董 越

（煙臺(tái)市鑫蓬礦山工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

軟巖巷道圍巖支護(hù)是國(guó)內(nèi)外巷道支護(hù)的難點(diǎn)，隨著軟巖巷道在礦井開(kāi)采中所占比例的不斷增加，對(duì)其支護(hù)技術(shù)的研究也受眾多專家的關(guān)注[1-5]。由于井下巷道圍巖賦存環(huán)境及物理力學(xué)參數(shù)差異性較大，采用工程類比法或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)圍巖支護(hù)方案往往效果不好。本文采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探究軟巖巷道圍巖的支護(hù)技術(shù)，為類似工程地質(zhì)條件下巷道支護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

西直格莊金礦礦區(qū)位于秦嶺-大別-蘇魯造山帶（Ⅰ）膠南-威海隆起區(qū)Ⅳ（Ⅱ）威海隆起Ⅳb（Ⅲ）乳山-榮城斷?、鬮2（Ⅳ）昆崳山-乳山凸起Ⅳb22（Ⅴ），牟（平）～乳（山）金成礦帶的中部，金牛山主斷裂西側(cè)，西直格莊斷裂東側(cè)。該區(qū)巖漿巖極為發(fā)育，斷裂構(gòu)造發(fā)育，形成以北東向和北北東向斷裂為主的構(gòu)造格架。區(qū)內(nèi)出露地層較為簡(jiǎn)單，主要為古元古界荊山群陡崖組和新生界第四紀(jì)地層。

采準(zhǔn)巷道一般采用的凈斷面為4.5 m×3.7 m，原支護(hù)方式采用錨網(wǎng)噴支護(hù)。采用螺紋鋼錨桿，錨桿長(zhǎng)為1.8 m，直徑為20 mm，錨桿間排距為800 mm×800 mm；鋪設(shè)直徑6 mm、長(zhǎng)× 寬=2000 mm×1000 mm 的六邊形金屬鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度為100 mm；噴射混凝土厚度為50 mm。支護(hù)方式如圖1。

圖1 巷道支護(hù)方案圖（mm）

通過(guò)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分圍巖風(fēng)化程度較大，裂隙中填充的綠泥石、泥質(zhì)灰?guī)r在裂隙水的影響下發(fā)生膨脹，使得裂隙越發(fā)明顯，圍巖穩(wěn)定性極差，并且原支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，采用單一的支護(hù)形式不能保障支護(hù)安全。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模擬方案

以采準(zhǔn)巷道為對(duì)象，利用FLAC3D數(shù)值軟件對(duì)三種不同支護(hù)方案下的巷道圍巖變形進(jìn)行研究分析，分別為：

支護(hù)方案一：巷道無(wú)支護(hù)技術(shù)；

支護(hù)方案二：巷道原支護(hù)方案；

支護(hù)方案三：錨桿索聯(lián)合支護(hù)方案。

（1）頂板支護(hù)。頂板錨桿采用Φ20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿排距800 mm，間距800 mm；每根螺紋鋼錨桿配套規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm 的可調(diào)心拱形高強(qiáng)度托盤(pán)，球形墊圈配減摩墊圈疊加安裝；每根錨桿配套使用兩支藥卷，上部一支為CK2355 的藥卷，下部一支為K2355 的藥卷；每排錨桿配套使用BHW280-4.5×4800 mm的鋼帶。

錨索采用Φ15 mm×6400 mm 的高強(qiáng)度低預(yù)應(yīng)力錨索，采用非對(duì)稱布設(shè)形式。錨索托板采用長(zhǎng)×寬×厚=300 mm×300 mm×14 mm 的拱形高強(qiáng)度鐵板，球形墊圈配減摩墊圈疊加安裝；每根錨索配套使用三支藥卷，上部一支為CK2355 的藥卷，下部?jī)芍镵2355 的藥卷。

（2）幫錨支護(hù)。兩幫采用Φ18 mm×1800 mm的螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，間距900 mm，排距800 mm；每根錨桿配套使用兩支K2355 樹(shù)脂藥卷；錨桿安裝時(shí)采用BHW280-4.5×400mm 的鋼帶托板與150 mm×150 mm×10 mm 的可調(diào)心拱形高強(qiáng)度托盤(pán)，球形墊圈配減摩墊圈疊加安裝，鋼帶托板要密貼煤幫，不松動(dòng)。

2.2 模型建立

所建模型的尺寸長(zhǎng)× 寬× 高為45 m×10 m×30 m，模型總共114 252 個(gè)實(shí)體單元，119 781個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。在模型中，錨桿采用cable 單元進(jìn)行模擬，混凝土襯砌采用實(shí)體單元Elastic 模型，采用莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。所建模型如圖2。

圖2 計(jì)算模型圖

模型前后左右邊界均設(shè)置為水平約束力；模型的底面設(shè)置為固定約束邊界，使其在任何方向上部發(fā)生位移；模型三維頂部設(shè)置為自由邊界，施加等效荷載。

各巖層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.3 結(jié)果與分析

為了觀察巷道開(kāi)挖后整體豎向、水平位移量，在此段巷道布設(shè)8 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，并在每個(gè)斷面的頂板、兩幫中點(diǎn)設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。將三種支護(hù)方案下各斷面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖3。

圖3 巷道圍巖變形曲線圖

由圖3 可以看出，巷道采用無(wú)支護(hù)下，最大豎向位移值為73.5 mm，出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)斷面2 處，最大水平位移值為66.6 mm，出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)斷面1 處。巷道采用原支護(hù)技術(shù)（方案二）時(shí)，最大豎向位移值為54.1 mm，出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)斷面2 處，最大水平位移值為46.2 mm，出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)斷面2 處。巷道采用支護(hù)方案三時(shí)，最大豎向位移值為25 mm，出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)斷面1 處，最大水平位移值為23.2 mm，出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)斷面5 處。

通過(guò)比較三種方案下巷道的整體豎向位移和水平位移量可以看出，原支護(hù)方案下巷道圍巖變形得到一定的控制，相對(duì)無(wú)支護(hù)技術(shù)下，巷道變形量小。在斷面2 處，豎向變形量減少為27.2%。采用支護(hù)方案三后，圍巖豎向變形量為23.1 mm，相對(duì)無(wú)支護(hù)技術(shù)圍巖豎向變形量減少為69.0%。支護(hù)方案三的控制效果優(yōu)于方案二，可有效控制巷道的變形破壞。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

將錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于采準(zhǔn)巷道，并在巷道掘進(jìn)施工過(guò)程中采用“十字布點(diǎn)法”監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形情況。頂部測(cè)點(diǎn)布置在巷道中心線上，幫部測(cè)點(diǎn)布置在距巷道地面1 m 的位置處，頂幫測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面內(nèi)。底板監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用鐵釬，釘入底板圍巖內(nèi)的長(zhǎng)度為250 mm。圍巖觀測(cè)站按每周1 次進(jìn)行測(cè)讀和記錄。巷道變形曲線如圖4。

圖4 巷道變形曲線圖

由圖4 可以看出，在采準(zhǔn)巷道掘進(jìn)完成的前50 d，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形速率不斷增大，之后逐漸趨于穩(wěn)定。巷道頂板最大下沉量約為96.5 mm，相對(duì)較大，但頂板未出現(xiàn)破壞和冒落現(xiàn)象；巷道底板底鼓量最大約為75.1 mm，相對(duì)較小；巷道左、右?guī)蛧鷰r變形最大約為69.4 mm、55.1 mm。圍巖變形量均處于變形允許范圍內(nèi)，表明了聯(lián)合支護(hù)技術(shù)參數(shù)的合理性和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算可知，巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，巷道圍巖變形量相對(duì)無(wú)支護(hù)技術(shù)圍巖豎向變形量減少69.0%，巷道圍巖變形量明顯減小。

（2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，在巷道掘進(jìn)完成的50 d 后，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形逐漸趨于穩(wěn)定，圍巖變形破壞得到了有效控制，表明該支護(hù)技術(shù)的有效性。