史麗剛

（汾西礦業(yè)靈北煤礦，山西 靈石 031302）

引言

煤炭行業(yè)的巷道年長(zhǎng)度達(dá)到6 000 km，其中10%以上是軟巖巷道。我國(guó)約有30 個(gè)井場(chǎng)存在軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題，給數(shù)百個(gè)煤礦的生產(chǎn)建設(shè)帶來(lái)了技術(shù)難題[1]。這種類(lèi)型的巷道在開(kāi)采時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力急劇增加，往往超過(guò)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致巷道在使用期內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的巖石變形[2]，變形范圍從幾百毫米到2 000 mm，圍巖變形速率可超過(guò)100 mm/d[3]，特別是在動(dòng)壓、軟巖巷道和深豎井條件下，變形問(wèn)題更加嚴(yán)重。大變形問(wèn)題不僅增加了支護(hù)成本，而且造成連續(xù)開(kāi)挖困難，嚴(yán)重影響煤礦的正常生產(chǎn)。因此，煤礦巷道支護(hù)是地下工程中最復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題之一，也是地下資源挖掘的根本問(wèn)題之一。

目前，支護(hù)體系有混凝土襯砌、鋼網(wǎng)、噴射混凝土和U型鋼或鋼支撐，錨桿和錨索，圍巖灌漿，組合式支架支護(hù)等，其中U型鋼可壓縮支架特別適用于周邊壓力較弱的巷道，因此被廣泛用于巷道的初步支護(hù)挖掘，為補(bǔ)充直墻半圓拱型（U型）鋼支護(hù)技術(shù)、發(fā)展一種適應(yīng)直墻半圓拱型（U型）鋼抗壓特性的阻尼層與直墻半圓拱型（U型）鋼組合支護(hù)技術(shù)具有重要意義。

1 場(chǎng)地的地質(zhì)及工程特征

山西某煤礦，20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)，年產(chǎn)量400 萬(wàn)t。新北翼軌道巷道為主要運(yùn)輸路線，埋深超過(guò)700 m，頂板巖層為泥巖。原設(shè)計(jì)為籃柄拱，凈寬5 m，凈高4.3 m，采用錨網(wǎng)噴射混凝土作為支護(hù)。受多次橫切開(kāi)采影響，巷道變形嚴(yán)重（見(jiàn)圖1），屋面表面開(kāi)裂、沉降，出現(xiàn)褶網(wǎng)，兩邊的地表都被破壞、塌陷、移位，地面隆起，兩側(cè)最大內(nèi)位移達(dá)到0.8 m，雷區(qū)正常運(yùn)輸受到明顯阻礙。

圖1 巷道變形圖

2 支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)該高應(yīng)力軟弱巷道變形特性的分析，提出了采用阻尼層、錨噴混凝土和U型鋼進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)的方案。從噴射混凝土、鋼網(wǎng)、錨桿、錨索支護(hù)開(kāi)始，增加U型鋼可壓縮性支護(hù)，提供一定的變形能力和穩(wěn)定的摩擦力。為保證可壓縮支座的收縮性能，在圍巖與U型鋼之間插入高抗壓性能的泡沫混凝土。圖2 描繪了支撐的形式，各支撐元件的功能說(shuō)明如下：

圖2 阻尼層錨噴聯(lián)合支護(hù)方案

1）噴射混凝土、鋼網(wǎng)、錨桿、錨索初始支護(hù)：噴射混凝土對(duì)圍巖進(jìn)行密封[4]，防止圍巖力學(xué)性能惡化，同時(shí)保證與軟弱圍巖緊密結(jié)合，其力學(xué)性能見(jiàn)下頁(yè)表1。

表1 混凝土、圍巖、錨桿（索）的力學(xué)參數(shù)

2）可壓縮U型鋼支架：采用全封閉U型鋼可壓縮支架，確保巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性。

3）泡沫混凝土阻尼層：泡沫混凝土是一種由封閉單元結(jié)構(gòu)組成的輕質(zhì)混凝土材料，這使得它具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如高流動(dòng)性、自重低、骨料消耗少、控制強(qiáng)度低、彈性模量低等。根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本研究使用的泡沫混凝土密度為500 kg/m3，其相關(guān)的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 泡沫混凝土的力學(xué)性能

4）裂隙巖墊層：使地板上的U型鋼在保持整體穩(wěn)定性的同時(shí)保持可壓縮性[5]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和監(jiān)測(cè)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

第一步，斷面掘進(jìn)：采用鉆爆法對(duì)巷道進(jìn)行漂移，先后采用微差爆破技術(shù)、人工手鉆和錘頭鉆對(duì)破碎的周邊進(jìn)行清理。

第二步，錨固網(wǎng)-噴射混凝土初始支護(hù)：將噴射混凝土、鋼網(wǎng)、錨桿和錨索組合形成初始支護(hù)支持。螺栓錨固力不小于100 kN，預(yù)拉力不小于150 N·m，暴露螺母長(zhǎng)度在30～100 mm 之間。樹(shù)脂錨的錨固力不小于180 kN，暴露長(zhǎng)度小于260 mm。鋼網(wǎng)互相搭接，以一個(gè)網(wǎng)的長(zhǎng)度重疊，網(wǎng)片由12 號(hào)鋼絲連接。

第三步，可壓縮U型鋼支撐：當(dāng)?shù)匕灞惶顫M砂石時(shí)，吊臂和頂拱由腳手架上的工人建造，中央頂部和中央凹由木板或帶有背板和楔形木材的橋墩緊密連接（場(chǎng)地條件允許以這種方式建造樓板拱）。

第四步，在巷道自下而上設(shè)置雙層塑料網(wǎng)和風(fēng)管布：?jiǎn)未尾挤砰L(zhǎng)度為20 跨，底部一排的塑料網(wǎng)和風(fēng)管布穿透地板約500 mm，其他幾排從下往上鋪設(shè)。相鄰的塑料網(wǎng)和風(fēng)管布覆蓋100 mm，并在兩側(cè)被交替放置，每行高度1～1.5 m。

第五步，泡沫混凝土回填阻尼層：在U型鋼支座與初始支座之間的縫隙中加入泡沫混凝土，單個(gè)回填長(zhǎng)度小于20 跨，回填從下往上，再?gòu)纳贤拢ㄒ?jiàn)圖3）。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量操作計(jì)劃

選擇沿新北翼軌道巷道最大變形位置，設(shè)置多個(gè)位移計(jì)來(lái)測(cè)量圍巖較深部分的位移。安裝壓力傳感器和鋼筋應(yīng)力計(jì)，測(cè)量圍巖壓力和U型鋼支架的力。測(cè)試方案如下：

1）多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)深部位移：三個(gè)鉆孔位于變形最大處，將其中兩個(gè)鉆孔設(shè)于一側(cè)，深度為28 mm，將另一個(gè)鉆孔設(shè)于另一側(cè)，深度為10 m。在巷道壁面1 m、2 m、5 m、10 m 和25 m 處分別安裝多點(diǎn)位移傳感器和量具。

2）采用鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)U型鋼拱架受力：分別在最大變形處的剖面左樓拱、左拱、拱頂、右拱、右樓拱的U型鋼支座上設(shè)置鋼筋應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)的總數(shù)為15 個(gè)。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.3.1 深部圍巖位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

下頁(yè)圖4-1 為監(jiān)測(cè)深部圍巖的多點(diǎn)位移計(jì)示意圖。從圖中可以看出，巷道開(kāi)挖后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間都有不同程度的增加。選擇變形最大處進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)初期，由于安裝多點(diǎn)位移計(jì)后，鉆孔內(nèi)的漿液未得到固化，導(dǎo)致深部圍巖位移變化較小。安裝后5～20 d，排水量迅速增加；安裝20 d 后，深部圍巖位移的增加速率雖然仍在增加，但有所減緩。從最大位移點(diǎn)的變形曲線可以看出，鉆孔處圍巖變形最大，最大可達(dá)30 mm。

3.3.2 U型鋼受力監(jiān)測(cè)結(jié)果

下頁(yè)圖4-2 顯示了U型鋼所承受的監(jiān)測(cè)力示意圖。由圖可知：在支撐體系形成后的前20 d 內(nèi)，U型鋼所承受的力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)；20 d 后，增加的趨勢(shì)減小，U型鋼所承受的力增加緩慢。圍巖深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果與圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合，因?yàn)樵谙锏雷髠?cè)發(fā)生大的位移和圍巖壓力時(shí)，U型鋼左側(cè)承受的力較大。然而，U型鋼支撐的整體力是均勻的，U型鋼承受的最大力為120 kN，這比滑動(dòng)所需的最小摩擦力要小。從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，U型鋼連接處未出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

圖4 巷道位移和U型支護(hù)受力圖

4 結(jié)論

由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可知，用具有優(yōu)異力學(xué)性能和適宜連接強(qiáng)度的可收縮填充材料對(duì)后支架空間進(jìn)行回填時(shí)，支架的集中、偏心不均勻荷載轉(zhuǎn)化為均勻荷載。圍巖、回填與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)協(xié)同的機(jī)械承載體系，充分利用了支護(hù)與圍巖的承載能力，有效控制了圍巖松動(dòng)帶的擴(kuò)張和圍巖的位移，提高了巷道的穩(wěn)定性，由此驗(yàn)證了本文提出的聯(lián)合支護(hù)措施在煤礦井下大變形巷道支護(hù)中的有效性。