魏世明，靳夢(mèng)帆，祿鑫琰，張澤升

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467000)

隨著煤礦開采深度的不斷增加，各種工程災(zāi)害也日趨增多，對(duì)深部資源的安全高效開采造成了巨大威脅[1-3]。深部巷道具有地應(yīng)力高、圍巖松軟破碎、變形速度大、變形量大等明顯特征[4，5]，為支護(hù)設(shè)計(jì)帶來嚴(yán)重困難，特別是對(duì)于服務(wù)年限較長(zhǎng)的煤礦基建硐室，其斷面尺寸相對(duì)較大，若支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，其圍巖變形甚至可使硐室完全閉合[6，7]。針對(duì)于深部軟巖支護(hù)的工程問題，采用常規(guī)錨桿、錨索或U型鋼棚、O型棚等被動(dòng)支護(hù)[8，9]，已經(jīng)無法滿足圍巖控制的要求，巷道變形破壞嚴(yán)重，維護(hù)成本高，甚至出現(xiàn)前掘后修的情況，嚴(yán)重制約了礦區(qū)高產(chǎn)高效的發(fā)展[10，11]。對(duì)此，研究人員提出了采用高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)技術(shù)來解決復(fù)雜困難條件下的巷道支護(hù)問題[12-18]。

但針對(duì)不同的地質(zhì)條件，圍巖變形特征不同，支護(hù)方案、錨注參數(shù)等均有較大差別，因此，針對(duì)特定條件下的軟巖巷道進(jìn)行圍巖變形特征分析及錨注技術(shù)的應(yīng)用研究很有必要。平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦(以下簡(jiǎn)稱“平煤十礦”)-320m第二變電所位于-320m水平東、西大巷交匯處的三角地帶，巷道全長(zhǎng)79m，布置在戊8煤層頂板的砂質(zhì)泥巖中。近年來由于礦壓顯現(xiàn)，巷道底板、兩幫出現(xiàn)大變形，頂、幫裂隙明顯，雖已對(duì)巷道進(jìn)行了多次大規(guī)模維修或局部挑頂，但并不能從根本上控制圍巖變形，給礦井的安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患[19]。本文研究高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)技術(shù)在該類巷道中的應(yīng)用，以從根本上實(shí)現(xiàn)軟弱、破碎圍巖巷道難以支護(hù)和破壞深度大的問題。

1 平煤十礦-320m第二變電所變形破壞特征

該巷道原采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，采用?20mm×2200mm等強(qiáng)樹脂錨桿，間排距700m×700m，掛網(wǎng)使用900mm×2900mm冷拔絲金屬網(wǎng)，噴層厚度100mm。巷道受采動(dòng)影響較大，已歷經(jīng)多次翻修，如擴(kuò)幫、拉底恢復(fù)等。經(jīng)打鉆測(cè)定，巷道圍巖松動(dòng)圈大于3m，錨桿長(zhǎng)度小于松動(dòng)圈范圍，導(dǎo)致巷道原支護(hù)完全失去效果。由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，巷道各區(qū)段位置變形差別較大，這是巖性不同所導(dǎo)致，雖然個(gè)別區(qū)域變形較小，但大部分區(qū)域變形嚴(yán)重，底板、兩幫出現(xiàn)了大變形，拱形頂和肩的位置出現(xiàn)裂隙，最寬達(dá)50mm。為進(jìn)一步準(zhǔn)確掌握變電所頂板圍巖裂隙發(fā)育的程度，利用鉆孔窺視儀對(duì)各深度巖層裂隙發(fā)育狀況進(jìn)行了觀測(cè)。

觀測(cè)結(jié)果表明，-320m第二變電所圍巖裂隙發(fā)育較多，且垂直于巖壁發(fā)育，縱向裂隙較少。0～2.4m之間裂隙較少，僅個(gè)別處出現(xiàn)裂隙，呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)條狀，這是由于原支護(hù)所采用的長(zhǎng)度為2.2m的錨桿維護(hù)了巷道淺層圍巖的完整性；2.5～5.8m 之間裂隙明顯增多，巖體較破碎，裂隙粗且長(zhǎng)，這是由于原支護(hù)中的錨桿長(zhǎng)度不足導(dǎo)致圍巖受壓出現(xiàn)裂隙，且壓力向里層傳遞，使裂隙逐漸發(fā)育；6.2～6.9m裂隙發(fā)育程度明顯降低，圍巖壓力向里傳遞時(shí)層層減弱，至6.2m的深度后壓力已不足以破壞巖體。

對(duì)-320m第二變電所軟弱圍巖變形破壞特征、大變形破壞機(jī)理進(jìn)行總結(jié)分析：

1)掉塊。巷道本身處于砂質(zhì)泥巖中，強(qiáng)度較低且巷道圍巖中存在大量裂隙，其受掘進(jìn)影響后裂隙進(jìn)一步發(fā)育，受重力、水或相鄰作業(yè)擾動(dòng)影響，巖體完整性趨向于不良發(fā)育，巖體或巖屑松動(dòng)、掉落。

2)膨脹破壞。砂質(zhì)泥巖中含有大量遇水膨脹的成分，巷道掘進(jìn)后應(yīng)力重新分布，裂隙進(jìn)一步發(fā)育，導(dǎo)致巷道與水接觸。圍巖遇水膨脹，強(qiáng)度降低，從而產(chǎn)生膨脹性破壞，進(jìn)而導(dǎo)致巷道向內(nèi)收斂，斷面變小，錨噴網(wǎng)支護(hù)的噴網(wǎng)層產(chǎn)生破壞，外部噴層受巖壁擠壓影響從巖壁剝離。

3)底板穩(wěn)定性差。由于對(duì)-320m第二變電所進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)未對(duì)巷道底角和底板采取任何支護(hù)措施，因此，當(dāng)巷道拱頂受壓的荷載向兩幫和底板傳遞時(shí)，直接導(dǎo)致了巷道底板和底角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而引發(fā)巷道底板底鼓、底角破壞，巷道底板失穩(wěn)后兩幫和拱頂?shù)膲毫M(jìn)一步增大，產(chǎn)生惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)全面破壞。個(gè)別區(qū)域的巷道底鼓量甚至達(dá)到1000mm。

4)原支護(hù)方式與圍巖變形特征不匹配。-320m第二變電所原支護(hù)采用的為錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿尺寸為?20mm×2200mm等強(qiáng)樹脂錨桿，端頭錨固型。從支護(hù)機(jī)理而言，該類型錨桿與巷道圍巖的破碎軟弱特性不相匹配，特別是當(dāng)圍巖變形量高于400mm時(shí)錨桿就會(huì)失去錨固力。而當(dāng)個(gè)別錨桿失去錨固力時(shí)就會(huì)使支護(hù)跨度增大，進(jìn)而導(dǎo)致周邊錨桿受力增加并破壞，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)域圍巖變形加劇，并最終造成巷道整體支護(hù)系統(tǒng)的毀滅性破壞。

根據(jù)上述分析，為解決平煤十礦-320m第二變電所支護(hù)困難的問題，首先就是要提高該區(qū)域破碎、軟弱巖體的殘余強(qiáng)度，并對(duì)底板和底角進(jìn)行加固處理，改變?cè)撓锏绹鷰r的變形破壞規(guī)律，因此，適合采用高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)技術(shù)。

2 錨注一體化支護(hù)方案數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D模擬軟件與原支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證錨注支護(hù)參數(shù)的可行性。模型尺寸為79m×30m×90m(長(zhǎng)×寬×高)，變電所為直墻半圓拱，斷面尺寸為6m×4m。結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況，煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型的四周側(cè)面和底部固定，按實(shí)際埋深480m施加應(yīng)力，上覆巖層容重取25kN/m3。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

模擬時(shí)選擇原支護(hù)與高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)方案相對(duì)比。對(duì)原支護(hù)方式進(jìn)行模擬時(shí)，選擇與現(xiàn)場(chǎng)相一致的支護(hù)方案，即采用?20mm×2200mm的等強(qiáng)樹脂錨桿，間排距為700mm×700mm，未對(duì)巷道底板進(jìn)行處理，單排錨桿數(shù)量為15根。采用高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)時(shí)，具體參數(shù)為：選擇高強(qiáng)樹脂錨桿，參數(shù)為?20mm×2000mm，間排距為700mm×700mm，底板布置無高強(qiáng)錨桿，單排錨桿數(shù)量為15根；注漿錨桿的參數(shù)為?25mm×2600mm，間排距為1400mm×700mm，注漿錨索的參數(shù)為?22mm×7300mm，間排距為1400mm×700mm，注漿錨桿、錨索交替布置于高強(qiáng)錨桿每排的中間，單排注漿錨桿9根，注漿錨索8根；底板使用?25mm×2600mm注漿錨桿，間排距為1000mm×700mm，單排底板注漿錨桿5根。通過提高注漿區(qū)域部分強(qiáng)度參數(shù)以實(shí)現(xiàn)注漿過程的模擬[20，21]，提高后的力學(xué)參數(shù)為：密度2400kg/m3，剪切模量3.42GPa，體積模量7.0GPa，抗拉強(qiáng)度1.3MPa，內(nèi)聚力2.3MPa，內(nèi)摩擦角20°。

垂直應(yīng)力分布的模擬結(jié)果如圖1所示。由圖1(a)可知，在原支護(hù)條件下，巷道周圍應(yīng)力集中明顯且應(yīng)力影響范圍較廣；由圖1(b)可知，在采取高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)時(shí)，應(yīng)力影響范圍明顯縮小，但巷道周圍的應(yīng)力集中程度反而有所增大，這主要是由于原支護(hù)時(shí)，根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果，錨桿承載范圍以內(nèi)的圍巖較完整，所以應(yīng)力集中明顯，但承載范圍以外的圍巖破碎嚴(yán)重，難以形成有效的承載體，故應(yīng)力集中程度較低，而錨注一體化支護(hù)由于使用了錨索且對(duì)兩幫及底板進(jìn)行了注漿加固，加固能力強(qiáng)且加固范圍廣，大幅度提高了圍巖的承載力，所以應(yīng)力影響范圍小但應(yīng)力集中程度有所增大，但總體而言，數(shù)值模擬結(jié)果表明錨注一體化支護(hù)對(duì)變電所周圍受力有明顯的改善作用。

圖1 垂直應(yīng)力分布

塑性區(qū)的分布如圖2所示。由圖2可知，在原支護(hù)條件下，塑性區(qū)分布范圍大，尤其是底板處最為嚴(yán)重，擴(kuò)散深度達(dá)6m以上，在采取錨注一體化技術(shù)修復(fù)后，圍巖塑性區(qū)范圍較為均勻，擴(kuò)散深度僅2m，較原支護(hù)減少了66.7%，且深部巖體未發(fā)現(xiàn)明顯裂隙分布，底板狀況得到明顯改善，巷道呈現(xiàn)出均勻受壓的狀態(tài)。

圖2 塑性區(qū)分布

3 錨注一體化支護(hù)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用與效果分析

3.1 高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

-320m第二變電所按設(shè)計(jì)斷面擴(kuò)修后，分別選取兩段各30m長(zhǎng)巷道進(jìn)行錨噴支護(hù)和高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)的對(duì)比試驗(yàn)，如果錨注一體化效果明顯，則對(duì)全巷采取錨注施工[19]。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)主要分3個(gè)階段：①采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，選用?20mm×2000mm高強(qiáng)樹脂錨桿，間排距為700mm×700mm，采用2900mm×900mm的?4mm鋼筋網(wǎng)護(hù)表，對(duì)擴(kuò)幫刷頂后的巷道進(jìn)行噴漿，初噴厚度不低于100mm，強(qiáng)度C20；②采用錨注一體化支護(hù)，對(duì)巷道進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)加固。采用?25mm×2600mm中空注漿錨桿和?22mm×7300mm中空注漿錨索對(duì)圍巖進(jìn)行注漿永久支護(hù)，間排距為1400mm×700mm，注漿錨桿與注漿錨索位于高強(qiáng)樹脂錨桿排距中間交替布置。中空注漿錨桿預(yù)緊力不低于180kN，中空注漿錨索張拉預(yù)緊力不低于120kN，采用2900mm×900mm的?4mm鋼筋網(wǎng)護(hù)表，復(fù)噴噴漿厚度不低于50mm，強(qiáng)度C20。注漿材料為P.O42.5水泥漿液，注漿水灰比為1∶2，并添加8%(質(zhì)量比)ACZ-I型水泥注漿添加劑，注漿壓力頂板及兩幫控制在2～3MPa，底板控制在4～6MPa；二次注漿水灰比為1∶1，并添加8%(質(zhì)量比)ACZ-I型水泥注漿添加劑，注漿壓力控制在4～6MPa；③清理底板后采用混凝土層封閉底板。底板采用?25mm×2600mm中空注漿錨桿，間排距為1000mm×700mm，待施工完成后對(duì)底板打地坪，混凝土厚度300mm，強(qiáng)度C30。高強(qiáng)錨注一體化技術(shù)支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)方案(mm)

3.2 支護(hù)效果

對(duì)非錨注段和高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)段巷道的頂?shù)装寮皟蓭褪諗恐颠M(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，非錨注段在兩個(gè)月內(nèi)收斂值達(dá)到了近300mm，并且從趨勢(shì)看仍呈近似線性增長(zhǎng)，50d后仍未穩(wěn)定，而采用高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)段巷道在40d以后即趨于穩(wěn)定，兩幫及頂?shù)装寤緹o變形，變化量?jī)H在23mm左右，因此，采用高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)段巷道穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于非錨注段?，F(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)修后對(duì)-320m第二變電所再采用高強(qiáng)錨注一體化技術(shù)修復(fù)后效果明顯。

圖4 -320m第二變電所兩幫、頂?shù)装迨諗恐祵?duì)比

4 結(jié) 論

1)平煤十礦-320m第二變電所處在砂質(zhì)泥巖中，圍巖強(qiáng)度低、裂隙發(fā)育、遇水膨脹，屬典型的軟巖巷道，且由于該巷道現(xiàn)有支護(hù)方式不能與圍巖變形相適應(yīng)，因此經(jīng)常性地出現(xiàn)底腳破壞、底鼓嚴(yán)重、兩幫移近明顯等破壞特征，因此，對(duì)巷道采用高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)進(jìn)行徹底修復(fù)顯得尤為必要。

2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)后，應(yīng)力影響范圍、頂板下沉、底鼓及兩幫移近量與原支護(hù)相比均有明顯的下降，底板塑性區(qū)深度也由原支護(hù)的6m降低為2m左右，數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)技術(shù)的有效性。

3)實(shí)際采用高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)技術(shù)后，巷道在40d左右即達(dá)到穩(wěn)定，兩幫及頂?shù)装寤静辉僮冃?，維持在23mm左右，而非錨注段巷道60d后變形量達(dá)到300mm左右且仍呈線性增加，表明在該條件下采用高強(qiáng)錨注一體化支護(hù)技術(shù)具有明顯的效果。