秦學(xué)良

(潞安集團 古城煤礦建設(shè)管理處，山西 長治 046100)

巷道是煤礦地下開采的必要通道，其暢通、穩(wěn)定是煤礦安全、高效開采的重要保障[1]。巷道的支護手段經(jīng)歷了從木支護到砌碹支護再到型鋼支護最后到錨桿支護的發(fā)展過程[2]，但是不同巷道工程所處的巖層性質(zhì)千差萬別，甚至同一巷道工程各位置巖層性質(zhì)也不盡相同，因此支護結(jié)構(gòu)和巖體強度耦合程度存在較大差異，導(dǎo)致巷道發(fā)生變形破壞的程度不一致，需要因地制宜綜合考慮，據(jù)此提出巷道控制的均勻性要求。

1 巷道變形的均勻性控制機理

1.1 均勻性承載控制機理

巷道圍巖支護的目的是通過支護結(jié)構(gòu)提高圍巖體的力學(xué)性質(zhì)、加強圍巖體各部分之間的聯(lián)系，充分調(diào)動并發(fā)揮其自身的承載能力，能夠承載足夠的壓力，使支護與圍巖在強度方面實現(xiàn)耦合[3-5]?，F(xiàn)有的巷道工程中普遍存在著穿層巷道、沿頂掘進或沿底掘進厚煤層巷道等巖層性質(zhì)發(fā)生變化的情況，因此不同巖層性質(zhì)的巷道對支護結(jié)構(gòu)的形式及強度要求不同，反之，相同的支護參數(shù)不能適用于所有的巷道。究其原因，巷道各位置巖體性質(zhì)及受力特征的差異從基礎(chǔ)上決定了其對支護參數(shù)要求的不同。

以沿頂掘進的巷道為例，巷道在原巖體中開挖，主要受上覆巖層的壓力作用，其中巷道的頂?shù)装遄冃乌厔莘较蚺c上覆壓力方向平行，主要表現(xiàn)為下沉、鼓起，而幫部巖體的變形趨勢方向與上覆壓力方向垂直，主要表現(xiàn)為鼓脹變形。巷道圍巖體對圍壓有承載作用，但不同的巖性承載能力存在差異[6-7]，通常較強的巖體自身強度聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)強度基本可以穩(wěn)定控制堅硬頂板變形，頂板雖有所下沉但在控制范圍之內(nèi)；但巷道兩幫及底板性質(zhì)普遍較差，支護結(jié)構(gòu)強度不足且不能適應(yīng)圍巖變形，未能調(diào)動巖體的自身強度，變形甚至破壞嚴重，尤其是底板鼓起、裂縫，致使巷道不能繼續(xù)使用。

支護結(jié)構(gòu)和巖體強度耦合程度不同導(dǎo)致變形破壞程度不同，因此提出巷道控制的均勻性要求。均勻性承載機理的內(nèi)涵包括兩個方面：第一是巷道各位置支護強度與巖體強度耦合程度高，支護結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮自身性能并充分調(diào)動巖體的自承能力，降低對圍壓變化的敏感程度；第二是改變各位置支護結(jié)構(gòu)與巖體強度之間互相獨立的局面，通過技術(shù)手段實現(xiàn)全斷面支護結(jié)構(gòu)(外)的整體性和支護—圍巖強度(內(nèi))的整體性，通過幫部支護—巖體協(xié)同作用結(jié)構(gòu)使頂?shù)字ёo聯(lián)合，實現(xiàn)各位置承載能力的優(yōu)勢互補，產(chǎn)生巷道斷面的協(xié)同承載作用，避免巷道強弱共存而發(fā)生的局部性失穩(wěn)。

1.2 圍巖深淺區(qū)協(xié)同承載機理

巷道開挖后，巷道附近原巖應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力疊加引起巷道變形不斷擾動圍巖，應(yīng)變能積聚并通過頂板淺部巖層的變形而釋放。通常淺部巖層為煤層、泥巖等軟弱巖層，能量積聚程度弱，很小的能量釋放即可引起較大的巖體應(yīng)變，如果淺部錨桿在安裝過程中沒能足夠重視預(yù)緊力的作用，導(dǎo)致錨桿未能主動支護和可靠錨固，必將導(dǎo)致圍巖大變形，同時錨固生根于深部巖層、發(fā)揮深部巖層承載能力從而實現(xiàn)深淺巖體協(xié)同承載的錨索，由于淺部變形速度過快、變形量過大導(dǎo)致其未能及時發(fā)揮協(xié)調(diào)承載作用而被迅速拉斷。

其中淺部的錨桿在施加預(yù)緊力后發(fā)揮的作用包括[8]：①在桿體軸向范圍產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，形成壓縮區(qū)，使巖體恢復(fù)三向壓力狀態(tài)，改善其受力環(huán)境；②巷道圍巖淺部巖體變形以擴容變形為主，施加預(yù)緊力錨桿可提高錨固范圍巖體內(nèi)節(jié)理、裂隙結(jié)構(gòu)面的法向壓力，從而提高結(jié)構(gòu)面的摩擦阻力，增加其擴展的難度，提高圍巖的穩(wěn)定性；③限制巖體初期的變形速度以及變形大小，使淺部圍巖受控變形，形成主動支護并為錨索工作阻力的增加創(chuàng)造足夠的時間，為實現(xiàn)深淺部巖體協(xié)同變形提供有力的基礎(chǔ)。

錨索貫穿淺部和深部巖體，因此錨索的作用機理與深淺部巖體的性質(zhì)及變形特征密切相關(guān)。巷道的淺部巖體和深部巖體的變形規(guī)律存在差異，淺部圍巖受工程擾動大、邊界約束小、變形破碎劇烈；而深部圍巖受開挖擾動影響較弱、變形約束大，往往以彈塑性變形為主，變形量小。錨索通過深部圍巖內(nèi)的錨固生根點和巷道表面的鎖具托盤約束巖體變形，當(dāng)淺部變形較大時，深、淺部之間難以協(xié)調(diào)。

根據(jù)錨索與深淺部圍巖的關(guān)系，錨索在大變形巷道中的作用機理及關(guān)鍵理念主要有[9-10]：①充分協(xié)調(diào)深淺部巖體的變形，使巷道圍巖的變形平穩(wěn)過渡，避免局部變形過大引起的突發(fā)性失穩(wěn)和結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)；②錨索貫穿淺部錨固體組合拱結(jié)構(gòu)，并將其固定在深部巖體中，變“托”為“拉”，形成多層保護支護體系，增加淺部巖體的穩(wěn)定性，使淺部巖體融入支護體系中；③在聯(lián)合支護過程中，錨桿加固淺部巖體，承擔(dān)淺部圍巖施加的作用力，減少變形，從而減少錨索所承受的淺部巖體的作用力，改善錨索的工作狀態(tài)和深部巖體的受力狀態(tài)，使得深部巖體充分發(fā)揮承載能力。

錨桿、錨索結(jié)合使用，必須進行參數(shù)的聯(lián)合選擇，才能有效發(fā)揮各自的支護優(yōu)勢，將巷道的變形控制在使用要求范圍內(nèi)，保證圍巖的穩(wěn)定性。

2 巷道變形的綜合治理技術(shù)

2.1 雙拱圈層承載控制技術(shù)

雙拱承載控制技術(shù)的內(nèi)涵是底板反底拱與全斷面U型棚相結(jié)合，充分發(fā)揮系統(tǒng)高強度、高剛度，承載圍巖壓力，限制圍巖變形。

反底拱控底技術(shù)是在底板開挖反向拱鋪設(shè)鋼梁，鋼梁兩端用錨桿固定或與上部鋼棚對接成為拱座，在下部巖體壓力作用下達到成拱效應(yīng)，形成反向兩鉸拱結(jié)構(gòu)，然后在底部鋼梁上施工預(yù)應(yīng)力錨桿，錨固生根鎖住鋼梁緊貼巖面，最后在上部填充混凝土形成巷道底板平面。兩鉸拱屬于被動受力結(jié)構(gòu)，在拱頂(巷道底部)豎向載荷的作用下以其結(jié)構(gòu)特征在兩個拱座處產(chǎn)生水平推力，抵消了巷道幫部變形產(chǎn)生的水平擠壓力，限制底角巖體向巷道中央的剪切滑移變形，達到控底又控幫的作用。如圖1所示。而預(yù)應(yīng)力錨桿屬于主動支護結(jié)構(gòu)，以巖體內(nèi)部錨固點生根壓縮巖體裂隙在巷道底板一定深度限制巖體變形。反向拱與預(yù)應(yīng)力錨桿組合，可實現(xiàn)優(yōu)勢互補，形成更加穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)，可起到主動與被動支護效果疊加，有效控制底板巖體變形。底板巖體變形不可避免，所以施加于反拱結(jié)構(gòu)的載荷是變化的，因此沒有固定的兩鉸拱形狀曲線適合所有的巷道，只能根據(jù)載荷的特點確定相對合理的反拱形式曲線，一般為拋物線或圓弧形。

圖1 反底拱受力特征示意

為達到巷道均勻性承載的控制要求，需使巷道底板、兩幫及頂部支護形成連接系統(tǒng)，實現(xiàn)各位置支護強度的互補，充分發(fā)揮支護的整體性作用。巷道頂部形狀是天然的兩鉸拱，在肩角處柱腿支撐形成拱座，通過幫部柱腿將頂部U型鋼拱和反底拱連接起來，形成雙拱機構(gòu)，共同承受上覆巖層壓力和底部反力。同時，利用幫部鎖腿錨桿固定柱腿緊貼巖面，加強柱腿的支撐強度，保障了全斷面承壓系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全封閉U型棚支架

2.2 底角錨桿控底技術(shù)

通常沿頂掘進的煤巷，底板出現(xiàn)的變形問題較為突出。上部巖層垂直壓力通過巷道兩幫作用于煤層底板兩端底角，在底板未完全失去承載能力前使得底板巖層翹曲，底板中央鼓起；而垂直壓力增大超過底板煤體承載極限后，底角煤巖體快速破裂，煤體的破裂一般為擴容變形，受幫部約束，底板破碎煤體體積的增加引起底板巖層的橫向碎脹，并對巷道底板中部的巖層產(chǎn)生水平擠壓力導(dǎo)致發(fā)生剪切滑移變形。底板煤體的變形破壞會引起兩幫的下沉，底板雖然變形讓壓，但引起的幫部移動下沉使得底板承受的壓力未有效減小，因此，使底板變形讓壓在支護設(shè)計中是不可取的辦法。

施加錨桿支護可顯著提高被錨巖體的各種力學(xué)性質(zhì)，提高被錨巖體的承載強度，有效減少巷道的變形，控制破碎程度的進一步加劇以及塑性區(qū)的擴展。發(fā)揮錨桿在底板控制方面的作用，尤其是底角錨桿，具有以下優(yōu)點：

1) 增加底板巖梁的抗彎程度，提高對巷幫壓力的承載能力。巷道底板呈層狀分布，因此在力學(xué)分析中可將其建為"梁"力學(xué)模型。巷道開挖后底板巖梁所受的垂直壓力不斷增加直至超過其抗彎強度極限，在兩側(cè)底角發(fā)生破碎變形，使底板巖層失去整體性；而施加錨桿支護后，根據(jù)錨桿支護理論，可以顯著提高底角煤體的強度，增加底板的抗彎強度，抑制底鼓的產(chǎn)生。具體情況如圖3所示。

圖3 底板巖層錨桿強化過程

2) 發(fā)揮桿體強度，固定滑移巖層。底角錨桿穿過底板多層巖層，其預(yù)緊力的作用擠壓多層巖層，限制向上位移的空間，同時增加層與層之間的法向壓力，提高其摩擦力，限制底板巖層的水平錯動。

3) 錨桿楔入巖體，阻斷巖層的位移路徑。巷道底角是底板變形和傳遞壓力的關(guān)鍵位置，錨桿楔入底角，一方面可以充分利用桿體的強度，切斷上部壓力傳遞的路徑，改善受力狀態(tài)；另一方面，可以限制底角煤體的破碎和滑移，阻斷巖體變形位移的路徑，減少因底角煤體滑移而引起的幫部下沉，維護幫底的穩(wěn)定性。

2.3 破碎巖體注漿技術(shù)

巷道發(fā)生大變形破壞主要表現(xiàn)在圍巖內(nèi)部原生裂隙擴展、次生裂隙產(chǎn)生及發(fā)育，導(dǎo)致巷道圍巖體積的增加，受深部巖體約束向內(nèi)部空間移動而產(chǎn)生變形。對大變形破碎巖體注漿可很好地解決裂隙的發(fā)育問題，控制圍巖的穩(wěn)定，其主要作用如下：

1) 漿液擴散到破碎巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成骨架，并發(fā)揮粘結(jié)性質(zhì)膠結(jié)獨立破碎的巖塊，使破碎的巖體再次構(gòu)成整體，從而提高強度，發(fā)揮承載能力。

2) 漿液進入破碎巖體裂隙并膠結(jié)凝固，可以封堵裂隙，隔絕空氣、水進入巖體的通道，防止淺部圍巖風(fēng)化和遇水弱化從而降低圍巖的強度，尤其是易風(fēng)化的圍巖巷道和泥質(zhì)圍巖巷道。

3) 注漿可有效提高淺部錨桿錨固組合拱的強度，并增強錨固體之間無效加固區(qū)的強度，增加支護結(jié)構(gòu)的有效作用范圍；同時，漿液進入錨桿(索)鉆孔，粘結(jié)支護結(jié)構(gòu)體與鉆孔壁，實現(xiàn)了錨桿(索)的全長錨固，提高圍巖的穩(wěn)定性。

4) 注漿漿液填充密實破碎巖體的裂隙，可共同承載圍巖壓力，明顯改善圍巖體的承載狀態(tài)，保證圍壓均勻地作用在巖體上，避免因圍巖破碎引起的局部應(yīng)力過高而引起破壞，消除圍巖中的薄弱點和變形突破點，避免引起圍巖整體結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)。

3 結(jié) 語

1) 提出了巷道變形的均勻性承載控制機理。提高巷道各位置支護強度與巖體強度的耦合程度，降低對圍壓變化的敏感程度，增強全斷面支護結(jié)構(gòu)(外)的整體性和支護—圍巖強度(內(nèi))的整體性，實現(xiàn)各位置承載能力的優(yōu)勢互補，產(chǎn)生巷道斷面的協(xié)同承載作用。

2) 提出了巷道圍巖深淺區(qū)協(xié)同承載機理。錨桿施加高預(yù)緊力，使淺部圍巖受控變形，形成主動支護并為錨索工作阻力的增加創(chuàng)造足夠的時間，錨索貫穿淺部錨固體組合拱結(jié)構(gòu)，并將其固定在深部巖體中，變“托”為“拉”，形成多層保護支護體系，最終實現(xiàn)深淺區(qū)協(xié)同承載。

3) 提出了巷道綜合治理修復(fù)技術(shù)，主要包括：底板反底拱和全斷面U型棚相結(jié)合，承載上覆巖層壓力和底部反力的雙拱圈層承載控制技術(shù)；提高底板巖梁的強度，固定滑移巖層的底角錨桿控底技術(shù)；提高巖體強度，封堵水、風(fēng)通道，提高支護結(jié)構(gòu)的承載能力的破碎巖體注漿技術(shù)。