李鐵良

(潞安集團(tuán)安全儀器測(cè)試中心,長(zhǎng)治 襄垣 046204)

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

三水平東一皮帶通路探巷，是二水平向三水平延深階段的準(zhǔn)備巷道，巷道埋深680 m，沿12號(hào)煤底板掘進(jìn)，靠近頂板1.0 m處有一層炭質(zhì)黏土巖夾矸。12號(hào)煤頂板以灰色粉砂巖為主，含砂不均顯帶狀構(gòu)造，有滑面，局部夾有灰白色高嶺土質(zhì)膠結(jié)的粗礫狀白色砂巖(俗稱白砂矸)，具有遇水極易軟化膨脹，風(fēng)化成泥狀的特性。12號(hào)煤底板以灰色、深灰色砂質(zhì)頁巖為主，巖性致密堅(jiān)硬，含有化石碎屑和黃鐵礦，有大量裂隙發(fā)育，多為方解石填充。頂?shù)装鍘r性狀況詳見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特性

1.2 巷道變形特性

三水平東一皮帶通路探巷圍巖巖性以粉砂巖為主，局部賦存粗礫狀白色砂巖，巷道埋深較大，圍巖應(yīng)力大，煤巖層裂隙、滑面發(fā)育，單軸抗壓強(qiáng)度較低，為不穩(wěn)定軟巖，巷道類別介于一般不穩(wěn)定Ⅳ類與不穩(wěn)定Ⅴ類之間。圍巖成分中含有遇水易軟化成泥的粗礫狀白色砂巖，黏土礦物含量高，使得圍巖強(qiáng)度低，自身承載能力差，見風(fēng)遇水后極易變軟膨脹，流變特性顯著，導(dǎo)致巷道開挖后變形破壞嚴(yán)重，支護(hù)極為困難。以上因素導(dǎo)致該巷道圍巖抗壓強(qiáng)度降低，整體穩(wěn)定性變差，在現(xiàn)有單一U型鋼支護(hù)體系下，巷道變形和破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重。通過分析現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的支護(hù)體系破壞狀況，可得出U型鋼破壞形式主要有整體收縮、局部彎曲斷裂等[1-3]。

2 支護(hù)方案優(yōu)化模擬分析

2.1 圈巖位移分布

根據(jù)強(qiáng)膨脹性軟巖巷道變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，采用單一U型鋼支護(hù)方式并不能很好地控制該類軟巖巷道的變形破壞，因此，模擬采用U型鋼支護(hù)驗(yàn)證數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)工程的符合程度，并采用U型鋼+噴漿、U型鋼+噴漿+注漿錨索支護(hù)巷道，對(duì)比分析后得出最佳支護(hù)方案[4]。

圖1為模型在三種支護(hù)方案下的巷道圍巖垂直位移分布云圖。

圖1 各支護(hù)方案圍巖垂直位移分布云圖

結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和圖1分析可知：

1) 在U型鋼、U型鋼+噴漿、U型鋼+噴漿+注漿錨索三種不同支護(hù)體系下，巷道的頂?shù)装庾冃瘟坎煌?，頂板的收斂變形量分別為574 mm、200 mm、123 mm，底板的收斂變形量分別為266 mm、250 mm、73.8 mm。

2) 由數(shù)據(jù)分析可知，巷道底板的變形破壞相對(duì)較小，不同的支護(hù)體系對(duì)頂板的穩(wěn)定性控制更加明顯。采用噴漿后，巷道頂板變形破壞減小了65%，底板的變形破壞減小了6%；采用噴漿+注漿錨素后，巷道頂板變形破壞減小了73%，底板的變形破壞減小了72%。說明采用噴漿+注漿錨索后，巷道圍巖的垂直位移明顯減小，特別是對(duì)巷道底鼓的控制效果較為明顯。分析認(rèn)為，對(duì)巷道兩幫及頂板注漿后改善了圍巖特別是頂板的受力環(huán)境，提高了頂板的承載能力和穩(wěn)定性，由此可得該支護(hù)方案效果最佳。

圖2為模擬在三種支護(hù)方案下的巷道圍巖水平位移分布云圖。

圖2 各支護(hù)方案圍巖水平位移分布云圖

三種不同的支護(hù)體系下巷道的變形破壞量如表2所列。

表2 各支護(hù)體系巷道變形數(shù)據(jù)匯總表

由圖2和表2析可得：

1) 在U型鋼、U型鋼+噴漿、U型鋼+噴漿+注漿錨索三種不同支護(hù)體系下，巷道的幫部變形破壞量不同，幫部收斂變形量分別為266 mm、250 mm、73.8 mm。

2) 由數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)巷道采用單一U型鋼支護(hù)方式時(shí)，巷道左幫的變形破壞較大，采用噴漿及注漿錨索后，巷道左幫的變形量變小，得到了較好的控制。采用噴漿后，巷道幫部變形破壞減小了29%；采用噴漿+注漿錨索后，巷道幫部變形破壞減小了62%，說明后者對(duì)巷道幫部變形破壞的控制較為顯著。分析認(rèn)為，對(duì)巷道兩幫及底腳位置注漿后改善了圍巖強(qiáng)度，提高了圍巖的承載能力和穩(wěn)定性。

由表2可得，采用噴漿支護(hù)后巷道的變形量減小，巷道圍巖得到較好的控制，說明封閉圍巖阻止其繼續(xù)風(fēng)化和潮解后圍巖的強(qiáng)度明顯提高，巷道支護(hù)取得了較好的效果，再增加注漿錨索支護(hù)后巷道變形量進(jìn)一步減小，說明對(duì)巷道圍巖內(nèi)部注漿可以提高圍巖整體承載能力，加上U型鋼及噴漿支護(hù)后，支護(hù)效果最好。由數(shù)值模擬分析可知，架噴錨注耦合支護(hù)能通過噴漿的方式解決U型鋼架棚與圍巖壁未完全接觸而引起的受力不均的問題，通過注漿的方式提高圍巖強(qiáng)度，使架棚噴漿層-圍巖-注漿體形成一個(gè)共同承載的有效支護(hù)體系，從而可以有效控制巷道圍巖松動(dòng)圈的擴(kuò)大，進(jìn)而提高巷道整體的穩(wěn)定性。

2.2 圈巖塑性區(qū)分布

不同支護(hù)方案下巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍如表3所列。

表3 塑性區(qū)范圍

由表3可知，采用U型鋼+噴漿支護(hù)方式后，巷道圍巖破壞范圍頂板減小了55.9%、底板減小了50%，左幫減小了34.6%，右?guī)蜏p小了52.2%，而采用U型鋼+噴漿+注漿錨索的耦合支護(hù)方式后，巷道圍巖破壞范圍頂板減小了64.7%、底板減小了50%，左幫減小了42.3%，右?guī)蜏p小了60.9%，由此可知，采用架噴錨注耦合支護(hù)能更好地控制巷道圍巖的變形，減小圍巖塑性區(qū)的范圍，支護(hù)效果更佳。

3 架噴錨注耦合支護(hù)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于三水平東一皮帶通路探巷的工程地質(zhì)條件、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所得的巷道變形破壞規(guī)律及采用FLAC3D對(duì)不同支護(hù)方案的數(shù)值模擬分析，綜合分析提出最優(yōu)支護(hù)方案為架噴錨注耦合支護(hù)[4-5]，見第190頁圖3。

3.1 支護(hù)參數(shù)選擇

3.1.1 U型鋼參數(shù)

根據(jù)三水平東一皮帶通路探巷現(xiàn)有工程條件及架噴錨注耦合支護(hù)作用機(jī)理，巷道的主體支護(hù)為U型鋼支護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用的支護(hù)材料，U型鋼仍然選用29U-13.36 m2可縮性金屬拱形支架，而U型鋼的支護(hù)參數(shù)，需要通過科學(xué)的計(jì)算得到。

圖3 架噴錨注支護(hù)方案(單位：mm)

當(dāng)計(jì)算U型鋼支架支撐荷載時(shí)，假設(shè)巷道頂板破壞范圍外能形成有效的承載結(jié)構(gòu)，支護(hù)體主要承載為巷道頂板破壞范圍內(nèi)巖體的質(zhì)量，其計(jì)算見式(1)。

PZ=KAη2RmaxγZ

(1)

式中：PZ為支護(hù)體支護(hù)載荷，kN/m；KA為安全系數(shù)，回采巷道取1.2、準(zhǔn)備巷道取1.5、開拓巷道取2.0，具體可根據(jù)巷道工程實(shí)際確定；η2為巷道穩(wěn)定狀況對(duì)支架的影響系數(shù)；Rmax為巷道圍巖的破壞范圍，m；γz為道圍巖容重，kN/m3。

三水平東一皮帶通路探巷屬于準(zhǔn)備巷道，因此KA取1.5；巷道圍巖穩(wěn)定狀況為極不穩(wěn)定圍巖，因此η2取1.5，通過鉆孔電視探測(cè)可知，探巷圍巖的破壞范圍為3.2 m；巷道圍巖容重取25 kN/m3。通過公式(1)可得U型鋼支架支承荷載PZ為180 kN。

由于現(xiàn)場(chǎng)U型鋼支護(hù)過程中，支架與圍巖接觸不均勻，局部受力集中，使得U型鋼實(shí)際支撐能力達(dá)不到額定工作阻力，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員反饋，在三水平東一皮帶通路探巷支護(hù)過程中，U型鋼實(shí)際支撐能力為90 kN，因此支架間距通過式(2)得到。

(2)

由公式(2)計(jì)算得支架間距為0.5 m，即，現(xiàn)場(chǎng)所用500 mm棚距。根據(jù)前一節(jié)對(duì)架噴錨注耦合支護(hù)機(jī)理的分析可知，當(dāng)采用該支護(hù)方案后可以通過噴漿的方式隔絕圍巖，降低圍巖風(fēng)化潮解的程度，且可以使U型鋼支架與圍巖緊密貼實(shí)組成完整的承載結(jié)構(gòu)，通過注漿的方式提高深部圍巖承載能力，從經(jīng)濟(jì)及技術(shù)層面考慮，可以適當(dāng)增加U型鋼的棚距，因此，改支護(hù)方案中棚距設(shè)計(jì)為600 mm。

3.1.2 注漿錨索參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可知，巷道圍巖以泥質(zhì)砂巖為主，主要成分為高嶺土、蒙脫石，遇水極易膨脹、軟化成泥，圍巖強(qiáng)度降低，使得巷道難以支護(hù)。根據(jù)漿液配比試驗(yàn)可知，采用注漿的方式可以較好地改善圍巖強(qiáng)度。因此，采用注漿錨索的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式強(qiáng)化巷道支護(hù)。

注漿錨索支護(hù)參數(shù)：采用22 mm中空注漿錨索，設(shè)計(jì)選用錨索長(zhǎng)度3 500 mm，外露長(zhǎng)度150 mm～250 mm?？紤]到巷道兩幫底部移近量較大，在兩幫距離底板400 mm位置向底板與水平方向呈30°打第一根錨索，其余錨索間排距為1 200 mm×1 200 mm，每排布置7根錨索，每?jī)膳佩^索中間布置兩排U型鋼。

3.1.3 噴漿參數(shù)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)噴漿材料選用硅酸鹽水泥、紅矸石粉、速凝劑、水。其中，水泥與紅矸石粉質(zhì)量比為1∶2.5。噴漿施工過程中，隨噴隨加入速凝劑，速凝劑須在噴漿機(jī)上料口均勻加入，加入量取水泥質(zhì)量的2%～4%。水泥采用P.O 42.5硅酸鹽水泥。

由于軟弱圍巖具有遇水軟化膨脹的特性，因此在巷道掘進(jìn)后及時(shí)噴漿封閉圍巖，防止圍巖風(fēng)化潮解，進(jìn)而提高圍巖強(qiáng)度。具體支護(hù)參數(shù)為：初噴30 mm，復(fù)噴70 mm。

3.2 實(shí)施效果

3.2.1 支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

三水平東一皮帶通路探巷現(xiàn)場(chǎng)施工架噴錨注耦合支護(hù)方案后，對(duì)該巷道采用十字布點(diǎn)的方式監(jiān)測(cè)巷道的頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平浚O(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 巷道圍巖移近量曲線圖

由圖4可得出，采用架噴錨注耦合支護(hù)方式后巷道的頂?shù)装逦灰坪蛢蓭臀灰齐S時(shí)間變化，其中，頂?shù)装逡平坷塾?jì)變形量為97 mm，其中在2 d～15 d監(jiān)測(cè)期間，變形速度較大；兩幫移近量累計(jì)為78 mm，在2 d～18 d內(nèi)變形速度較大，后趨于穩(wěn)定?？v觀巷道變形量及變形速度，均能夠滿足巷道穩(wěn)定要求。

由于架噴錨注耦合支護(hù)可以較好地控制強(qiáng)膨脹性軟巖巷道的變形破壞，且可以實(shí)現(xiàn)一次成巷，避免了前掘后套的局面，因此，架噴錨注耦合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于三水平東一皮帶巷，具體支護(hù)效果如第191頁圖5所示。

3.2.2 支護(hù)效果分析

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果顯示，三水平東一皮帶通路探巷采用架噴錨注耦合支護(hù)技術(shù)工藝開始至今巷道變形很小并保持穩(wěn)定狀態(tài)，說明采用架噴錨注耦合支護(hù)技術(shù)工藝解決了U型鋼彎曲折斷等實(shí)際問題。經(jīng)觀測(cè)與分析具體支護(hù)效果如下：

圖5 架噴錨注耦合支護(hù)效果圖

1) 增強(qiáng)巷道圍巖的承載能力

軟弱圍巖注漿后，漿液將松散破碎的圍巖膠結(jié)成一個(gè)整體，從而大大提高了巷道圍巖自身承載能力。

2) 封閉圍巖裂隙，減少風(fēng)水侵蝕

通過噴漿封閉了圍巖，隔絕了外界空氣，有效地防止了圍巖風(fēng)化和水的侵蝕，防止了因水和風(fēng)化作用造成圍巖吸水膨脹，強(qiáng)度降低，圍巖破壞與剝落，從而提高了軟弱圍巖的穩(wěn)定性與牢固性。

3) 架噴錨注組合拱共同承載

U型鋼支架配合噴漿支護(hù)以及錨注加固軟弱圍巖，形成了一個(gè)極為有效的組合拱，從而提高了軟弱圍巖的完整性和自身承載能力。

4 結(jié)論

強(qiáng)膨脹性軟巖巷道在單一U型鋼支護(hù)的情況下，巷道變形量較大，因此進(jìn)行了支護(hù)方案的優(yōu)化，即聯(lián)合支護(hù)方案的模擬研究，分別采用U型鋼+噴漿和U型鋼+噴漿+注漿錨索的耦合支護(hù)方案。

采用架噴錨注耦合支護(hù)，無論是控制圍巖變形方面，還是減小圍巖塑性破壞方面，支護(hù)效果都較前兩種支護(hù)方案好，因此，采用U型鋼+噴漿+注漿錨索的耦合支護(hù)方案能有效改善強(qiáng)膨脹性軟巖巷道變形破壞嚴(yán)重的狀況。將架噴錨注耦合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工，并進(jìn)行了支護(hù)效果監(jiān)測(cè)分析，最終得出該支護(hù)方案具有較好的工程適用效果。