王 學(xué)

(華潤(rùn)煤業(yè)(集團(tuán))有限公司 發(fā)展部,太原 030021)

作為一種傳統(tǒng)的巷道支護(hù)形式,砌碹支護(hù)結(jié)構(gòu)以其支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大、服務(wù)年限長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)開拓巷道和準(zhǔn)備巷道中曾得到較為廣泛的應(yīng)用,在巷道圍巖穩(wěn)定性控制方面發(fā)揮了重要的作用[1-2]。過(guò)去數(shù)十年來(lái),相關(guān)專家學(xué)者圍繞砌碹的碹體材料、砌碹工藝和后期維護(hù)等方面展開了大量的研究,對(duì)砌碹巷道的變形破壞特征和變形規(guī)律已有較好掌握[3-5]。隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)一步完善,考慮到砌碹支護(hù)工藝和支護(hù)效果等原因,砌碹支護(hù)技術(shù)在新建礦井中使用的頻率逐漸降低。但是,對(duì)于早期建井過(guò)程中構(gòu)筑的砌碹巷道的圍巖穩(wěn)定性依然是影響礦井安全生產(chǎn)的一個(gè)重要因素,而對(duì)砌碹結(jié)構(gòu)在多次采動(dòng)作用影響下的破壞機(jī)理的深入探討相對(duì)欠缺[6-9]。本文以某生產(chǎn)礦井砌碹巷道在兩側(cè)采動(dòng)作用下出現(xiàn)的嚴(yán)重變形為切入點(diǎn),在系統(tǒng)分析變形破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上,采用UDEC數(shù)值計(jì)算軟件,對(duì)不同支護(hù)條件下巷道的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際,確定補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的關(guān)鍵參數(shù),并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。

1 工程概況

某礦井位于山西省晉城市,礦井地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬(wàn)t/a。礦井主要開采煤層為3#煤層,煤層傾角3°～15°,平均埋深300 m。煤層頂板為泥巖和細(xì)粉砂巖,底板為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖,圍巖結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。礦井設(shè)計(jì)過(guò)程中布置有3條大巷,如圖1所示。3條大巷均沿煤層頂板掘進(jìn),平均間距為40 m。巷道斷面為直墻半圓拱,巷道寬度為4.5 m,墻體高度為1.8 m。大巷初始支護(hù)形式為粗料石砌碹支護(hù),具體支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 大巷支護(hù)參數(shù)

隨著下分層工作面開采,三條大巷處于兩側(cè)采空狀態(tài),巷道圍巖穩(wěn)定受到嚴(yán)重影響。具體表現(xiàn)為:原有粗料石支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng),部分料石出現(xiàn)破碎、掉落情況。特別地,在直墻半拱中間位置,巷道頂板下沉量較大,有頂板冒落的潛在風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重影響了礦井正常的通風(fēng)、運(yùn)輸和行人安全。

2 砌碹巷道變形破壞原因分析

考慮到三條大巷未受采動(dòng)作用影響前圍巖相對(duì)穩(wěn)定,未出現(xiàn)明顯的變形破壞,通過(guò)對(duì)實(shí)際工程的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,對(duì)本研究涉及的砌碹巷道變形破壞原因分析如下。

1)砌碹巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一種典型的被動(dòng)支護(hù)形式,在實(shí)際使用過(guò)程中主要對(duì)巷道頂板的松散圍巖起到承載作用,對(duì)于圍巖松動(dòng)圈以外的圍巖穩(wěn)定控制效果有限。巷道頂板6.04 m的泥巖層在采動(dòng)作用影響下出現(xiàn)的變形將直接傳遞到碹體結(jié)構(gòu),支護(hù)壓力較大。

2)由于大巷自身為直墻半圓拱形狀,在實(shí)際施工過(guò)程中不可避免地在砌碹結(jié)構(gòu)和原有巷道壁之間出現(xiàn)不耦合接觸的情況。這種人為形成的空洞和孔隙使得碹體結(jié)構(gòu)無(wú)法有效地向巷道圍巖提供支撐作用。在未受采動(dòng)作用之前,不耦合接觸部位的碹體結(jié)構(gòu)即處于失效狀態(tài)。由于這個(gè)過(guò)程中巷道圍巖應(yīng)力變化差異大,故巷道整體圍巖結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定。

3)當(dāng)原本支護(hù)效果有限的砌碹結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力擾動(dòng)時(shí),容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)。具體而言,在下分層開采過(guò)程中,采動(dòng)作用造成巷道周圍圍巖應(yīng)力的二次分布。考慮到兩次采空過(guò)程出現(xiàn)的時(shí)空關(guān)系,碹體結(jié)構(gòu)在非均布應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)非對(duì)稱破壞。作為一種典型的被動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu),一旦砌碹結(jié)構(gòu)某一部位出現(xiàn)破壞,極其容易引發(fā)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞,同時(shí)給巷道圍巖穩(wěn)定控制帶來(lái)極大的影響。

3 基于數(shù)值計(jì)算的砌碹巷道支護(hù)方案優(yōu)選

目前對(duì)于砌碹巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)方法主要集中在工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,形成了以注漿加固為代表的技術(shù)體系,但缺乏相應(yīng)的理論依據(jù)[10-13]。本研究采用離散元軟件UDEC對(duì)不同支護(hù)形式下的巷道圍巖變形狀況進(jìn)行模擬分析。根據(jù)巷道實(shí)際空間位置關(guān)系,建立離散元數(shù)值計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上,模擬分析砌碹支護(hù)形式下的巷道圍巖變形狀況,進(jìn)一步分析砌碹巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理。隨后，分析采用不同支護(hù)形式下的巷道變形情況,為確定科學(xué)合理的支護(hù)參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

根據(jù)前文介紹的巷道空間布置情況,建立寬度和高度分為別為323 m和93 m的二維數(shù)值計(jì)算模型,如圖2所示。模型左右邊界水平方向固定,下邊界垂直方向固定,上邊界按照平均埋深300 m施加縱向荷載。其中,膠帶大巷位于模型正中位置,回風(fēng)大巷和軌道大巷位于膠帶大巷左右兩側(cè),大巷保護(hù)煤柱寬度為40 m。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試,獲得包括巖石單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度在內(nèi)的基本巖石力學(xué)參數(shù)。通過(guò)反復(fù)調(diào)試的方法,獲得表2所示的用于數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。

表2 巖層的物理力學(xué)參數(shù)

3.2 砌碹巷道加固方案評(píng)估

為實(shí)現(xiàn)砌碹巷道在使用周期內(nèi)的圍巖相對(duì)穩(wěn)定,首先對(duì)采用砌碹支護(hù)(方案1)技術(shù)條件下巷道變形破壞特征進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上,對(duì)“砌碹+注漿”(方案2)和“砌碹+注漿+錨桿”(方案3)支護(hù)條件下巷道圍巖變形情況進(jìn)行對(duì)比分析。為保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可比性,本研究選取碹體厚度為0.3 m,使用長(zhǎng)度為2.6 m的錨桿,間排距為800 mm×800 mm。

圖3為采用不同支護(hù)方案條件下得到的不同巷道的圍巖變形情況。

(a)回風(fēng)大巷

如3圖所示,單純采用砌碹支護(hù)時(shí)(方案1),無(wú)論是巷道的頂板下沉、底板臌起還是兩幫移近量均為最大。砌碹支護(hù)形式作為一種典型的被動(dòng)支護(hù)形式,在實(shí)際使用過(guò)程中并不能給裸露的巖體提供有效支撐,無(wú)法控制巷道圍巖向臨空面的擴(kuò)展。在未受到采動(dòng)作用影響前,砌碹結(jié)構(gòu)可以在一定程度上保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而,在下分層工作面開采過(guò)程中，在超前支撐壓力作用影響下,原有的砌碹結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。特別地,大巷兩側(cè)工作面的非同時(shí)開挖極易造成施加在砌碹結(jié)構(gòu)上的非均勻承載,導(dǎo)致碹體出現(xiàn)壓碎或者掉落的情況出現(xiàn)。

采用“砌碹+錨桿”支護(hù)結(jié)構(gòu)形式時(shí)(方案2),原有的碹體結(jié)構(gòu)在錨桿桿體和托盤的共同作用下,可以保持與巷道壁的緊密結(jié)合,減少了碹體結(jié)構(gòu)的整體性破壞。同時(shí),由于錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮的主動(dòng)支護(hù)效應(yīng)可以承擔(dān)一部分圍巖自重,降低了碹體結(jié)構(gòu)本身的承載需求。此外,錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)在一定程度上增加了圍巖的自身力學(xué)性質(zhì),在支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖自身穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,巷道圍巖的穩(wěn)定性得到了有效控制。采用“砌碹+錨桿”支護(hù)時(shí),巷道的整體變形量表現(xiàn)出顯著降低的趨勢(shì)。

與方案1和方案2相比,本研究提出的“砌碹+注漿+錨桿”支護(hù)技術(shù)(方案3)可以更好地控制巷道圍巖變形。如圖3所示,巷道圍巖整體變形情況得到進(jìn)一步改善。作為采動(dòng)作用影響下的砌碹巷道,在碹體內(nèi)部不可避免地出現(xiàn)圍巖的變形,繼而存在一定范圍的空洞和離層。在錨桿支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)注漿加固的方式可以更進(jìn)一步提高圍巖自身力學(xué)性質(zhì),充分發(fā)揮圍巖的自承載能力。同時(shí),通過(guò)注漿加固可以有效地填充碹體內(nèi)部巷道圍巖的空洞和裂隙,保證錨桿支護(hù)能夠找到穩(wěn)定的錨固區(qū)和著力點(diǎn)。

4 耦合支護(hù)方案與控制效果評(píng)價(jià)

基于上述數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果,結(jié)合礦井實(shí)際生產(chǎn)情況,本研究提出“高水材料壁后充填+錨桿支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)”相結(jié)合的耦合支護(hù)方案。

4.1 高水材料壁后充填

考慮到巷道沿軸向和徑向的非均勻應(yīng)力狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的局部支護(hù)破壞情況,提出砌碹結(jié)構(gòu)壁后充填技術(shù)方案。通過(guò)在砌碹結(jié)構(gòu)和巷道圍巖之間的孔隙中進(jìn)行人工充填,可以使原有的砌碹結(jié)構(gòu)和巷道壁圍巖形成統(tǒng)一的承載體,進(jìn)一步發(fā)揮砌碹結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果。由于“碹體結(jié)構(gòu)—壁后充填體—巷道圍巖”的相互作用關(guān)系直接影響到壁后充填結(jié)果,因此壁后充填材料的選擇顯得尤為重要。從理論上講,壁后充填材料在滿足強(qiáng)度要求的前提下,需要具有一定的變形能力。同時(shí),壁后充填材料還應(yīng)該保證在充填過(guò)程中保持足夠的流動(dòng)性和可滲透性,保證壁后充填過(guò)程不會(huì)對(duì)原有的砌碹結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的二次破壞。

基于上述考慮,本研究選取具有高水灰比、速凝、早強(qiáng)特性的礦用高水材料作為注漿材料。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合方法,綜合考慮施工環(huán)節(jié)和經(jīng)濟(jì)成本,最終確定礦用高水材料的水灰質(zhì)量比值為1.8。為保證壁后充填效果,充填孔的設(shè)計(jì)排距為2 000 mm,深度為600 mm,鉆孔直徑為42 mm。在巷道兩直墻側(cè)距離巷道底板1 200 mm位置各施工1個(gè)鉆孔。在巷道半圓拱處設(shè)計(jì)施工3個(gè)充填孔,孔間距1 767 mm,鉆孔沿半圓拱徑向施工。注漿孔的布置形式和間排距如圖4所示。

圖4 大巷壁后充填孔布置圖

4.2 錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

對(duì)于巷道變形不嚴(yán)重的部位,采用上述的高水材料壁后充填形成“碹體結(jié)構(gòu)—壁后充填—巷道圍巖”三者協(xié)同的承載體共同控制巷道圍巖變形。但對(duì)于巷道變形嚴(yán)重的位置,在采用上述壁后注漿加固的基礎(chǔ)上,單純采用上述的被動(dòng)支護(hù)形式將無(wú)法保持巷道圍巖的相對(duì)穩(wěn)定。為更好地控制巷道圍巖穩(wěn)定,在壁后充填技術(shù)實(shí)施的同時(shí),通過(guò)打設(shè)錨桿、錨索等主動(dòng)支護(hù)形式,形成“主動(dòng)+被動(dòng)”相結(jié)合的承載結(jié)構(gòu),共同控制巷道圍巖穩(wěn)定。

在圖2所示的數(shù)值計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法,分別對(duì)不同錨桿(錨索)長(zhǎng)度、直徑、預(yù)緊力和間排距條件下巷道圍巖變形情況進(jìn)行系統(tǒng)研究,結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)際情況,最終確定巷道支護(hù)參數(shù)為:頂、幫錨桿支護(hù)參數(shù)為直徑Φ20 mm,長(zhǎng)度2.6 m,間排距800 mm×800 mm;采用加長(zhǎng)錨固的方式,錨索采用直徑Φ17.8 mm,長(zhǎng)度7.3 m;間距為下山中軸線兩側(cè)30°位置,排距為2.4 m,每隔3排錨桿打1排2根錨索。大巷支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖和配套鋼筋梯子梁示意圖如圖5所示。

(a)錨桿(索)支護(hù)結(jié)構(gòu)布置圖

4.3 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)巷道頂板下沉量、兩幫移近量和頂板離層情況的持續(xù)觀測(cè)可知,巷道頂板最大下沉量為35 mm, 兩幫最大移近量為43 mm, 未見明顯的頂板離層情況出現(xiàn)。上述礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，本研究提出的“高水材料壁后充填+錨桿支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)”相結(jié)合的技術(shù)手段具有顯著的技術(shù)可行性,有效地保證了砌碹巷道在使用周期內(nèi)的相對(duì)穩(wěn)定,保證了礦井的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的方式,對(duì)采動(dòng)作用影響下砌碹巷道的變形原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析,在此基礎(chǔ)上提出“高水材料壁后充填技術(shù)+錨桿(索)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”相結(jié)合的砌碹巷道耦合支護(hù)技術(shù),有效地控制了巷道圍巖變形,實(shí)現(xiàn)了采動(dòng)作用下砌碹巷道圍巖的穩(wěn)定控制,保證了礦井的安全生產(chǎn)。本研究提出的耦合支護(hù)技術(shù)可以為具有類似支護(hù)條件的巷道圍巖穩(wěn)定控制提供有益參照。