賀奇峰

(霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200)

1 前言

隨著煤礦開采的深度增加、規(guī)模擴(kuò)大，巷道結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。當(dāng)巷道交叉點(diǎn)不可避免地設(shè)立在軟巖層甚至極軟巖層時(shí)，巷道返修率超過60%，常常出現(xiàn)頂層冒出、V形破壞等現(xiàn)象。這與巷道結(jié)構(gòu)、軟巖應(yīng)力變化以及支護(hù)設(shè)計(jì)都有密切的關(guān)系。為此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟巖巷道破碎圍巖的支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究。根據(jù)U型鋼特征，提出了以錨網(wǎng)噴為主，以U型鋼可縮支架為輔的支護(hù)方式[1]；根據(jù)錨桿承載特性，提出以錨桿強(qiáng)化支護(hù)圍巖，減緩巷道變形速度；根據(jù)巷道交叉點(diǎn)特性，提出了分階段動(dòng)態(tài)控制支護(hù)技術(shù)，發(fā)展了耦合結(jié)構(gòu)支護(hù)[2]。本研究以井下軟巖巷道交叉點(diǎn)為中心，軟巖以泥巖、煤、泥質(zhì)砂巖、伊利石與蒙脫石混合層為主，巷道交叉點(diǎn)承受力極差，極易出現(xiàn)軟巖破碎，使整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，從而失去穩(wěn)定性。為此，提出以鋼管混凝土結(jié)構(gòu)為主、耦合結(jié)構(gòu)為輔的綜合支護(hù)方案，增強(qiáng)軟巖圍巖強(qiáng)度，避免巷道返修。

2 軟巖巷道交叉點(diǎn)的受力分析

軟巖巷道變形是因?yàn)閲鷰r應(yīng)力發(fā)生變化，圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)，實(shí)際受力超過極限承受力。因此，需要人為支護(hù)加固，增強(qiáng)圍巖承載能力。從受力角度看，巷道圍巖應(yīng)力之和為Pt，其受力模型如圖1所示。做好軟巖巷道的支護(hù)工作需要結(jié)合破碎軟巖的實(shí)際情況，將圍巖變形產(chǎn)生的應(yīng)力、圍巖的自撐力和支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的支撐力控制好，利用合理的支護(hù)方式釋放塑性力對(duì)圍巖的影響。

圖1 軟巖巷道應(yīng)力示意圖

3 軟巖巷道交叉點(diǎn)支護(hù)技術(shù)

鋼管混凝土支架以井下灌注的方式運(yùn)用在深井巷道、軟巖巷道和斷層破碎帶巷道中。鋼管混凝土支架是鋼管內(nèi)部裝有混凝土的組合構(gòu)件。與同等鋼材相比，鋼管混凝土短柱比U型鋼的軸向抗壓能力更強(qiáng)。比如：短軸長度600mm型號(hào)為φ194mm×8mm的鋼管混凝土軸向可承受力454t；U36型鋼的短柱軸向承受力僅為167t。由此可知，鋼管混凝土支架的極限承受力是U36型鋼支架的2.6倍，具有明顯優(yōu)勢。根據(jù)周興國、王忠興等人的研究，鋼管混凝土的抗彎性能可達(dá)200kN·m;短軸長度為4.5m的鋼管混凝土支架承載力可達(dá)1 709kN[3]。由此，將鋼管混凝土應(yīng)用到軟巖巷道交叉點(diǎn)支護(hù)中，圓形截面使得軸向平面受力相互抵消，從而避免支護(hù)體失穩(wěn)出現(xiàn)支護(hù)薄弱地方，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)不會(huì)破損。

耦合支護(hù)是廣泛應(yīng)用于軟巖巷道交叉點(diǎn)的支護(hù)方式。架棚支護(hù)和錨網(wǎng)支護(hù)的承載能力難以適應(yīng)軟巖和極軟巖環(huán)境。為此，采用耦合裝置將U型鋼棚和錨桿、索聯(lián)合起來，加大支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐力。在支護(hù)初期，剛性棚子能夠有效地控制巷道變形，錨索給淺部和深部巖層提供穩(wěn)定支撐點(diǎn)，增強(qiáng)了圍巖的自撐力。

除了對(duì)軟巖巷道的支護(hù)，還需要對(duì)巷道圍巖進(jìn)行注漿加固。軟巖的破碎和塑性是降低其自撐力的關(guān)鍵。為此，在開展支護(hù)工作前，需要通過圍巖注漿的方式將軟巖交叉點(diǎn)范圍內(nèi)的破碎巖體進(jìn)行黏聚。注入破碎巖體的漿液不僅能強(qiáng)化巖體內(nèi)部松散的破碎圍巖，還能夠改變巖體結(jié)構(gòu)。并填充圍巖支架與巖體之間的空隙，有效改善支架與圍巖的受力情況。

4 軟巖巷道變形情況及分析

4.1 工程概況及變形情況

某煤礦有兩個(gè)水平開拓的立井，深度為500、800m。目前，兩井主采煤層位于礦井底部，其巖石主要包括泥巖、泥質(zhì)砂巖、伊利石與蒙脫石混合巖，屬于明顯的裂隙發(fā)育。軟巖巷道交叉點(diǎn)出現(xiàn)在水平南大巷與主石門的交匯處，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。一共有3處交叉點(diǎn)，每一處都需要進(jìn)行特殊支護(hù)。起初采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)支護(hù)方案，按照錨桿間排距800mm×800mm、護(hù)表構(gòu)件直徑6mm鋼筋網(wǎng)布設(shè)。但在巷道掘進(jìn)過程中，巷道圍巖變形劇烈，而后，采用U型鋼支護(hù)，但仍存在著噴層開裂、錨索梁屈服破壞的現(xiàn)象，給施工生產(chǎn)安全帶來影響。由此可知，軟巖巷道支護(hù)難點(diǎn)在于巷道圍巖的變形比較快，對(duì)支護(hù)材料的要求比較高，支架結(jié)構(gòu)、注漿、錨網(wǎng)等需要在短時(shí)間內(nèi)能夠承受荷載；軟巖圍巖淺部比較厚，塑性變化的圍巖范圍廣，且已經(jīng)進(jìn)行了兩次支護(hù)；岔路道口的圍巖支撐點(diǎn)比較少，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的依賴比較大，需要支架具備持久的抗壓、抗彎能力。

圖2 3處巷道交叉點(diǎn)示意圖

4.2 軟巖巷道變形破壞分析

(1)圍巖可塑性強(qiáng)。此處圍巖是以泥巖、砂質(zhì)泥巖和伊利石與蒙脫石混合巖為主的典型軟巖，巖石力學(xué)強(qiáng)度低，遇水膨脹、軟化情況嚴(yán)重，極不穩(wěn)定。從軟巖組成和結(jié)構(gòu)分析，巷道變形與軟巖的流變性和可塑性密切相關(guān)。支架在支護(hù)后期軟巖流動(dòng)不均，支架各部分的受力也發(fā)生變化，當(dāng)應(yīng)力增加到一定程度后，支架就會(huì)被破壞，進(jìn)而屈服[4]。在此過程中，軟巖圍巖遇水后的膨化給支架帶來壓力，進(jìn)一步加劇了支架屈服破壞。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載性能有限。軟巖交叉點(diǎn)采用的支護(hù)方案以錨網(wǎng)支護(hù)為主，雖然后期加入了錨索來加強(qiáng)淺部與深部巖層的自撐力，但這種支護(hù)結(jié)構(gòu)受到掘進(jìn)工藝、圍巖結(jié)構(gòu)的影響，難以保證支架與巷道圍巖的均勻接觸。在支護(hù)初期這種問題不會(huì)顯現(xiàn)，但隨著軟巖的流動(dòng)，就會(huì)使支架的載荷與設(shè)計(jì)載荷位置產(chǎn)生偏差。當(dāng)側(cè)壓增大，頂梁就可能向上，呈尖頂變形；當(dāng)支架腿后部軟巖流動(dòng)，偏心載荷明顯后，就會(huì)出現(xiàn)支架變形扭曲[5]。

(3)圍巖自撐力不足。在進(jìn)行支護(hù)工作前，對(duì)圍巖進(jìn)行的加固工作沒有起到增強(qiáng)自撐力的作用。U型鋼支架屬于被動(dòng)支護(hù)類型，單純架設(shè)U型鋼支架并不能夠滿足軟巖復(fù)雜的地質(zhì)條件。采用注漿加固圍巖措施是為了增強(qiáng)圍巖自撐力，減小圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的依賴。

5 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)—耦合支護(hù)方案

在進(jìn)行支護(hù)前，以1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)軟巖巷道交叉點(diǎn)為中心，對(duì)其巷道圍巖進(jìn)行注漿加固。一方面通過液壓動(dòng)力將部分漿液注入圍巖空隙內(nèi)，降低裂隙面的松散度；另一方面在支護(hù)后將漿液灌入支護(hù)與圍巖的縫隙，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用，從而縮小淺部圍巖厚度，改善巖體自撐力。

5.1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在交叉點(diǎn)中的應(yīng)用

從軟巖巷道圖2看，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)交叉點(diǎn)之間的距離比較近，1號(hào)是巷道的主石門；2號(hào)和3號(hào)處于水平南大巷，都屬于交通連通點(diǎn)。3個(gè)交叉點(diǎn)的支護(hù)都采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)為6 400mm×4 800mm，支架間距700mm，二次成巷采用φ6.5mm盤圓制作的鋼筋網(wǎng)，噴漿厚度150mm,底部采用規(guī)格為φ30mm,間排距200mm×200mm。在兩道工序結(jié)束后，巷道斷面需達(dá)到5 000mm×4 000mm，施工布置時(shí)以支撐架的中線對(duì)稱分布，確保支架受力均勻。交叉點(diǎn)的支護(hù)施工需要經(jīng)過初噴定形、臨時(shí)支護(hù)、鋪設(shè)支架、填充空隙幾個(gè)準(zhǔn)備步驟，直至達(dá)到圍巖面與支架面處于平行狀態(tài)；而后，將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行支架注漿、扎鋼筋、掛金屬網(wǎng)、二次注漿、底板錨索等。完成這些步驟后，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)使支架與圍巖連為一體，二者形成相互作用力，有效地避免圍巖內(nèi)部軟巖流動(dòng)造成的支架屈服破壞。

5.2 耦合支護(hù)在交叉點(diǎn)之間的應(yīng)用

在1號(hào)與2號(hào)、2號(hào)與3號(hào)、3號(hào)與2號(hào)之間各有一段軟巖巷道。這一段巷道與普通巷道相比，容易受巷道結(jié)構(gòu)變化、軟巖流動(dòng)的影響而變形，為此，將U型鋼支架與錨索聯(lián)合起來實(shí)施耦合支護(hù)方案。經(jīng)過圍巖注漿后，軟巖巷道具備了一定的承載能力，采用耦合支護(hù)方案可以避免支架屈服、破壞現(xiàn)象。首先，以U型鋼支架為基本支架，發(fā)揮U型鋼強(qiáng)阻力特性，提升圍巖的殘余強(qiáng)度；然后，將U型鋼支架作為護(hù)表構(gòu)件，把錨索扎入圍巖深部穩(wěn)定區(qū)域，一方面將淺部和深部圍巖聯(lián)合成一個(gè)整體；另一方面降低U型鋼支架與圍巖的空隙；最后，在底板采用錨網(wǎng)索支護(hù)。錨桿將進(jìn)一步提升圍巖的力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)抗剪程度；錨索沿巷道軸線進(jìn)行連續(xù)點(diǎn)布設(shè)，調(diào)動(dòng)深部穩(wěn)定圍巖承載能力，大大降低了底板變形。在U型鋼支架、錨索、錨網(wǎng)的耦合支護(hù)中，軟巖巷道的圍巖和底板的抗壓、抗彎能力得到大幅度提高，能夠有效地解決目前巷道變形問題。

6 軟巖巷道交叉點(diǎn)施工效果

在交叉點(diǎn)范圍內(nèi)，采用“支撐架—異性架—扇形區(qū)支架”的順序?qū)︿摴芑炷两Y(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。在交叉點(diǎn)間的巷道內(nèi)，采用“U型鋼支架—二次注漿—底板錨網(wǎng)”的順序進(jìn)行施工。巷道交叉點(diǎn)的不同位置采用不同的支護(hù)方案，一方面考慮到巷道變形，另一方面能夠降低巷道支護(hù)成本。這樣既可以保障巷道安全，又能夠使效益最大化。經(jīng)過1年多的時(shí)間，3個(gè)交叉點(diǎn)的支護(hù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出強(qiáng)的穩(wěn)定性，沒有出現(xiàn)噴層斷裂、支架屈服破壞等重大變形，保障了巷道的正常運(yùn)行。

7 結(jié)語

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是U型鋼結(jié)構(gòu)承受極限載荷的2.6倍，能夠?yàn)檐泿r巷道、軟巖交叉點(diǎn)提供高強(qiáng)度支護(hù)。全部采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)大幅增加巷道變形修復(fù)成本，所以在巷道部分采用U型鋼結(jié)合錨網(wǎng)支護(hù)的綜合耦合支護(hù)方案。從方案實(shí)施情況看，鋼管混凝土支架組件簡易、可靠性強(qiáng)，承載力好；從施工效果看，這一支護(hù)方案解決了巷道主石門、水平南大巷的巷道交叉點(diǎn)變形問題，切實(shí)滿足了掘進(jìn)工作的需要。因此，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)—耦合支護(hù)綜合支護(hù)方案具有推廣意義，是軟巖巷道交叉點(diǎn)支護(hù)的理想選擇。

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