孫志國(guó)

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300）

1 工程概況及圍巖破壞分析

1.1 巷道地質(zhì)概況

某礦由于埋深大、地溫高、圍巖抗壓強(qiáng)度低等原因，熱力耦合作用顯著，通過對(duì)其進(jìn)行支護(hù)實(shí)驗(yàn)，解決深部熱力耦合軟巖巷道支護(hù)問題。試驗(yàn)巷道選擇在該礦西翼軌道大巷，該巷道第一層巖性為細(xì)砂巖，灰色、淺灰色，夾粉砂巖:其分層厚度為4.0 m。第二層巖性為泥巖，灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)；其分層厚度為1.9 m。第三分層為細(xì)砂巖，灰色、淺灰色，細(xì)砂粒狀結(jié)構(gòu)，以砂巖為主，夾粉砂巖，見植物碎片化石；其分層厚度為2.8 m；累計(jì)厚度8.7 m。

1.2 巷道圍巖變形破壞情況

該礦-900 m水平井底車場(chǎng)的巷道和硐室、西翼軌道大巷圍巖主要為泥巖、細(xì)砂巖，巷道圍巖硬度、剛度都較小，巷道開挖后圍巖變現(xiàn)出松散、破碎，巷道成型差，支護(hù)難度較大，整體性不強(qiáng)，承載能力較低。圍巖頂板、兩幫遇水或吸濕后，表現(xiàn)出明顯的軟化和泥化現(xiàn)象，通過對(duì)西翼軌道原巖應(yīng)力的檢測(cè)，得出圍巖水平構(gòu)造應(yīng)力較大。巷道圍巖松軟破碎、水平構(gòu)造應(yīng)力大等特點(diǎn)嚴(yán)重影響了巷道的穩(wěn)定性，原有的支護(hù)方式也不能滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度的要求；特別是巷道受高應(yīng)力和熱應(yīng)力相互耦合的作用，造成巷道的兩幫明顯內(nèi)擠，兩幫向內(nèi)錯(cuò)動(dòng)，拱肩受切向應(yīng)力的作用造成噴體開裂，巷道底角失穩(wěn)，底板發(fā)生底鼓現(xiàn)象，底鼓量較大，造成巷道復(fù)修率增加。

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)巷道治理中出現(xiàn)的圍巖大變形問題，根據(jù)理論分析、礦壓監(jiān)控對(duì)巷道技術(shù)預(yù)案進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出具體的穩(wěn)定控制技術(shù)方案和參數(shù)，充分運(yùn)用錨噴、錨索和錨注支護(hù)技術(shù)（“三錨”支護(hù)），并根據(jù)圍巖穩(wěn)定特點(diǎn)，適時(shí)實(shí)施不同的支護(hù)措施。據(jù)現(xiàn)有資料分析，西翼軌道大巷預(yù)計(jì)將穿過DF43斜交正斷層，巷道揭露位置落差為0～5 m，斷層附近附生斷層較發(fā)育，圍巖強(qiáng)度較低，對(duì)巷道施工影響較大[1-6]。

西翼軌道大巷設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索噴一次支護(hù)+錨注二次支護(hù)。

1）噴漿封閉圍巖。巷道開挖后，采用初噴作為臨時(shí)支護(hù)，混凝土噴射厚度為30 ～50 mm，通過初噴的方式可以達(dá)到封閉破碎圍巖，允許巷道圍巖發(fā)生一定的變形，進(jìn)行讓壓；然后再進(jìn)行金屬網(wǎng)安裝和錨桿的打設(shè)，錨桿預(yù)緊力達(dá)到要求后再進(jìn)行復(fù)噴。巷道全斷面支護(hù)完成之后，打設(shè)注漿錨索進(jìn)行注漿，再進(jìn)行噴漿。

2）全斷面錨網(wǎng)支護(hù)。開挖巷道初噴后，在巷道圍巖上打眼安裝高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力左旋無縱筋螺紋鋼錨桿和掛網(wǎng)，進(jìn)行全斷面高強(qiáng)錨桿與金屬網(wǎng)支護(hù)。

錨桿:高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力左旋無縱筋螺紋鋼制作，規(guī)格Φ20 mm×2 400 mm，間排距800 mm×700 mm，錨桿安設(shè)預(yù)緊力不低于4 t，安裝扭矩不低于300 N·m，錨索設(shè)計(jì)錨固力20 t，與內(nèi)注漿錨桿間隔布置。

錨索:規(guī)格Φ17.8 mm×63 000 mm，每斷面布置7根，間排距1 600 mm×2 100 mm，設(shè)計(jì)錨索錨固力20 t，安設(shè)預(yù)緊力不低于8 ～10 t。

3）壁后注漿。巷道全斷面支護(hù)完成后，打設(shè)注漿錨桿，通過注漿錨桿可以使水泥漿滲入內(nèi)部破碎圍巖，凝固后內(nèi)部破碎圍巖整體性加強(qiáng)，承載能力增大；為加強(qiáng)錨桿的支護(hù)能力，可由端頭錨固改為全長(zhǎng)錨固。注漿錨桿:采用無縫鋼管制作，規(guī)格Φ25×2 200 mm，間排距1 600 mm×1 400 mm；內(nèi)注漿錨桿的最終錨固力不低于60 kN，預(yù)緊力不低于10 kN，與高強(qiáng)錨桿隔排布置。

3 礦壓監(jiān)測(cè)分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案

1）巷道圍巖表面位移。為了能直觀的表達(dá)巷道開挖后的巷道變形特點(diǎn)，對(duì)巷道表面位移變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在所選實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)設(shè)定3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面:BC-1、BC-2、BC-3（BC-1設(shè)置在緊靠掘進(jìn)工作面迎頭，BC-2、BC-3監(jiān)測(cè)斷面與BC-1斷面依次相距50 m、100 m）。

2）巷道深部圍巖位移。為更直觀的了解巷道開挖后深部位移變化的情況，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。位移監(jiān)測(cè)方法采用多點(diǎn)位移計(jì)，試驗(yàn)巷道設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面:SC-l、SC-2、SC-3（SC監(jiān)測(cè)斷面與BC斷面緊鄰），在監(jiān)測(cè)斷面的拱頂和兩幫施工3個(gè)測(cè)孔，在每個(gè)測(cè)孔布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)與圍巖表面相離依次為1 m、3 m、5 m、7 m 和 10 m。

3.2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 圍巖表面位移變化及分析

位移的時(shí)效應(yīng)，巷道圍巖表面位移變化（見圖1），變化過程可分為三個(gè)階段:

圖1 巷道圍巖表面收斂位移與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖1分析可知，BC-1斷面靠近工作面迎頭，受采掘活動(dòng)影響較大，底鼓量最大，底板下沉最多，前10 d內(nèi)的平均變形速率約為8.6 mm/d；BC-2斷面與BC-1斷面相比:底鼓量減小，頂板下沉量減小，兩幫收斂位移減小；BC-3斷面與之前兩個(gè)斷面比較:底鼓量、頂板下沉量、兩幫最大收斂位移最小，巷道開挖60 d以后，應(yīng)變速率在1 mm/d以下，巷道變形基本穩(wěn)定。

圖1表明3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的圍巖表面收斂位移都是底板底鼓變形嚴(yán)重，拱頂下沉量大于兩幫收斂量，呈現(xiàn)“巷道底鼓量大于拱頂下沉量大于兩幫收斂變形量”的分布規(guī)律。

由此可見，巷道失穩(wěn)最主要的破壞因素是底板變形底鼓，由于底板位置的特殊性，決定了巷道底板的支護(hù)往往滯后，且支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)較低，故底板圍巖因應(yīng)力集中而產(chǎn)生顯著的剪切滑移，由于底板受水浸泡，底板巖石泥化，造成底鼓更加嚴(yán)重。對(duì)于深部熱力耦合巷道，底鼓嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，如果一直落底，會(huì)造成巷道頂板和兩幫的失穩(wěn)，最終將導(dǎo)致巷道整體變形量較大或失穩(wěn)破壞。因此分析第一個(gè)BC-1斷面巷道變形規(guī)律，根據(jù)巷道的變形特點(diǎn)，對(duì)巷道底板進(jìn)行加固支護(hù)，采用反底拱+底角高強(qiáng)錨桿+底角注漿錨桿聯(lián)合控制底板底鼓，增強(qiáng)了底板圍巖的強(qiáng)度，底板圍巖抗剪能力增加，有助于抵抗巷道底角處的應(yīng)力集中，有效地控制了底鼓。第二個(gè)BC-2斷面和第三個(gè)BC-3斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明，巷道底鼓得到了有效控制，底鼓量較小。

3.2.2 深部圍巖位移監(jiān)測(cè)及分析

巷道圍巖表面位移反映的是巷道表面兩點(diǎn)之間的相對(duì)位移，然而多點(diǎn)位移計(jì)不但可以測(cè)量?jī)?nèi)部圍巖位移，也可以更好的反應(yīng)巷道的礦壓活動(dòng)規(guī)律，對(duì)于檢驗(yàn)巷道的支護(hù)方式的合理性有重要作用。各測(cè)點(diǎn)處深部絕對(duì)位移隨時(shí)間的變化曲線，如下頁(yè)圖2～圖4所示。

圖2 SC-1監(jiān)測(cè)斷面圍巖深部絕對(duì)位移與時(shí)間關(guān)系曲線

圖3 SC-2監(jiān)測(cè)斷面圍巖深部絕對(duì)位移與時(shí)間關(guān)系曲線

圖4 SC-3監(jiān)測(cè)斷面圍巖深部絕對(duì)位移與時(shí)間關(guān)系曲線

3.2.2.1 深部位移的時(shí)效應(yīng)

巷道開挖后，圍巖會(huì)發(fā)生變形，由于應(yīng)力的變化及重新分布，深部巷道各點(diǎn)處的位移也會(huì)發(fā)生變化。大體上，巷道深部圍巖位移隨時(shí)間的增長(zhǎng)呈衰減變化趨勢(shì)，位移發(fā)展變化過程可分為三個(gè)階段:

1）第一階段為劇烈變形階段:巷道開挖后3～21 d左右，巷道深部圍巖各點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化變化明顯，拱頂處最大變形速率約為6.1 mm/d，左幫最大變形速率約為4.0 mm/d，右?guī)?最大變形速率約為3.1 mm/d。

2）第二階段為波動(dòng)變形階段:巷道開挖后21～62 d左右，隨著迎頭向前施工，錨噴網(wǎng)+反底拱+錨注聯(lián)合支護(hù)作用不斷發(fā)揮，巷道圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)。圖3、4表明，當(dāng)迎頭距離監(jiān)測(cè)斷面59 d，監(jiān)測(cè)斷面處的巷道圈巖基本上不受采掘擾動(dòng)，圍巖變形速率變小。巷道開挖45 d左右時(shí)，圍巖內(nèi)部測(cè)點(diǎn)都發(fā)生不同程度的位移，巷道變形量大，主要是受西翼膠帶大巷的采動(dòng)影響。

3）第三階段為穩(wěn)定變形階段:巷道開挖59 d后，經(jīng)過圍巖應(yīng)力平衡之后巷道變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)變速率小于1.2 mm/d，變形趨于穩(wěn)定，通過觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得錨注聯(lián)合支護(hù)的方式可以維持巷道穩(wěn)定。

3.2.2.2 位移分布規(guī)律分析

由圖3分析可知，SC-1斷面靠近施工巷道迎頭，受巷道開采擾動(dòng)的影響比較大，拱頂測(cè)孔距孔口1 m位置的總共位移量、左幫的位移量、右?guī)偷奈灰屏勘容^大:SC-2測(cè)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，拱頂測(cè)孔距孔口1 m位置的總共位移量、左幫位移量、右?guī)臀灰屏慷急萐C-l測(cè)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要??；SC-3監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與其他兩組比較，拱頂測(cè)孔距孔lm位置的總共位移量、左幫位移量、右?guī)臀灰屏孔钚??？拷鼑鷰r表面位移大，離圍巖表面越遠(yuǎn)位移越小。

分析三個(gè)斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果得出表明:內(nèi)部圍巖受工作面開挖擾動(dòng)的影響較大。由于深部熱力耦合巷道開挖后圍巖受集中應(yīng)力的影響，特別是斷層、褶曲等構(gòu)造應(yīng)力較大，且構(gòu)造出圍巖破碎，整體性差，導(dǎo)致巷道圍巖的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)和塑性區(qū)的范圍較大，圍巖破壞從圍巖表面向內(nèi)部圍巖發(fā)展。

圖2 ～圖4表明，支護(hù)條件相同，三個(gè)斷面的圍巖深部位移均呈現(xiàn)“拱頂下沉量大于左幫圍巖變形量大于右?guī)蛧鷰r變形量”的分布規(guī)律。由于巷道左幫受相鄰采掘巷道的影響，對(duì)巷道產(chǎn)生擾動(dòng)，左幫圍巖發(fā)生大的變形量和變形速率；巷道的開挖引起應(yīng)力場(chǎng)的疊加，對(duì)巷道頂板圍巖影響較大，頂板下沉量最大。

4 結(jié)語

西翼軌道大巷破壞嚴(yán)重主要原因在于頂板為泥巖、粉砂巖，巖石節(jié)理教發(fā)育，巷道開挖后成型差，頂板易破碎。由于支護(hù)滯后的原因，造成巷道頂板發(fā)生變形破壞，巷道兩幫壓力大時(shí)，造成頂板應(yīng)力集中，導(dǎo)致圍巖頂板破壞嚴(yán)重，底板底鼓嚴(yán)重。提出了深井熱力耦合軟巖巷道的控制對(duì)策，針對(duì)深部熱力耦合軟巖巷道支護(hù)存在的問題，采用了以錨桿錨索錨注“三錨”為主的聯(lián)合支護(hù)體系，通過現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了“三錨”聯(lián)合支護(hù)方案的合理性與支護(hù)效果。