趙呈星，李英明，劉 剛,3，黃順杰

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院,安徽 淮南 232001；2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室,安徽 淮南 232001；3.黑龍江科技大學(xué) 煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引 言

為有效解決深部軟巖巷道圍巖控制問題，國內(nèi)外學(xué)者對深部軟巖巷道圍巖控制理論及方法展開了大量的研究[1-3]，并提出采用具有增阻讓壓的主動支護結(jié)構(gòu)作為一次支護結(jié)構(gòu)，再及時地進行二次支護提高支護強度的方法能夠保證深部軟巖巷道的穩(wěn)定[5-6]。然而要保證深部軟巖巷道的穩(wěn)定，一次支護結(jié)構(gòu)及二次支護結(jié)構(gòu)需與圍巖形成承載共同體，余偉健等[7]針對“錨噴網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護方案提出了疊加拱承載體強度理論并結(jié)合錨桿的中性點理論及錨索的力傳遞機制理論推導(dǎo)出疊加拱承載體強度計算方程；文獻[8]采用室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬的方法對深部巷道圍巖的破壞特征展開了研究，提出了“混凝土噴射+中空注漿錨索+深孔全長注漿錨桿”聯(lián)合支護方案，并通過現(xiàn)場試驗驗證了支護方案的可行性，但未對該聯(lián)合支護技術(shù)方案進行理論分析，缺乏一定的理論基礎(chǔ)支撐。文獻[9]在圍巖流變變形條件下建立了圍巖-支護相互作用模型，并推演了圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用過程，驗證了混凝土支護結(jié)構(gòu)在一定條件下能夠維持軟巖巷道的穩(wěn)定。文獻[10]以顧北煤礦軟巖巷道為例提出了一種聯(lián)合支護加固技術(shù)，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明該聯(lián)合支護技術(shù)能夠維持軟巖巷道的穩(wěn)定。文獻[11]采用理論分析及FLAC3D數(shù)值模擬研究提出了軟弱圍巖斜井的修復(fù)控制技術(shù)。文獻[12]以梁家煤礦為工程背景對深部軟巖道圍巖變形特征進行了研究，并提出采用承壓混凝土(CC)支撐結(jié)構(gòu)維持巷道穩(wěn)定。

綜上，對于深部軟巖巷道圍巖控制已取得了較多成果，但由于深部軟巖巷道賦存條件復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)不同的圍巖賦存特征采取合理的支護方案[13-14]。因此，在以往研究成果[15-18]的基礎(chǔ)上以信湖煤礦一水平井底車場的回風(fēng)石門為研究對象，在分析了深部軟巖巷道的圍巖賦存條件、變形破壞特征以及原有支護方案已難以維持現(xiàn)掘巷道穩(wěn)定的條件下提出了“混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索”聯(lián)合支護方案，并采用FLAC3D數(shù)值模擬以及現(xiàn)場工業(yè)性試驗驗證支護方案的可靠性。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

淮北礦業(yè)集團信湖煤礦設(shè)計年產(chǎn)量為300萬t，一水平標(biāo)高為-967 m，二水平標(biāo)高為-1 200 m，是淮北礦業(yè)集團目前首個新建千米深井。為分析總結(jié)深部軟巖巷道變形破壞特征及影響因素，選取信湖煤礦一水平井底車場北部的回風(fēng)石門進行研究，如圖1所示。

圖1 回風(fēng)石門位置示意

該巷道埋深952 m，設(shè)計全長1 018 m，斷面為直墻半圓拱形，掘進高度4.8 m，掘進寬度5.4 m，斷面凈面積21.0 m2，根據(jù)現(xiàn)場勘探資料可知，該石門已掘進124 m，未掘進894 m，同時在施工過程中巷道將揭露大量斷層，受斷層影響，局部裂隙發(fā)育，巷道圍巖以粉砂巖、泥巖為主，巖層傾角為5°～13°，屬于典型的深埋軟巖巷道，圍巖柱狀如圖2所示。

圖2 圍巖綜合柱狀圖

1.2 巷道變形特征及影響因素

圖3 回風(fēng)石門兩幫移近量

通過室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場調(diào)研，可知該回風(fēng)石門變形失穩(wěn)的具體影響因素有：

1)埋深大。該回風(fēng)石門埋深為952 m，屬于深井巷道，地應(yīng)力較大。在地應(yīng)力較大情況下圍巖變得松散破碎且局部巖層裂隙發(fā)育，在上覆壓力作用下巷道圍巖整體變形嚴(yán)重。

2)巷道圍巖強度低。由圖2可知，巷道圍巖以泥巖、粉砂巖為主。同時對巷道圍巖進行物理力學(xué)參數(shù)實驗測定，結(jié)果見表1：泥巖及粉砂巖抗壓強度分別為29.6、34.1 MPa，圍巖強度低，穩(wěn)定性差。

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3)巷道掘進方式。巷道采用鉆眼爆破掘進，圍巖受到爆破影響出現(xiàn)松動破碎，導(dǎo)致巷道周邊的淺部圍巖形成一定范圍的松動破碎圈。

4)不合理的巷道支護方式。原支護方案采取U型鋼支護及混凝土噴射的支護方式對巷道進行加固，但均屬于被動支護方式。由于支護方法單一且難以調(diào)動巷道深部圍巖自承能力從而導(dǎo)致巷道發(fā)生變形，不能長期維持巷道的穩(wěn)定。

2 巷道穩(wěn)定控制技術(shù)

由于信湖煤礦回風(fēng)石門為直墻半圓拱形巷道，為便于分析，根據(jù)當(dāng)量半徑折算法[19]，即：

a=k(s/π)1/2

(1)

式中:a為巷道當(dāng)量半徑，m；k為斷面形狀修正系數(shù)，直墻半圓拱形巷道k=1.10；s為實際巷道斷面積，m2。

所以可取信湖煤礦回風(fēng)石門的當(dāng)量半徑為2.84 m。又根據(jù)彈塑性理論，在相同的水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力的條件下，巷道的塑性區(qū)半徑R[20]可表示為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：p0為原巖應(yīng)力，MPa；pi為支護阻力，MPa；c為巖石黏聚力，MPa；φ為巖石內(nèi)摩擦角，(°)；u為巷道表面位移，mm；η為巷道圍巖剪漲梯度；μ為巖石泊松比；E及σc分別為圍巖的彈性模量及抗壓強度，MPa；K為側(cè)壓系數(shù)。

春節(jié)即將來臨，我向全國食品藥品監(jiān)管系統(tǒng)的干部職工及親屬們，向社會各界理解、關(guān)心、支持食品藥品監(jiān)管工作的朋友們，致以誠摯的問候和新春的祝福！

因此，巷道圍巖沿巷道表面至深部可依次劃分為：A為流動區(qū)；B為塑性區(qū)；C為彈性區(qū)；D為原巖應(yīng)力區(qū)，如圖4所示[21]。

從式(2)、式(3)可看出，支護阻力pi影響塑性區(qū)范圍R的大小及巷道表面位移u的大小，根據(jù)表1選取圍巖彈性模量E與抗壓強度σc分別為0.7 GPa、32 MPa，圍巖剪漲梯度及泊松比分別為2、0.25，圍巖黏聚力為3 MPa，內(nèi)摩擦角為33°，支護阻力pi為0～1 MPa，巷道原巖應(yīng)力p0為25.7 MPa，將上述參數(shù)代入式(2)、式(3)分別得到支護阻力pi與巷道表面位移u的關(guān)系曲線及支護阻力pi與塑性區(qū)半徑R的關(guān)系曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 支護阻力pi與巷道表面位移u的關(guān)系曲線

圖6 支護阻力pi與塑性區(qū)半徑R的關(guān)系曲線

從圖5、圖6可看出：當(dāng)原巖應(yīng)力一定時，巷道表面位移u及塑性區(qū)半徑R均隨著支護阻力pi的增大而減小，但巷道表面位移及塑性區(qū)半徑變化量隨著支護阻力的增大而減小，表明僅依靠增大支護阻力難以長期維持巷道穩(wěn)定。

同時，從式(2)、式(3)可看出巷道圍巖的黏聚力及內(nèi)摩擦角φ也影響巷道塑性區(qū)范圍及巷道表面位移的大小，現(xiàn)根據(jù)表1分別設(shè)置巷道原巖應(yīng)力為25.7 MPa，支護阻力為0.5 MPa，圍巖彈性模量與抗壓強度分別為0.7 GPa、32 MPa，圍巖剪漲梯度及泊松比分別為2、0.25，圍巖初始黏聚力為3 MPa，初始內(nèi)摩擦角為33°，代入式(2)、式(3)分別得到巷道圍巖黏聚力與巷道塑性區(qū)范圍、巷道表面位移的關(guān)系曲線及內(nèi)摩擦角與巷道塑性區(qū)范圍、巷道表面位移的關(guān)系曲線，如圖7、圖8所示。

圖7 圍巖黏聚力c與巷道塑性區(qū)范圍R、表面位移u的關(guān)系曲線

圖8 圍巖內(nèi)摩擦角φ與巷道塑性區(qū)范圍R、表面位移u的關(guān)系曲線

從圖7、圖8可看出，當(dāng)原巖應(yīng)力p0及圍巖內(nèi)摩擦角φ一定時，隨著巷道圍巖黏聚力c從3.0 MPa增大至5.0 MPa時，巷道表面位移從554 mm減小至296 mm，塑性區(qū)半徑從4.3 m減小至3.8 m；當(dāng)原巖應(yīng)力及圍巖內(nèi)摩擦角一定時，隨著內(nèi)摩擦角從33°增大至55°時，巷道表面位移從567 mm減小至162 mm，塑性區(qū)半徑從4.3 m減小至3.0 m，說明提高巷道圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角的大小能夠有效提高軟巖巷道的穩(wěn)定性。

綜上所述，增大圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角以及提高支護阻力均能有效控制巷道圍巖，但巷道表面位移及塑性區(qū)半徑的變化量隨著支護阻力的增大而減小，表明僅依靠增大支護阻力難以長期維持巷道穩(wěn)定，要在提高支護阻力的同時，盡可能增大圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角。因此，根據(jù)信湖煤礦回風(fēng)石門圍巖的賦存條件，確定巷道的穩(wěn)定機制如圖9所示。由于該巷道屬于深部軟巖巷道，受地應(yīng)力及巖性等因素的影響，破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)的邊界可隨時變換，即塑性區(qū)能發(fā)展成破碎區(qū)，彈性區(qū)能發(fā)展成塑性區(qū)。所以只能在增大支護阻力的同時，提高圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角的大小維持巷道穩(wěn)定。

圖9 巷道圍巖加固機制示意

按照上述分析可知，原有支護技術(shù)已不能長期控制巷道的穩(wěn)定，第一個原因是原采用的U型鋼支護屬于被動支護，不能有效調(diào)動圍巖的自承能力；第二個原因是隨著圍巖不斷變形，裂隙不斷增多，圍巖破碎區(qū)不斷增大，圍巖穩(wěn)定性逐漸變差。應(yīng)當(dāng)采取另一種巷道支護技術(shù)對回風(fēng)石門新掘巷道進行支護，避免巷道的多次返修，盡可能地在提高支護阻力的同時，增大圍巖黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，提高圍巖的自承能力。由圖5可知信湖煤礦回風(fēng)石門新掘巷道的塑性區(qū)半徑為4.5 m，結(jié)合文獻[22]的理論分析計算可得其流動區(qū)范圍為2.1 m，所以選用長度為2 600 mm，直徑為22 mm，間排距為800 mm×800 mm的螺紋鋼高強錨桿以及長度為2 800 mm，直徑為25 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm的注漿錨桿限制流動層的再次擴大，使得錨桿與圍巖形成小承載體；而為限制塑性區(qū)的發(fā)展以及減輕小承載體的負(fù)擔(dān)，采用長度為7 300 mm，直徑為21.8 mm，錨固長度為1 500 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索以及長度為7 000 mm，直徑為22 mm，間排距為2 400 mm×2 400 mm，錨固長度為1 000 mm的中空注漿錨索對巷道進行加固，其中，注漿錨索錨固段、普通錨索與圍巖共同形成一個大承載體，兩個支撐結(jié)構(gòu)共同支護巷道圍巖，實現(xiàn)組合支撐，雖然小承載體與大承載體間的圍巖在塑性區(qū)內(nèi)且整體表現(xiàn)為破碎離散并有擴大范圍的趨勢，但由于小承載體與大承載體的“擠壓”及注漿錨索的作用再次形成了拱形承載層，同時小承載體與大承載體“擠壓”作用使得該部分圍巖產(chǎn)生變形并轉(zhuǎn)化為變形能從而釋放圍巖中的膨脹能，減少圍巖有害變形的產(chǎn)生，所以該部分圍巖也成為整個承載結(jié)構(gòu)中的卸壓層，這樣不僅使得形成的承載結(jié)構(gòu)發(fā)揮出了承載能力，還有效提高了圍巖的自承能力，因此采用“混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索”聯(lián)合支護方式解決回風(fēng)石門的大變形問題，承載結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 承載結(jié)構(gòu)示意

考慮到在進行裝設(shè)錨桿、錨索前應(yīng)當(dāng)及時地密封圍巖，為后續(xù)施工提供準(zhǔn)備，所以應(yīng)當(dāng)對巷道進行混凝土噴射，第一次噴射厚度為50 mm，待保證第一層噴層達到強度要求后再裝設(shè)注漿錨桿及錨索，并對巷道表面位移進行觀測發(fā)現(xiàn)在注漿錨桿及錨索安裝完成后45 d巷道的表面位移速率趨于平緩，此時再及時安裝錨桿及注漿錨索，最后為防止錨桿、錨索被地下水腐蝕及其他因素影響，再裝設(shè)長度為2 400 mm，寬度為900 mm，網(wǎng)格規(guī)格為100 mms×100 mm的金屬網(wǎng)以及另一厚度為50 mm的混凝土噴射。因此，回風(fēng)石門的支護順序應(yīng)為：噴射50 mm厚度的混凝土→安裝注漿錨桿及錨索→安裝錨桿及注漿錨索→裝設(shè)金屬網(wǎng)→噴射50 mm厚度的混凝土，巷道支護斷面如圖11所示。

圖11 巷道支護斷面

3 FLAC3D數(shù)值模擬

為驗證該聯(lián)合支護方案的可靠性，利用FLAC3D建立數(shù)值模擬模型，如圖12所示。數(shù)值模擬模型的長度為50 m，寬度為50 m，高度為50 m，巷道斷面為直墻半圓拱形，高度為4.8 m，寬度為5.4 m，同時采用摩爾—庫倫準(zhǔn)則，模型邊界條件設(shè)置如下：模型底部設(shè)置固定，在X方向上左右表面的位移設(shè)置為0，在Y方向上前后表面的位移設(shè)置為0，巷道模擬深度為952 m，豎直應(yīng)力為25.7 MPa，側(cè)壓系數(shù)取1[22]。

圖12 數(shù)值模擬模型

巷道在支護前后的豎直位移云圖如圖13所示，水平位移云圖如圖14所示，由于受上覆壓力的影響，支護前巷道頂板最大下沉值280.0 mm，下沉嚴(yán)重，并且底鼓明顯，底鼓量最大值為311.5 mm，巷道兩幫最大移近量為249.4 mm；而在支護后巷道頂板最大下沉值為70.0 mm，底鼓量最大值為72.6 mm，巷道兩幫最大移近量為75.2 mm。通過比較發(fā)現(xiàn)巷道在支護后頂板的最大下沉值減少了75%，最大底鼓量減少了76.7%，同時，巷道兩幫的收斂率也降低了30.2%。

圖13 支護前后巷道豎直位移

圖14 支護前后巷道水平位移

而巷道在支護前后的塑性區(qū)分布如圖15所示，從圖中可看出巷道在經(jīng)過支護后塑性區(qū)范圍明顯減小，說明在經(jīng)過支護后巷道圍巖的整體強度明顯提高，僅有少部分圍巖處于剪切狀態(tài)。通過對數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，破壞主要發(fā)生在巷道淺部圍巖，在采用聯(lián)合支護方案 “混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索”后，圍巖塑性區(qū)范圍能夠保持穩(wěn)定，巷道圍巖得到有效控制。

圖15 巷道塑性區(qū)分布

4 工業(yè)性試驗

為驗證聯(lián)合支護方案的支護效果，分別觀測巷道在支護后的表面位移大小及圍巖內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況，通過對巷道變形及圍巖表面位移進行為期60 d的觀測(圖16)，巷道頂板下沉量開始逐漸增大至36 mm后趨于穩(wěn)定，巷道兩幫移近量逐漸增大至67 mm后趨于穩(wěn)定，圍巖表面變形小。

圖16 巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果

鉆孔窺視結(jié)果如圖17所示，從圖17可看出在采用聯(lián)合支護方案對巷道支護后圍巖完整性較好，巷道頂板、底板及兩幫圍巖在2.0 m范圍內(nèi)均無破壞，塑性區(qū)內(nèi)破碎圍巖經(jīng)注漿支護加固后整體性加強，巷道基本不需要返修，說明在采用聯(lián)合支護方案對回風(fēng)石門支護后，支護結(jié)構(gòu)與圍巖耦合充分，巷道圍巖穩(wěn)定性大幅度提高。

圖17 鉆孔窺視(2.0 m范圍內(nèi))

5 結(jié) 論

1)信湖煤礦一水平井底車場北部回風(fēng)石門屬于典型的深部軟巖巷道。巷道埋深為952 m，巷道整體變形嚴(yán)重；巷道圍巖強度低；受巷道掘進方式影響，圍巖出現(xiàn)一定范圍的松動圈。而原有的支護方式過于單一，不能長時間保持巷道穩(wěn)定，應(yīng)該采取更合理的支護方案解決問題。

2)為維持回風(fēng)石門新掘巷道的穩(wěn)定，提出了“混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索”聯(lián)合支護方案，對聯(lián)合支護機理進行了分析，結(jié)果表明：普通錨桿、注漿錨桿與圍巖形成小承載體；普通錨索、注漿錨索與圍巖共同形成一個大承載體，2個支撐結(jié)構(gòu)共同支護巷道圍巖，實現(xiàn)組合支撐以此控制巷道圍巖。

3)數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，采用 “混凝土噴射+注漿錨桿/錨索+普通錨桿/錨索” 聯(lián)合支護方案能夠有效控制信湖煤礦回風(fēng)石門新掘巷道的穩(wěn)定性，提高圍巖的自穩(wěn)能力，能夠長期保持巷道的穩(wěn)定，該聯(lián)合支護方案可為其他類似巷道支護提供一定參考。