余偉健教授等[10]對(duì)深井巷道復(fù)合頂板進(jìn)行了力學(xué)分析，研究頂板下沉對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，并基于此提出了以“預(yù)應(yīng)力桁架錨索”為主體的支護(hù)方法。

本文以戛達(dá)煤礦回風(fēng)巷為工程實(shí)例，以理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的方法，探尋中空注漿錨索在巷道圍巖支護(hù)中的支護(hù)效果，最后通過(guò)與數(shù)值模擬的分析結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的檢驗(yàn)分析以“中空注漿錨索”為主體的支護(hù)方案所具備的優(yōu)越性以及所選施工方案的可行性。

1 工程概況

1.1 工程背景

云南灣田集團(tuán)戛達(dá)煤業(yè)總回風(fēng)井原設(shè)計(jì)斷面為3.7*3.8m（高*寬），巷道所處地質(zhì)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，巷道巖層抗壓強(qiáng)度低，圍巖整體性差，承載力低，圍巖壓力大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，加上風(fēng)井長(zhǎng)期風(fēng)蝕、水浸等原因，造成該巷出現(xiàn)片幫、開(kāi)裂、噴體下落、底鼓等現(xiàn)象，總回風(fēng)巷的斷面變小，嚴(yán)重影響礦井回風(fēng)。之后為確保礦井回風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，礦方采用錨網(wǎng)索等支護(hù)對(duì)巷道進(jìn)行了擴(kuò)修，但巷道變形量依舊較大，仍不能滿(mǎn)足礦井的安全生產(chǎn)需求。

1.2 巷道圍巖礦物成份分析

通過(guò)X射線衍射儀對(duì)戛達(dá)煤礦巷道圍巖所收集的巖樣進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。從成分測(cè)試結(jié)果可以看出，巷道圍巖的礦物成分主要為石英、綠泥石、菱鐵礦及云母等。其中18.57%綠泥石片巖是一種特殊的軟巖，通常情況下強(qiáng)度比常見(jiàn)的軟巖高，但是遇水會(huì)強(qiáng)度降低，在水環(huán)境下出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，加劇巷道圍巖的變形破壞；12.65%菱鐵礦在空氣中容易風(fēng)化或水解，改變?cè)械男再|(zhì)。云母的含量為5.02%，其具有層狀結(jié)構(gòu)、呈片狀晶體，在風(fēng)化作用或外部壓力作用下可破碎成極細(xì)的鱗片、碎屑。因此，巷道圍巖的礦物成分種類(lèi)及其相對(duì)含量均會(huì)對(duì)圍巖的變形、整體性及穩(wěn)定性造成較大的影響，應(yīng)注意防水和加強(qiáng)支護(hù)。

表1 礦物成分含量

2 中空注漿錨索支護(hù)技術(shù)

2.1 技術(shù)機(jī)理

在巷道開(kāi)挖后，隨著巷道圍巖卸荷程度的減弱，巷道圍巖變形主要是巷道圍巖離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)等碎脹變形量，中空注漿錨索支護(hù)技術(shù)是通過(guò)將錨索進(jìn)行組合，通過(guò)鉆機(jī)將其打入鉆孔，通過(guò)注漿使少部分漿液經(jīng)由注漿錨索的孔進(jìn)入周?chē)鷩鷰r的裂隙中，大部分漿液注入到更深部的圍巖裂隙。等到注漿段漿液凝固后，對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力，外錨固段用托盤(pán)等鎖具鎖緊。應(yīng)力以點(diǎn)載荷形式轉(zhuǎn)化為面載荷均勻分布在更為廣闊的支護(hù)物結(jié)構(gòu)面上，使被支護(hù)體受到更為均勻的擠壓。在預(yù)應(yīng)力作用下，圍巖改善了應(yīng)力狀態(tài)，提高了抗變形破壞的能力[11]。

和普通錨桿支護(hù)相比，采用高強(qiáng)中空注漿錨索進(jìn)行圍巖體強(qiáng)度強(qiáng)化及變形控制，會(huì)使巷道圍巖裂隙完全充滿(mǎn)漿液（注漿壓力適當(dāng)增大，2~3MPa），深部圍巖膠結(jié)成一整體，能增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力。中空注漿錨索支護(hù)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 中空注漿錨索支護(hù)設(shè)計(jì)圖

2.2 錨索布置參數(shù)

中空注漿錨索每組由9根Φ22×7000mm（長(zhǎng)度）的鋼絞線組合而成（見(jiàn)圖2），注漿錨索間排距按1200×1600mm分布，錨桿錨索間隔布置。中空注漿錨索允許外露長(zhǎng)度不超過(guò)0.5m，中空注漿錨索盤(pán)采用厚度為20mm槽鋼與16mm鋼板焊接加工而成，20mm槽鋼長(zhǎng)度0.5m，16mm鋼板長(zhǎng)度0.4mm。

圖2 中空注漿托盤(pán)及鎖具

2.3 注漿材料選擇

戛達(dá)礦區(qū)巷道圍巖含有綠泥石等親水性礦物，在水環(huán)境下強(qiáng)度下降嚴(yán)重，體積膨脹迅速，但若采取水泥漿液為注漿材料則又不利于巷道圍巖強(qiáng)度的增加，綜合材料的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)因素、注漿效果、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況等因素，高水速凝材料是最好的選擇[12-13]。BX-1型高水速凝材料是近年研制出的一種新型注漿材料，主要特點(diǎn)是它可以速凝，水灰比調(diào)節(jié)范圍大，漿液流動(dòng)性好，滲透性強(qiáng)，材料本身固結(jié)后塑性好，能適應(yīng)圍巖變形、高水條件下具有微膨脹性，成本較低。因此，決定選用BX-1型高水速凝材料作為巷道加固注漿材料。

2.4 注漿加固參數(shù)

注漿加固參數(shù)如表2所示。

表2 主要注漿加固參數(shù)表

2.5 注漿系統(tǒng)

BX-1型高水材料出廠后分為甲料、乙料、加甲料及加乙料四部分，制漿時(shí)加甲料與甲料混合形成甲料漿，加乙料與乙料混合形成乙料漿，需要甲料漿和乙料漿分別加水?dāng)嚢栎斔?，要求必須等量進(jìn)漿、混合均勻，在注漿處混合，甲、乙料漿單獨(dú)攪拌、輸送均不凝固，混合后能快速凝固，其強(qiáng)度才能達(dá)到最大。因此，要求注漿泵應(yīng)能夠保證同時(shí)進(jìn)漿，甲、乙料漿等量，從根本上保證注漿的質(zhì)量。

攪拌桶分別攪拌甲料漿、乙料漿，雙液注漿泵分別對(duì)兩種漿液加壓，雙趟高壓管路輸送漿液，通過(guò)混合器混合后注入需加固巷道。

3 數(shù)值模擬分析

戛達(dá)回風(fēng)井含有遇水易膨脹的綠泥石，屬于典型的軟巖巷道，圍巖結(jié)構(gòu)松散、塑性區(qū)范圍大，抗變形能力差，受開(kāi)采擾動(dòng)與構(gòu)造應(yīng)力疊加形成復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，巷道圍巖極易產(chǎn)生大變形。為了驗(yàn)證中空注漿錨索支護(hù)技術(shù)的合理性與科學(xué)性，采用數(shù)值模擬對(duì)支護(hù)方案與未支護(hù)情況下的巷道圍巖變形破壞情況進(jìn)行了對(duì)比分析。

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)總回風(fēng)井變形破壞機(jī)理的進(jìn)行分析。所建立的三維模型的尺寸為：高×長(zhǎng)×厚=50m×50m×20m。具體模型見(jiàn)圖3所示，生成的網(wǎng)格共劃分為38975個(gè)單元，37875個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型的邊界條件為:下邊界：位移為零；左、右、前、后邊界：水平構(gòu)造應(yīng)力；上邊界：自由邊界（地表）。

圖3 巷道三維數(shù)值模型

在本次分析中，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果結(jié)合埋深確定模型垂直應(yīng)力取為9.3Mpa，水平應(yīng)力取為21.2Mpa，準(zhǔn)則破壞采用摩爾-庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）。

未支護(hù)條件下的巷道圍巖位移云圖如圖4所示，支護(hù)條件下的巷道圍巖位移云圖如圖5所示。未進(jìn)行中空注漿錨索支護(hù)時(shí)，巷道頂板、底板變形嚴(yán)重，頂板區(qū)域的下沉高達(dá)0.4m，底板的底鼓量達(dá)0.3m。而采取了中空注漿錨索的支護(hù)方案后，巷道圍巖位移云圖得到了明顯改善，巷道頂板下沉量?jī)H為0.01m左右，底板的底鼓量?jī)H為0.02m，和未支護(hù)前相比大大減少，說(shuō)明中空注漿錨索的支護(hù)方案可以有效控制巷道圍巖的變形。

圖4 未支護(hù)條件下的巷道圍巖位移云圖

圖5 支護(hù)條件下的巷道圍巖位移云圖

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)礦物成分分析，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖的礦物成分主要為石英、綠泥石、菱鐵礦及云母等。其中18.57%綠泥石片巖是一種特殊的軟巖，在水環(huán)境下會(huì)發(fā)生大變形的現(xiàn)象，據(jù)此選擇BX-1型高水速凝材料作為巷道加固注漿材料。

（2）根據(jù)巷道圍巖特性，選擇了“中空注漿錨索”為主體的支護(hù)方案，設(shè)計(jì)施工流程。

（3）通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析了巷道支護(hù)前后位移量變化，發(fā)現(xiàn)巷道頂板下沉量、底板底鼓量大大減少，說(shuō)明此方案可有效控制巷道圍巖的變形，增加巷道圍巖的穩(wěn)定性。