劉玉衛(wèi),商鐵林,劉應(yīng)然,張亞峰龔 劍
(1.鄭州工程技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450044;2.鄭煤集團(tuán) 工程技術(shù)研究院, 河南 鄭州 450042;3.榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院,陜西 榆林 719000)
隨著礦井開采范圍的擴(kuò)大,開采深度不斷增加,開采條件也變得越來越復(fù)雜,尤其是大埋深、復(fù)雜構(gòu)造及采動(dòng)應(yīng)力等疊加應(yīng)力影響,給巷道支護(hù)帶來了極大的困難。目前的巷道支護(hù)方式很難保證巷道的穩(wěn)定。巷道支護(hù)的不穩(wěn)定,首先影響到巷道的施工速度和施工安全,對(duì)礦井的安全生產(chǎn)帶來極大的危害,過去普遍采用金屬支架或U型+錨索等主被動(dòng)支護(hù)[1]來解決巷道支護(hù)的問題,但對(duì)復(fù)雜條件的圍巖巷道來說并不適用。國內(nèi)專家學(xué)者開展了多方面研究,靖洪文等人[2]提出了“三錨”支護(hù)技術(shù),即對(duì)深埋巷道通過錨噴、錨注和錨索耦合作用使其形成一個(gè)穩(wěn)定的承載圈。張農(nóng)等[3]經(jīng)過研究提出了以錨桿、錨索、注漿等為主體的整體封閉式支護(hù)技術(shù)。楊本生等[4]利用相似模擬試驗(yàn)提出了巷道連續(xù)雙殼加固技術(shù),即淺孔注漿(淺殼)、深孔錨索束注漿(深殼),來控制圍巖變形。
國內(nèi)近些年軟巖支護(hù)技術(shù)主要是圍繞錨桿展開多種組合支護(hù)研究,如“三高一低”強(qiáng)力支護(hù)、耦合支護(hù)技術(shù)、注漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、協(xié)同支護(hù)技術(shù)等[5]。而國外支護(hù)呈多樣性。美、澳國采用錨桿+額外補(bǔ)強(qiáng),英國采用全長(zhǎng)樹脂錨固,德國道采用“錨桿+拱形支架”組合支護(hù),波蘭“拱形支架+錨桿”等,這為我國軟巖支護(hù)理論完善、多元化發(fā)展特別是深部圍巖控制帶來了有益的啟發(fā)[5]。
協(xié)同概念由德國科學(xué)家Hermann Haken在1971年提出,并于1976年對(duì)該理論進(jìn)行了系統(tǒng)闡述,主要指兩個(gè)或兩個(gè)以上不同資源的相互協(xié)調(diào)或能夠協(xié)調(diào)一致地完成某一目標(biāo)的過程或能力[6]。在圍巖支護(hù)方面,借鑒了協(xié)同理念將圍巖支護(hù)理論、錨固理論、圍巖承載機(jī)理等理論[7]相互組織在了一起,開展地下空間支護(hù)方面的研究。
1) 錨桿與錨索的協(xié)同。錨桿與錨索的協(xié)同主要通過預(yù)應(yīng)力為橋梁紐帶。將高強(qiáng)度錨桿的預(yù)應(yīng)力與錨索預(yù)應(yīng)力相適應(yīng),使之相互搭配形成整體作用,產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。
經(jīng)李元等人[8-9]研究可知:錨桿與錨索預(yù)應(yīng)力匹配有一個(gè)合理區(qū)間范圍,錨桿預(yù)應(yīng)力40 kN時(shí),錨索在140~160 kN的支護(hù)效果較好;錨桿增強(qiáng)到60 kN以上、錨索預(yù)應(yīng)力達(dá)180~230 kN時(shí)可將巷道收斂率控制在10%以內(nèi),巷道支護(hù)效果差別也不大。一般預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)是錨桿應(yīng)力的3~4倍為宜,二者配合較好。
錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力協(xié)同作用可以控制圍巖早期的變形,減小甚至消除由于巷道開挖產(chǎn)生的圍巖弱面。所以高強(qiáng)錨桿必須與預(yù)應(yīng)力相結(jié)合,錨桿的預(yù)應(yīng)力必須與錨索的預(yù)應(yīng)力相結(jié)合,只有它們之間相互合理匹配,避免錨桿或錨索單獨(dú)承載,才能使錨桿、錨索的個(gè)體作用達(dá)到最大,并產(chǎn)生協(xié)同支護(hù)作用的效果[5]。
錨桿與錨索的協(xié)同作用可以有效地控制圍巖的早期變形。錨桿預(yù)應(yīng)力只有與錨索預(yù)應(yīng)力合理匹配,才能使錨桿或錨索不單獨(dú)受力,使之發(fā)揮最大的合力,產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。
2) 錨桿、錨索與圍巖的協(xié)同[5]。錨桿和錨索的協(xié)同是通過預(yù)應(yīng)力錨桿的淺部加固和預(yù)應(yīng)力錨索深部懸吊作用協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)的。通過預(yù)應(yīng)力錨桿軸向圍壓的作用提高了破碎圍巖的殘余強(qiáng)度,增大了圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角;通過桿體橫向抗剪作用提高了圍巖弱面的抗剪強(qiáng)度;再通過錨索的懸吊作用,最終將頂板錨桿作用下形成的較完整的淺部松動(dòng)區(qū)巖石懸吊于深部穩(wěn)定的巖層,提高了圍巖的整體承載能力。
1) 噴射混凝土作用?;炷羾妼釉谥ёo(hù)中有顯著的作用,其作用機(jī)理有以下幾點(diǎn)[12]:①保護(hù)圍巖表面防止風(fēng)化和防水;②噴層與圍巖粘結(jié)密貼能改善圍巖表面受力狀態(tài);③填平表面凹處補(bǔ)強(qiáng)裂隙,提高粘結(jié)力,緩解應(yīng)力集中;④初期支護(hù)力能防止圍巖松動(dòng)過快發(fā)生大變形;⑤能間接提高圍巖環(huán)向應(yīng)力,增強(qiáng)組合拱支撐能力;⑥噴層能承載一定的塑性變形起到“卸載”作用。
2) 鋼筋網(wǎng)護(hù)表作用。鋼筋網(wǎng)護(hù)表作用主要體現(xiàn)在:①同噴射混凝土一起作用,防止出現(xiàn)收縮裂縫;②金屬網(wǎng)將錨桿錨索串聯(lián)在一起,提高了支護(hù)的整體性能;③能使噴層應(yīng)力均勻分布,防止圍巖出現(xiàn)局部破壞;④能增強(qiáng)噴層柔性,防止噴射混凝土噴層開裂;⑤金屬網(wǎng)能防止巷道頂板松碎巖塊脫落和片幫。
1) 淺部加固圈的形成機(jī)理。針對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下,易造成圍巖破碎、變形、蠕變、流變、支護(hù)壓力增大等情況,把巖體中松軟破碎及在外力作用下松動(dòng)的巖石用噴射混凝土予以置換,再結(jié)合錨桿和注漿,把淺部原來非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性的巖體構(gòu)建成抗壓、抗拉、抗剪能力都提高的較均質(zhì)、同性、連續(xù)的高強(qiáng)度新巖體形成淺部加固圈。
2) 深部加固圈的形成機(jī)理。當(dāng)圍巖松動(dòng)圈較大時(shí),破裂范圍大于錨桿長(zhǎng)度,單靠錨桿無法錨定破碎圍巖。當(dāng)巷道斷面較大時(shí),拱基線以上的破碎圍巖,錨桿支護(hù)的組合拱強(qiáng)度效應(yīng)不明顯,不能維持圍巖的穩(wěn)定。在膨脹過程中,錨固范圍外的深部裂隙巖體對(duì)巖體和錨桿施加較大的剪切力,往往導(dǎo)致錨桿擠壓、錨桿破碎、圍巖松動(dòng)、垮落,最終導(dǎo)致頂板垮落事故[12]。因此,充分利用松動(dòng)圈外相對(duì)穩(wěn)定巖體一起抵抗圍巖變形,為圍巖內(nèi)側(cè)提供應(yīng)力和位移約束,通過錨注和預(yù)應(yīng)力錨索的協(xié)同作用,限制圍巖變形,改變松動(dòng)圈內(nèi)圍巖松散破碎、完整性差的狀況,提高圍巖的完整性和強(qiáng)度,使破碎圍巖與深部完整巖體形成有機(jī)整體,形成深部加固圈。
根據(jù)單支護(hù)理論,錨桿支護(hù)是通過錨桿的作用,將破碎巖體組合成組合拱或梁,從而提高圍巖的支撐能力[13];而錨索支護(hù)是通過在大跨度截面增加錨索來達(dá)到減跨和懸吊的目的;噴混凝土是對(duì)圍巖表面進(jìn)行封閉加固,防止風(fēng)化,進(jìn)水;注漿加固是將水泥漿充填圍巖裂隙區(qū)來提高松散破碎巖體的殘余強(qiáng)度,改善了力學(xué)性能和支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性[13-14]。
由前述可知,錨桿和注漿能在巷道圍巖淺部形成一定厚度的加固圈,而在深部松動(dòng)圈范圍內(nèi),通過注漿和錨索再形成深部加固圈,錨索把加固圈錨在深部巖體中,使之形成共同的承載能力,最終形成“支-護(hù)-注”的協(xié)同作用關(guān)系。
1) 預(yù)留空隙技術(shù)。根據(jù)巷道斷面設(shè)計(jì),施工時(shí)提前預(yù)留擴(kuò)展變形空間,即”預(yù)空”,預(yù)空范圍控制在設(shè)計(jì)斷面的10%~15%.預(yù)留空隙能促使巷道在成巷后,復(fù)雜疊加應(yīng)力的釋放,對(duì)具有流變和膨脹性軟弱巖體巷道支護(hù)十分必要,也為下一步封層提供良好的基礎(chǔ)。
2) 噴漿封層技術(shù)。巷道開挖后,通過噴漿在巷道圍巖表面先形成膠結(jié)護(hù)層,然后施工錨桿,進(jìn)行掛網(wǎng),以鋼絲網(wǎng)為筋骨,間距350 mm×350 mm,使其高強(qiáng)密貼于圍巖表面,進(jìn)行噴漿封層,封層的初次噴漿厚度一般不小于80 mm,第一層次封層就要達(dá)到較高的承載力,多次噴層形成強(qiáng)韌的組合承載體。
3) 混凝土置換技術(shù)。對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下圍巖破碎、蠕變、流變的巷道,采取針對(duì)性措施把巖體中在外力作用下極松軟破碎的巖石部分,用噴射混凝土予以置換。實(shí)際操作中,巷道底板和幫腳是置換的重點(diǎn),幫腳是圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的集中區(qū),也是巷道支護(hù)中最薄弱的地方,深挖巷道兩底腳,留出空間釋放應(yīng)力可起到卸壓的作用,然后再噴施混凝土填充,即用混凝土置換此處不穩(wěn)定的軟巖。
4) 均布注漿技術(shù)。均布注漿就是通過深、淺注漿孔和被注加固巖體巖性相匹配的注漿材料對(duì)松動(dòng)巖體進(jìn)行適時(shí)注漿,使被加固的松動(dòng)巖體應(yīng)力趨于均勻分布,圍巖趨于均質(zhì)同性,結(jié)構(gòu)趨于整體承載。注漿錨桿一定要深封孔,封孔深度一般不小于600 mm,封孔長(zhǎng)度不小于200 mm,底腳注漿壓力要高于頂部和幫部,一般控制在2.5~3.5 MPa,第一次注漿,終壓控制在1.5~2.5 MPa,二次注漿壓力要大于第一次,使注漿漿液的擴(kuò)散半徑能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。為確保底板的注漿效果,實(shí)現(xiàn)底鼓控制的目標(biāo),特別要做到加強(qiáng)底腳混凝土噴漿層,保證巷道幫腳的基礎(chǔ)深度向幫外側(cè)延伸300 mm以上,并加大底腳的注漿壓力,調(diào)整好底腳注漿漿液的粘度,穩(wěn)壓注漿。
以鄭州礦區(qū)楊河煤業(yè)軌道運(yùn)輸大巷為研究對(duì)象,31水平軌道運(yùn)輸大巷主要布置于L7灰?guī)r及下部的砂質(zhì)泥巖中,上距二1煤層距離為23 m。
原支護(hù)如圖1所示。①巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面為18.8 m2,凈斷面為16.1 m2,斷面凈高為3 930 mm,凈寬為4 700 mm,其中墻高為1 800 mm,拱部?jī)舾邽? 350 mm,基礎(chǔ)深度為100 mm。②支護(hù)方式:錨網(wǎng)(索)+噴漿支護(hù)。③錨桿規(guī)格:D20 mm×2 000 mm,間排距700 mm×700 mm,三花布置,每孔裝樹脂藥卷2卷;托盤規(guī)格10 mm×100 mm×100 mm,錨固力符合設(shè)計(jì)要求(≥50 kN);金屬網(wǎng)規(guī)格D6.5 mm×1 000 mm×2 000 mm,搭接長(zhǎng)度100 mm,12號(hào)鐵絲每200 mm綁扎1道。噴射混凝土標(biāo)號(hào)為C15,厚度120 mm。④錨索間排距為3 000 mm×3 000 mm,錨索長(zhǎng)為6 000 mm,直徑為15.24 mm,托盤規(guī)格為:300 mm×300 mm×10 mm。
圖1 巷道原支護(hù)方式(mm)
1) 支護(hù)參數(shù)。①錨桿參數(shù)選擇。錨桿采用左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,規(guī)格:D22 mm×2 200 mm加長(zhǎng)錨固,預(yù)應(yīng)力100 kN;頂板和兩幫采用加長(zhǎng)錨固,用Z2355樹脂錨固劑2卷,錨固長(zhǎng)度1 m;錨桿的間排距也取700 mm×700 mm。②錨注材料的選擇。注漿錨桿選用外徑22 mm,壁厚3.0 mm冷拔無銹鋼管,長(zhǎng)度2 500 mm;為便于注漿,在錨桿上鉆有交叉布置的D6 mm出漿孔;錨桿端部切有M22細(xì)牙螺紋,螺紋長(zhǎng)30 mm。注漿孔布置間距700 mm,排距1 400 mm。③錨索、注漿錨索材料的選擇。普通錨索規(guī)格:D17.8 mm×8 000 mm,強(qiáng)度1 860 N/mm2,最低破斷荷載353 kN,1支K2850樹脂錨固劑,3支Z2850樹脂錨固劑,錨索間排距1 400 mm。注漿錨索選用高強(qiáng)度螺旋肋預(yù)應(yīng)力錨索,規(guī)格D22.6 mm中空注漿錨索,極限破斷強(qiáng)度420 kN,長(zhǎng)度選取8 000 mm,兩底角設(shè)置錨索各1根,下扎30°?;炷练垂绊艔?qiáng)度等級(jí)C20,支護(hù)方案如圖2所示。
圖2 “支-護(hù)-注”協(xié)同支護(hù)方案(mm)
2) “支-護(hù)-注”協(xié)同錨固優(yōu)化設(shè)計(jì)。①“支-護(hù)-注”協(xié)同支護(hù)技術(shù)試用的范圍:跨度大于5 m的Ⅲ類圍巖巷道;Ⅳ~Ⅴ類圍巖巷道;斷面在15 m2以上的巖石巷道;跨度大于5 m的硐室;穿越破碎帶的巖石巷道;復(fù)修巷道且圍巖松動(dòng)圈大于1 m以上等類型的巷道。②深淺搭配注漿原理。根據(jù)實(shí)測(cè)的圍巖松散破碎情況,針對(duì)破碎延伸帶3.5~10 m范圍的巷道,實(shí)施深淺部裂隙巖體交叉、組合均布注漿技術(shù)。先用“自固、內(nèi)自閉注漿錨桿”進(jìn)行全斷面淺部注漿(注漿擴(kuò)散范圍在3.5~5 m),待淺部圍巖得到有效加固后,再實(shí)施中空注漿錨索進(jìn)行深部注漿加固[8]。淺孔注漿采用高性能單液水泥-水玻璃漿液,強(qiáng)度不低于20 MPa;深孔注漿采用高滲透、高強(qiáng)水泥漿液,強(qiáng)度不低于30 MPa。③底腳注漿錨桿[15]。規(guī)格同頂板注漿錨桿,間距700 mm×700 mm,排距1 500 mm;距離底板高度不超過100 mm,下扎30~45°。④噴射混凝土:初噴厚度70~80 mm,復(fù)噴厚度50~70 mm,強(qiáng)度等級(jí)C20。
在31水平軌道運(yùn)輸大巷實(shí)施新的支護(hù)方案后,布置3組觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示。曲線表明,在采用優(yōu)化方案后,巷道變形速率明顯降低,并在較短的時(shí)間內(nèi)圍巖變形趨于收斂,底鼓量和兩幫收斂量也得到明顯的控制,新方案取得良好的支護(hù)效果,如圖4所示。
圖3 巷道新支護(hù)方案的變形曲線
圖4 支護(hù)效果
1) “支-護(hù)-注”協(xié)同支護(hù)技術(shù)的核心是預(yù)留空隙、封層置換和均布注漿技術(shù)的協(xié)同配合使用。充分發(fā)揮圍巖的自承能力,提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力和適應(yīng)性,提高圍巖的整體性和自承載能力。
2) 當(dāng)錨桿與錨索產(chǎn)生協(xié)同效果時(shí),圍巖收斂性明顯減小,應(yīng)力分布均勻改善了巷道周圍的應(yīng)力集中。結(jié)果表明,當(dāng)錨索施加3~4倍錨桿預(yù)應(yīng)力時(shí)具有較好的協(xié)同效應(yīng)。
3) “支-護(hù)-注”協(xié)同支護(hù)的原則是優(yōu)化斷面,提前加大松散圍巖的清理力度,合力擴(kuò)大巷道的毛斷面,預(yù)留變形空間,對(duì)于含膨脹底軟地段,考慮底板實(shí)施反拱措施。著重加強(qiáng)兩幫肩腳的控制,維護(hù)頂板和底板的穩(wěn)定。
4) 對(duì)強(qiáng)流變、膨脹性軟巖,要及時(shí)封閉圍巖表面,做好防水措施,加強(qiáng)防護(hù)。重視錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力,增強(qiáng)其與圍巖加固圈的共同協(xié)同支護(hù)能力。