劉玉衛(wèi)，商鐵林，張 沛，張亞峰，龔 劍，劉應(yīng)然

(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，陜西 榆林 719000； 4.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

我國(guó)注漿技術(shù)的研究與應(yīng)用相對(duì)較晚，20 世紀(jì)50年代初開(kāi)始起步，1996年錨注技術(shù)才發(fā)展起來(lái)，之后，在工程中進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用[1]。近幾年，錨注支護(hù)技術(shù)在斷層破碎、軟巖、高預(yù)應(yīng)力、沿空掘巷、高強(qiáng)支護(hù)等方面取得一定的進(jìn)展。潘銳[2]對(duì)深部巷道破碎圍巖錨注機(jī)制及控制效果進(jìn)行了研究，明確破碎巖體錨注支護(hù)機(jī)制；王輝[3]基于高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)對(duì)巷道穩(wěn)定性的研究，分析了新型中空注漿錨索、中空注漿錨桿、水泥注漿添加劑以及施工設(shè)備；張亮等[4-6]對(duì)不同的軟弱圍巖材料進(jìn)行了研究；耿耀強(qiáng)等[7-8]對(duì)斷層破碎區(qū)巷道錨注進(jìn)行了研究；張進(jìn)鵬等[9]基于預(yù)應(yīng)力錨和自應(yīng)力注的松軟煤體錨注加固方法，分析了新型預(yù)應(yīng)力錨注加固異型切眼的有效性；萬(wàn)軍等[10-12]對(duì)深井大埋深軟巖巷道的錨注支護(hù)技術(shù)及機(jī)理進(jìn)行了探索。

我國(guó)煤礦軟巖巷道比較多，錨注支護(hù)技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景[1]。蘆溝煤礦地處豫西三軟煤層礦區(qū)，煤巖層松軟破碎，且礦井屬于煤與瓦斯突出井，按照規(guī)范要求開(kāi)采前要對(duì)工作面進(jìn)行瓦斯疏放、施工底板瓦斯抽放巷，對(duì)區(qū)域瓦斯治理具有重要作用，因此開(kāi)展對(duì)底抽巷的穩(wěn)定性研究具有重要意義。

1 工程概況

蘆溝礦32141工作面位于該礦32采區(qū)西翼下部，為32采區(qū)第5個(gè)正規(guī)工作面，也是32081工作面的接替面。該面位于32運(yùn)輸下山以西，北部為32121工作面采空區(qū)，南部為魏寨斷層及其支斷層保護(hù)煤柱。工作面標(biāo)高-321～-261 m，地面標(biāo)高+215～+230 m，對(duì)應(yīng)地表東南部為五星水庫(kù)，西部為王家門，以南為馬溝村住房及村小學(xué)，北部為五星水庫(kù)及果園。工作面沿煤層走向布置，平均傾斜長(zhǎng)120 m、可采走向長(zhǎng)354 m，面積44 340 m2，煤層厚2.0～12.5 m，平均厚5.9 m，可采儲(chǔ)量35萬(wàn)t。32141底抽巷主要作為32141工作面掘進(jìn)前及回采前在二1煤層底板內(nèi)的瓦斯抽放巷，該巷位于32采區(qū)3條下山以西，32141探水巷外段以北(圖1)。

圖1 底抽巷工作面示意Fig.1 Floor drainage roadway working face

該巷設(shè)計(jì)工程量473 m，掘進(jìn)層位在L7-8灰?guī)r內(nèi)，底抽巷井下平均埋深526 m。

2 底抽巷原支護(hù)情況

32141底抽巷設(shè)計(jì)采用直墻半圓拱形和矩形斷面。當(dāng)巖層破碎或巷道頂板距離煤層底板距離小于10 m時(shí)，采用14 m2的U型鋼支護(hù)或U型鋼+錨網(wǎng)索；大于10 m段，采用全錨網(wǎng)支護(hù)。

(1)U型鋼支護(hù)(圖2)。原支護(hù)參數(shù)：U型鋼支護(hù)設(shè)計(jì)凈寬4.7 m、凈高3.5 m，掘進(jìn)寬度5.00 m、掘進(jìn)高度3.95 m，棚距600 mm，柱窩深度200 mm，梁腿搭接450 mm，菱形網(wǎng)、椽子護(hù)幫頂，椽子每棚34～40根，鐵拉桿每棚3套，卡纜每幫各3套，木鞋規(guī)格300 mm×200 mm×50 mm。

圖2 U型鋼支護(hù)Fig.2 U-steel supporting

(2)U型鋼+錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)(圖3)。原支護(hù)參數(shù)：半圓拱形部分每排打設(shè)5根錨桿，間距1.0 m，以半圓拱中線為中兩側(cè)對(duì)稱布置，每棚打設(shè)3根錨索，間距2.0 m，錨索規(guī)格為φ17.8 mm×6 200 mm(地質(zhì)條件變化時(shí)長(zhǎng)度變?yōu)? 200 mm)，排距與U型鋼棚距一致；兩幫每排打設(shè)3根錨桿，間距900mm，排距與U型鋼棚距一致，錨索為φ17.8mm×4 200 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線。錨桿為φ20 mm×2 400 mm的左旋無(wú)縱筋錨桿。

(3)全錨網(wǎng)支護(hù)段支護(hù)(圖4)。原支護(hù)參數(shù)：巷道斷面設(shè)計(jì)為矩形，斷面寬4.5 m、巷高3.0 m，排距0.8 m(遇圍巖堅(jiān)硬完整，調(diào)為1.0 m)，支護(hù)方式為全錨網(wǎng)支護(hù)。①頂板采用6根錨桿和3根錨索配合鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯子梁支護(hù)，錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm的左旋無(wú)縱筋錨桿，間排距800 mm×800 mm；頂錨索規(guī)格為φ17.8 mm×6 200 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(遇斷層及地質(zhì)破碎帶時(shí)長(zhǎng)度變?yōu)? 200 mm)，間排距1 500 mm×800 mm，以巷頂中線為中兩側(cè)對(duì)稱布置。②幫部錨桿間排距800 mm×800 mm，當(dāng)煤厚超過(guò)1.5 m時(shí)，在煤厚中間位置打設(shè)1根錨索，排距800 mm，幫部煤厚3 m時(shí)，以巷高中線為中上下對(duì)稱打設(shè)2根錨索，間排距為1 500 mm×800 mm，規(guī)格為φ17.8 mm×5 200 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，全巖段巷道幫部不再打設(shè)錨索。

圖3 U型鋼+錨網(wǎng)索支護(hù)Fig.3 U-steel+bolt & cable supporting

圖4 錨網(wǎng)索支護(hù)Fig.4 Bolt & cable supporting

3 32141底抽巷破壞分析

3.1 巖樣水理性分析

分別在32141上底抽巷掘進(jìn)面頂板、巷道上幫部距離頂幫角約1.2 m處和底抽巷底板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣(圖5)。

圖5 不同部位取樣Fig.5 Rock specimen of different parts

3種巖樣置水后情況如圖6所示。對(duì)于取于不同位置的3種巖樣置水后，由圖6(a)看出，40 min內(nèi)幫部炭質(zhì)泥巖和底板泥巖在遇水后立即發(fā)生了變化，特別是底板泥巖泥化現(xiàn)象嚴(yán)重；由圖6(b)、圖6(c)可以看出，10～20 min幫部炭質(zhì)泥巖發(fā)生崩解，沿層理破碎成小塊狀，底板泥巖繼續(xù)泥化，強(qiáng)度進(jìn)一步降低；由圖6(d)可以看出，40 min后幫部炭質(zhì)泥巖泥化程度更高，而底板泥巖則徹底泥化。頂板灰?guī)r從始至終卻沒(méi)有多大變化。

圖5 3種巖樣置水后情況Fig.6 Situation of three kinds of rock in water

3.2 巖樣電鏡掃描及礦物分析

對(duì)頂板砂巖進(jìn)行電鏡掃描顯示：在放大500倍時(shí)，可見(jiàn)樣品比較致密，裂隙較少；在放大3 000倍時(shí)，縫中見(jiàn)長(zhǎng)石晶體。巷幫炭質(zhì)泥巖電鏡掃描顯示：在放大500倍時(shí)，樣品相對(duì)比較致密；放大到3 000倍時(shí)，可觀察到5～10 μm的裂紋，連通較好，還可見(jiàn)片狀高嶺石及裂隙，繼續(xù)放大時(shí)可見(jiàn)粒表片狀伊蒙混層與溶蝕孔。巷道底板泥巖，電鏡掃描顯示：在放大500倍時(shí)，可觀察到5～10 μm的裂紋，連通較好，還可見(jiàn)片狀高嶺石及裂隙；放大到1 000倍時(shí)，可見(jiàn)粒表片狀伊蒙混層與溶蝕孔(圖7)。

根據(jù)對(duì)巷道炭質(zhì)泥巖和泥巖作的X射線衍射分析，可知炭質(zhì)泥巖和泥巖中黏土礦物含量高達(dá)78.6%，石英含量為14%，菱鐵礦、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石含量較少，分別為5.1%、1.6%和0.7%。黏土礦物中伊/蒙混層含量為51%，高嶺石和伊利石含量分別為45%和4%。

圖7 圍巖電鏡掃描Fig.7 SEM of surrounding rock

由此可知，巷道泥巖中伊/蒙混層含量為40.1%，可見(jiàn)該地段中泥巖膨脹性較強(qiáng)，遇水易膨脹、泥化，這是造成巷道大變形破壞的主要原因之一，泥巖主要由非晶態(tài)物質(zhì)組成，黏土礦物含量高達(dá)75%，并含有少量的菱鐵礦(1.8%)及云母(0.5%)。黏土礦物以高嶺石為主，含量高達(dá)83%，伊/蒙混層含量為16%，伊利石含量?jī)H為1%，具有一定的膨脹性。

4 底抽巷圍巖數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)采礦條件和數(shù)值模擬研究的重點(diǎn)，綜合考慮各方面因素，建立長(zhǎng)45 m、寬45 m、高 45 m平面應(yīng)變模型，共劃分12 960個(gè)單元，采用FLAC數(shù)值軟件進(jìn)行模擬[13-14]，如圖8所示。

圖8 數(shù)值模型Fig.8 Numerical model

數(shù)值計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，錨桿錨索力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，注漿后巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 計(jì)算模型的巖體力學(xué)參數(shù)Tab.1 Rock mass mechanical parameters

表2 錨桿錨索力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of bolt and cable

表3 注漿后巖體物理力學(xué)參數(shù)Tab.3 Rock mass mechanical parameters after grouting

4.1 模擬方案

結(jié)合32141工作面底抽巷的實(shí)際工程情況，選擇3種方案進(jìn)行模擬分析：①錨網(wǎng)+噴漿支護(hù)形式；②錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)形式；③錨網(wǎng)噴+錨索+錨注支護(hù)。

通過(guò)模擬[15]對(duì)比3種不同支護(hù)形式的水平、垂直位移得知，采用方案①支護(hù)，水平位移和垂直位移分別為167、164 mm；采用方案②，最大水平位移和垂直位移分別為150、141 mm，支護(hù)有所改善，但不明顯；采用方案③，最大水平位移和垂直位移分別為129、102 mm，位移降幅較大，說(shuō)明采用方案③支護(hù)效果更好。

4.2 注漿前后圍巖加固對(duì)比分析

(1)水平方向應(yīng)力分析。水平方向應(yīng)力云圖如圖9所示。由圖9(a)可知，在對(duì)圍巖實(shí)施錨桿注漿前，圍巖塑性區(qū)外圍易形成應(yīng)力集中區(qū)，最大水平應(yīng)力值28 MPa，在巷道兩幫為拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力0.16 MPa。從圖9(b)中可知，在實(shí)施錨桿注漿后，巷道圍巖塑性區(qū)外最大水平應(yīng)力為13.9 MPa，巷道兩幫拉應(yīng)力1.25 MPa，此時(shí)，錨桿和錨索均錨固在加固后的圍巖壓應(yīng)力區(qū)。

圖9 水平方向應(yīng)力云圖Fig.9 Horizontal stress nephogram

(2)垂直方向應(yīng)力分析。垂直方向應(yīng)力云圖如圖10所示。從圖10(a)可以看出，錨注前，在底抽巷兩幫塑性范圍內(nèi)垂直應(yīng)力下降形成卸壓區(qū)，而應(yīng)力集中區(qū)在塑性區(qū)外3～4 m形成，最大垂直應(yīng)力為21.6 MPa，巷道頂板應(yīng)力小于底板，底板拉應(yīng)力為0.22 MPa；從圖10(b)中可以看出，錨注后，在兩幫塑性區(qū)范圍內(nèi)形成卸壓區(qū)應(yīng)力降低，與錨注前相比較，底抽巷圍巖兩幫應(yīng)力增高區(qū)減小，應(yīng)力增高區(qū)在塑性區(qū)外1.0～2.0 m形成，最大應(yīng)力為22.4 MPa，巷道底板拉應(yīng)力為1.34 MPa大于頂板拉應(yīng)力值。

從巷道圍巖應(yīng)力分析結(jié)果看，錨注支護(hù)巷道圍巖的應(yīng)力比注漿前要低，這說(shuō)明實(shí)施錨注后破碎圍巖在漿液的作用下進(jìn)行了加固，提高了自身強(qiáng)度，有助于發(fā)揮圍巖自承載能力。

4.3 底板注漿加固分析

蘆溝礦32141底抽巷采用“錨網(wǎng)噴+錨索+錨注”支護(hù)技術(shù)，頂板、兩幫由于控制到位，應(yīng)力通過(guò)兩幫傳遞到巷道底板，底板在無(wú)支護(hù)的情況產(chǎn)生變形，變形向空區(qū)發(fā)展形成向上的壓力拱，這是造成巷道底鼓的根本原因[16-20]。所以，對(duì)實(shí)際支護(hù)時(shí)要重視巷道底板的控制，錨注能顯著增強(qiáng)巷道底板的強(qiáng)度。

圖10 垂直方向應(yīng)力云圖Fig.10 Vertical stress nephogram

從圖11可以看出，底抽巷底板在未進(jìn)行注漿加固以前，頂板和兩幫由于錨桿錨索的協(xié)同支護(hù)作用相對(duì)比較穩(wěn)定，由頂板傳遞下來(lái)的應(yīng)力通過(guò)兩幫向底板轉(zhuǎn)移，由于底板未進(jìn)行有效的控制，圍巖的變形主要向底板的臨空面運(yùn)動(dòng)，通過(guò)垂直和水平方向的位移矢量圖可以看出，巷道底板中心是運(yùn)動(dòng)最大值出現(xiàn)的地方，巷道底板中心垂直方向上鼓起的最大模擬值達(dá)到25 mm，巷道底板水平方向上鼓起最大模擬值達(dá)到了22 mm。由此可以看出：只對(duì)頂板和兩幫進(jìn)行有效支護(hù)，并不能穩(wěn)定地控制巷道圍巖運(yùn)動(dòng)，重視對(duì)底板圍巖的處理，控制圍巖變形從底板突破十分必要。

圖11 底板注漿前位移矢量圖Fig.11 Nephogram of floor before grouting

注漿加固后垂直應(yīng)力云圖如圖12所示。從圖12可以看出，通過(guò)注漿錨桿注漿后巷道底板圍巖的受力對(duì)稱、均勻，重心上移，配合頂板和兩幫穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，形成了一個(gè)共同的承載體系，充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，達(dá)到巷道的穩(wěn)定。

圖12 注漿加固后垂直應(yīng)力云圖Fig.12 Vertical stress nephogram after grouting

5 底抽巷錨注支護(hù)方案

根據(jù)蘆溝煤礦32141回采工作面下底抽巷變形破壞特點(diǎn)及模擬分析，采用“錨網(wǎng)噴+錨索+錨注”耦合支護(hù)方案(圖13)，以適應(yīng)圍巖的變形特征，最大限度地發(fā)揮圍巖的自承載能力。

圖13 錨網(wǎng)索噴+錨注支護(hù)方案Fig.13 Supporting scheme of bolt & cable+grouting

5.1 支護(hù)參數(shù)確定

32141底抽巷采用直墻半圓拱形斷面，凈寬5.0 m、凈高3.5 m，噴漿厚度150 mm。支護(hù)方式為全錨網(wǎng)(索)支護(hù)，巷道頂板采用錨桿(索)、鋼筋網(wǎng)(頂板破碎時(shí)采用菱形網(wǎng))，兩幫采用錨桿(索)、鋼筋網(wǎng)支護(hù)，底板幫腳采用錨桿和注漿錨桿支護(hù)。

(1)頂板錨桿錨索。桿體為20號(hào)左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，直徑20 mm，長(zhǎng)2.4 m。錨索為φ17.8 mm×6 000 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為1 200 mm×800 mm，以巷頂中線為中兩側(cè)對(duì)稱布置。

(2)兩幫錨桿(索)。桿體間排距600 mm×800 mm；兩幫各打設(shè)3根錨索，間距1 200 mm，排距800 mm，幫錨索規(guī)格為φ17.8 mm×3 000 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。錨桿間距0.6 m，每排9根錨桿，排距0.8 m。采用樹(shù)脂錨固，1支Z2350型錨固劑。鉆孔直徑28 mm，錨固長(zhǎng)度800 mm，實(shí)測(cè)錨固力可達(dá)80 kN以上。錨桿垂直巷道巖壁安裝，且要貼合。鋼筋托梁采用φ12 mm的鋼筋焊接而成，寬度80 mm，長(zhǎng)度3.4 m。在安裝錨桿的位置(間距800 mm)處焊上2段縱筋(間隔80 mm)連接，以便安裝錨桿。每環(huán)安裝2條鋼筋托梁，每條托梁連接一側(cè)的5根錨桿，2條鋼筋托梁從頂部搭接。采用煤礦現(xiàn)有托盤。金屬網(wǎng)1 200 mm×800 mm，采用φ6 mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)格為100 mm×100 mm。

噴漿混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，初噴層厚度80 mm，復(fù)噴厚度70 mm。

5.2 圍巖變形監(jiān)測(cè)分析

為了掌握巷道支護(hù)后的變形規(guī)律，在32141工作面底抽巷回風(fēng)巷布置了2個(gè)表面位移測(cè)試斷面，巷道圍巖表面的位移量觀測(cè)主要包括：巷道圍巖頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、兩幫相對(duì)移近量、頂板下沉量、底鼓量等，通過(guò)這些數(shù)據(jù)以便掌握圍巖變形的速率。測(cè)試結(jié)果如圖14所示。

通過(guò)圖14可知，底抽巷圍巖的底板下沉量最小，平均為22 mm；兩幫位移量相對(duì)較小，平均為85 mm，最大為90 mm；巷道的底鼓量相對(duì)較大，平均107 mm，最大115 mm；頂板下沉量則最小，平均為32 mm，最大僅39 mm。巷道錨注后兩幫平均變形速率僅0.388 mm/d，頂?shù)灼骄冃嗡俾蕛H0.649 mm/d。錨注支護(hù)有效提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，有效控制了深部高應(yīng)力極軟巖巷道的大變形，保證了巷道穩(wěn)定和礦井正常生產(chǎn)。

6 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)蘆溝礦32141工作面底抽巷圍巖分析可知，頂板巖性為層狀灰?guī)r且含化石云母，原巖應(yīng)力狀態(tài)巖石強(qiáng)度較高，受采掘活動(dòng)影響，易分層碎質(zhì)泥巖到泥巖的過(guò)渡，強(qiáng)度由強(qiáng)變軟，特別是遇水后強(qiáng)度降低更快，受頂板壓力的影響巷道底幫突出；底板裂，但單個(gè)巖塊強(qiáng)度依然比較高；兩幫自上而下為炭質(zhì)泥巖到泥巖的過(guò)渡，強(qiáng)度由強(qiáng)變軟，特別是遇水后強(qiáng)度降低更快，受頂板壓力的影響巷道底幫突出；底板巖性主要是泥巖，遇水變軟易膨脹，受兩幫傳遞的壓力，易造成底鼓，因此對(duì)底板適當(dāng)增加反底拱措施是底板圍巖穩(wěn)定控制的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。

圖14 測(cè)試斷面圍巖表面位移Fig.14 Displacement of surrounding rock surface

(2)由電鏡掃描和X衍射分析結(jié)果可知，幫部和底板的泥巖是此次圍巖控制的重點(diǎn)，泥巖成分主要以黏土為主，占70%以上，且含有高嶺石和伊利石等膨脹性礦物質(zhì)成分，在遇水后易軟化發(fā)生變形。因此，支護(hù)時(shí)要考慮圍巖的及時(shí)封閉，盡量做到少見(jiàn)水甚至不見(jiàn)水，以免影響圍巖控制質(zhì)量。

(3)由于32141底抽巷圍巖極其破碎，圍巖破碎范圍部分大于錨桿的長(zhǎng)度，降低了錨桿錨固力，難以形成有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)，圍巖變形量大，不得不采用幫部錨索共同支護(hù)。

(4)根據(jù)數(shù)值模擬分析可知，由于錨注漿液的膠結(jié)作用，使破碎圍巖重新膠結(jié)為一個(gè)整體，圍巖強(qiáng)度與自承能力得到了提高；而膠結(jié)后的圍巖整體有助于提高錨桿的錨固能力。

(5)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析可知，巷道實(shí)施錨注支護(hù)后，巷道圍巖兩幫移近量相對(duì)較小，底鼓量相對(duì)較大，頂板下沉量則最小，頂?shù)灼骄冃嗡俾蕛H為0.649 mm/d。可見(jiàn)錨注支護(hù)能有效控制深部高應(yīng)力極軟巖巷道的大變形。

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