孟慶彬，韓立軍，韓德明，孫景武，梅鳳清，馮　偉

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.華潤(rùn)電力(錫林郭勒)煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

0　引　言

長(zhǎng)期以來，煤炭是中國(guó)的主體能源，隨著中國(guó)中東部深部礦井建設(shè)熱潮的衰退和深井不斷關(guān)停，礦井開采逐漸向煤炭資源豐富的西部地區(qū)發(fā)展。由于西部地區(qū)特殊的成巖環(huán)境，造成廣大西部地區(qū)存在一類特殊軟巖，即極弱膠結(jié)軟巖[1-4]；極軟弱地層井巷工程圍巖自穩(wěn)能力差，自穩(wěn)時(shí)間短，圍巖控制困難，嚴(yán)重影響了西部礦區(qū)礦井的安全高效建設(shè)。

由于極弱膠結(jié)軟巖強(qiáng)度低、遇水泥化、可錨性差，導(dǎo)致錨桿、錨索的錨固性能極低，造成錨桿錨固后極易被拔出，根本無法發(fā)揮錨桿、錨索對(duì)圍巖的加固作用，造成處于極弱膠結(jié)地層中的斜井井筒、大斷面硐室與開拓巷道無法實(shí)施采用錨桿、錨索等主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)；對(duì)于矩形斷面的回采巷道而言，在這類特殊地層中開挖成型與支護(hù)較為困難，巷道返修次數(shù)較多、維護(hù)成本較高。目前在軟巖巷道圍巖穩(wěn)定理論與控制技術(shù)方面的取得了一些進(jìn)展，如孟慶彬等采用FLAC3D分析了錨桿與錨索支護(hù)下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征，揭示了錨桿-錨索預(yù)應(yīng)力耦合支護(hù)效應(yīng)，提出了極弱膠結(jié)地層煤巷矩形斷面開切眼導(dǎo)硐采用錨網(wǎng)索與工字鋼支架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐[4]。Yan等分析了深部煤巷變形破壞特征，提出了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并采用數(shù)值模擬與井下工業(yè)性試驗(yàn)評(píng)價(jià)了支護(hù)效果[5]。袁亮等采用現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)、巖石力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析等綜合研究方法，提出了淮南礦區(qū)深部巖巷圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了深部巖巷圍巖穩(wěn)定控制理論及分步聯(lián)合支護(hù)理念與施工安全控制的成套技術(shù)[6]。Jing等研制了大尺度三維巖體錨固模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了錨桿的受力演化及分布特征，揭示了全長(zhǎng)錨固錨桿的群錨機(jī)理，提出了深部巖巷錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)[7]。孫廣義等將直墻拱形與封閉拱形斷面融合在一起，形成了半封閉型巷道，改善了巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，減小了巷道圍巖的破壞范圍[8]。呂愛鐘從降低硐室圍巖塑性區(qū)面積的角度，基于彈性假定確定了硐室最優(yōu)形狀[9]。高富強(qiáng)采用數(shù)值方法揭示了斷面形狀對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，采用圓弧拱斷面巷道代替矩形斷面巷道，改善了巷道圍巖應(yīng)力狀況，減小了巷道變形量與圍巖塑性區(qū)范圍[10]。

雖然許多學(xué)者針對(duì)軟巖巷道支護(hù)技術(shù)與斷面形狀優(yōu)化[11-12]及圍巖穩(wěn)定控制難題[13-17]進(jìn)行了的理論研究與工程實(shí)踐，解決了許多井巷工程圍巖控制難題。但是，目前對(duì)極軟弱地層井巷工程支護(hù)技術(shù)的研究較少，文中以內(nèi)蒙古錫林浩特市五間房礦區(qū)西一礦極軟弱地層井巷工程為研究背景，通過井下工業(yè)性試驗(yàn)，探討極軟弱地層井巷工程合理支護(hù)技術(shù)，為中國(guó)西部井巷工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支持，保證中國(guó)西部地區(qū)極軟弱地層中煤炭資源的安全高效開采。

1　地質(zhì)特征與圍巖特性

西一礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為800萬t/a，采用斜井盤區(qū)下山開拓方式。西一礦主要含煤地層位于白堊系，煤層頂?shù)装逯饕獮槟z結(jié)程度極差的巖石，煤系地層主要巖石物理力學(xué)參數(shù)詳見表1[18]，并呈現(xiàn)出煤層頂板巖石的強(qiáng)度小于煤層強(qiáng)度的特殊現(xiàn)象。為確定極弱膠結(jié)軟巖的膨脹性粘土礦物成分，采用D/Max-3B型X射線衍射儀，對(duì)巖樣進(jìn)行全巖礦物分析，測(cè)試結(jié)果表明，西一礦軟巖巷道圍巖中的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖的粘土礦物成分以高嶺石、伊利石為主，不含有強(qiáng)膨脹性的蒙脫石，伊蒙混層礦物含量也比較低。膨脹性試驗(yàn)結(jié)果表明[18]，泥巖：膨脹力平均為195.1 kPa，自由膨脹率平均為6.72%；粉砂質(zhì)泥巖：膨脹力平均為225.03 kPa，自由膨脹率平均為16.13%；粉砂巖：膨脹力平均為586.0 kPa，自由膨脹率平均為4.99%；細(xì)砂巖：膨脹力平均為38.38 kPa，自由膨脹率平均為0.54%；遇水后具有一定的膨脹性，但膨脹程度不大，屬于微膨脹性軟巖，但是具有后極易崩解、泥化，在很短時(shí)間內(nèi)成散狀物。

表1　煤系地層巖石物理力學(xué)參數(shù)

采用地質(zhì)雷達(dá)無損探測(cè)技術(shù)對(duì)西一礦開拓與回采巷道的頂板、底板及兩幫進(jìn)行了圍巖松動(dòng)圈測(cè)試，以確定巷道圍巖松動(dòng)圈的大小及分布規(guī)律，為巷道支護(hù)方案與參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，開拓與回采巷道地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面圖如圖1所示，各探測(cè)斷面的松動(dòng)圈范圍詳見表2[19-20]。

表2　巷道圍巖松動(dòng)圈地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

由表1分析可知，開拓巷道圍巖頂板、底板及兩幫的松動(dòng)圈范圍較大，基本上在2.0～3.0 m范圍之內(nèi)，局部可達(dá)到4.0～4.5 m，屬于大松動(dòng)圈[19]。1302回風(fēng)順槽松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果表明，左幫圍巖破碎深度為2.0～3.0 m；頂板圍巖破碎深度可達(dá)到3.0 m左右，右?guī)蛧鷰r破碎深度為2.5 m左右，破碎深度為1.5～2.0 m；總的來說，1302回風(fēng)順槽松動(dòng)圈范圍較大，基本上在2.0～2.5 m范圍之內(nèi)，局部可達(dá)到3.0 m，屬于大松動(dòng)圈[20]。對(duì)于極弱膠結(jié)軟巖巷道而言，其強(qiáng)度較低，自穩(wěn)能力差，開挖后圍巖松動(dòng)圈范圍較大；而錨桿與錨索支護(hù)效果差，支護(hù)結(jié)構(gòu)施加后不能有效地控制圍巖塑性區(qū)的損傷擴(kuò)展，會(huì)造成圍巖進(jìn)一步的變形破壞，極不利于巷道圍巖的穩(wěn)定與控制，最終導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)破壞，使其經(jīng)多次翻修后仍不能滿足正常使用。

2　斜井井筒合理支護(hù)與掘進(jìn)技術(shù)

2.1　分段合理支護(hù)方案設(shè)計(jì)

五間房西一礦主要采用斜井井筒開拓方式，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和井筒檢查孔資料[18]，表土層較厚，第四系主要為風(fēng)積細(xì)沙，松散；第三系粘土，稍濕～濕，堅(jiān)硬～硬塑～可塑，浸水崩解；井筒穿過的白堊系下統(tǒng)巴彥花組地段，砂巖、砂礫巖自穩(wěn)性極差，巖體幾乎沒有膠結(jié)性，巖石基本為極軟巖，巖體完整程度較破碎，自承能力較差；井筒穿過巖層均為弱含水層，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。可根據(jù)井筒穿過的地層條件分段設(shè)計(jì)合理的支護(hù)方案，采用理論計(jì)算與數(shù)值分析驗(yàn)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，通過圍巖變形監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)支護(hù)方案的可行性。

圖1　開拓與回采巷道地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面圖Fig.1　Geological radar detection profile of development roadway and mining roadway

將主斜井井筒支護(hù)設(shè)計(jì)分為表土段、第三系下段Ⅰ，第三系下段Ⅱ，白堊系上段等4段(見圖2)。

1)表土段斜井井筒支護(hù)方案：里程為0～92.408 m(斜井埋深約為0～22.79 m)，以細(xì)砂及粘土為主，條件較差，采用雙層鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)，拱部混凝土厚度為400 mm，墻體混凝土厚度為500 mm，底部片石砂漿層厚度為400 mm，現(xiàn)澆混凝土厚度為400 mm；采用二級(jí)18 mm鋼筋，間排距為@300 mm；

2)第三系下段Ⅰ斜井井筒支護(hù)方案：里程為92.408～150.0 m(斜井埋深約為22.79～33.74 m)，以細(xì)砂巖及粘土為主，支護(hù)方式采用16#工字鋼+掛網(wǎng)噴混凝土初次支護(hù)，排距為700 mm，噴混凝土厚度為160 mm，然后再用鋼筋混凝土砌碹(厚度為240 mm)；底部片石砂漿層厚度為400 mm，現(xiàn)澆混凝土厚度為400 mm；采用二級(jí)18 mm鋼筋，間排距為@300 mm；

3)第三系下段Ⅱ斜井井筒支護(hù)方案：里程為150.0～295.0 m(斜井埋深約為33.74～66.36 m)，以細(xì)砂巖及粘土為主，設(shè)計(jì)分二次支護(hù)：一次支護(hù)采用掛網(wǎng)+16#工字鋼，排距為700 mm，噴混凝土厚度為160 mm，二次支護(hù)采用掛網(wǎng)錨噴混凝土厚度為140 mm；底部片石砂漿層厚度為400 mm，現(xiàn)澆混凝土厚度為200 mm；

4)白堊系上段斜井井筒支護(hù)方案：里程為295.0～568.181 m(斜井埋深約為66.36～120.0 m)，以砂巖及泥巖為主，設(shè)計(jì)采用鋼筋網(wǎng)+16#工字鋼+噴混凝土支護(hù)(厚度為160 mm)，現(xiàn)澆混凝土鋪底200 mm；掛網(wǎng)規(guī)格為鋼絲直徑φ6.5 mm，網(wǎng)孔為150 mm×150 mm；16#工字鋼排距為700 mm，在每架16#工字鋼的兩底端各焊接一塊鋼板，鋼板的規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=300 mm×250 mm×10 mm；砌碹混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，噴混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，鋪底混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20.

基于圍巖壓力理論、彈塑性理論等，采用ANSYS大型有限元軟件，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，驗(yàn)算了支護(hù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)的合理性(因篇幅限制，該計(jì)算過程省略)。并采用FLAC3D模擬分析了斜井井筒支護(hù)方案的支護(hù)效果，數(shù)值模擬結(jié)果詳見表3；結(jié)果表明，所提出的斜井井筒支護(hù)方案可有效地控制斜井井筒圍巖的變形與底臌，抑制了圍巖塑性區(qū)的損傷擴(kuò)展，保證了斜井井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及安全。當(dāng)斜井井筒穿過較弱不良地層時(shí)，進(jìn)行超前導(dǎo)管支護(hù)，并采取短掘短支、加強(qiáng)支護(hù)的技術(shù)手段，保證了斜井井筒的施工安全與進(jìn)度。

表3　斜井井筒支護(hù)方案效果數(shù)值模擬分析結(jié)果

圖2　斜井井筒合理支護(hù)方案Fig.2　Reasonable supporting scheme of inclined shaft

2.2　斜井井筒圍巖變形監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性與支護(hù)效果，對(duì)不同里程段斜井井筒圍巖變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以反映斜井井筒圍巖表面位移的大小及斷面收縮程度，各監(jiān)測(cè)斷面圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3　斜井井筒圍巖收斂變形與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.3　Curves of convergence deformation vs.time of inclined shaft surrounding rock

由圖3分析可知，主斜井井筒12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、副斜井28個(gè)監(jiān)測(cè)斷面及回風(fēng)斜井9個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的兩幫收斂變形曲線趨勢(shì)基本一致，即隨著時(shí)間的延續(xù)，兩幫圍巖變形經(jīng)過劇烈變形、波動(dòng)變形及穩(wěn)定變形等3個(gè)階段后趨于穩(wěn)定[19]，即井筒圍巖位移隨時(shí)間變化關(guān)系曲線為衰減穩(wěn)定型。主斜井井筒里程約為5.3～549.8 m(埋深約為1.2～123.7 m)，兩幫收斂變形約為15.0～36.2 mm，平均值約為25.38 mm；副斜井井筒里程約為2.4～1 358.2 m(埋深約為0.2～130.2 m)，兩幫收斂變形約為12.6～28.5 mm，平均值約為21.24 mm；回風(fēng)斜井井筒里程約為3.5～325.4 m(埋深約為1.4～127.1 m)，兩幫收斂變形約為14.1～41.2 mm，平均值約為26.19 mm.根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)極軟弱地層這一特殊工程地質(zhì)條件，采用了對(duì)斜井井筒采用全封閉型鋼支架、鋼筋混凝土與全封閉型鋼支架、雙層鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等2種合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證了斜井井壁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定與安全。

3　開拓大巷合理支護(hù)與掘進(jìn)技術(shù)

3.1　合理支護(hù)方案設(shè)計(jì)

由于大巷所穿越地層巖性為極弱膠結(jié)的軟巖，其強(qiáng)度極低，無法有效地實(shí)施錨桿、錨索等主動(dòng)支護(hù)，并且巷道開挖后自穩(wěn)能力較低，巷道支護(hù)困難；只能采用被動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，以保證巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及安全。

1)正常段開拓大巷：采用掛雙層網(wǎng)+噴混凝土+16#工字鋼支架，支護(hù)厚度為300 mm；支架采用16#工字鋼制作，間距700 mm，支架底腳板采用10 mm厚鋼板制作，底腳板規(guī)格400 mm×400 mm×10 mm.金屬網(wǎng)為φ6.5 mm鋼筋焊接，網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm(圖4)。巷道混凝土鋪底加設(shè)工字鋼底梁，工字鋼底梁間距1 400 mm，混凝土鋪底增加一層金屬網(wǎng)，混凝土鋪底厚度為600 mm反底拱；鋪底混凝土、噴混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25；

2)過斷層段開拓巷道支護(hù)方案：采用掛雙層網(wǎng)噴+16#工字鋼加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)厚度為350 mm，工字鋼間距700 mm；巷道混凝土鋪底加設(shè)工字鋼底梁，工字鋼底梁間距700 mm，混凝土鋪底增加一層金屬網(wǎng)；鋪底混凝土、噴混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25；

3)加強(qiáng)支護(hù)段開拓巷道支護(hù)方案：采用16#工字鋼支架+掛網(wǎng)噴混凝土+鋼筋混凝土襯砌，支架采用16#工字鋼制作，工字鋼棚間距700 mm，支架底腳板采用10 mm厚鋼板制作，底腳板規(guī)格400 mm×400 mm×10 mm；金屬網(wǎng)為φ6.5 mm鋼筋焊接，網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm；主筋采用二級(jí)18 mm鋼筋，間排距為@300 mm；箍筋采用二級(jí)6.5 mm鋼筋，間排距為@600 mm；巷道混凝土鋪底加設(shè)工字鋼底梁，工字鋼底梁間距1 400 mm，混凝土鋪底增加一層金屬網(wǎng)，混凝土鋪底厚度為600 mm反底拱；鋪底混凝土、噴混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25.

圖4　開拓大巷合理支護(hù)方案Fig.4　Reasonable supporting scheme of main development roadway

3.2　開拓巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)分析

圍巖變形量是反映巷道變形規(guī)律與穩(wěn)定狀態(tài)最直觀的物理量，也是評(píng)價(jià)支護(hù)效果最直觀可行的指標(biāo)[21-22]。巷道圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)采用收斂計(jì)，每隔30～50 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，開拓巷道圍巖位移隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖5分析可知，東一回風(fēng)大巷8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、東一主運(yùn)大巷22個(gè)監(jiān)測(cè)斷面及西一主運(yùn)大巷15個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的兩幫收斂變形曲線趨勢(shì)基本一致，即巷道圍巖位移隨時(shí)間變化關(guān)系曲線為衰減穩(wěn)定型。東一回風(fēng)大巷里程約為780.0～1 003.7 m(埋深約為169.0～175.5 m)，兩幫收斂變形約為23.1～42.0 mm，平均值約為30.71 mm；東一主運(yùn)大巷里程約為729.0～1 027.0 m(埋深約為164.3～176.5 m)，兩幫收斂變形約為4.0～24.1 mm，平均值約為13.96 mm；西一主運(yùn)大巷里程約為690.0～880.0 m(埋深約為147.9～150.6 m)，兩幫收斂變形約為13.0～30.7 mm，平均值約為19.75 mm.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，根據(jù)開拓巷道圍巖工程地質(zhì)條件，提出了全封閉型鋼支架、雙層鋼筋網(wǎng)與噴射混凝土組成的聯(lián)合支護(hù)方案，提高了巷道掘進(jìn)效率，保證了開拓巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及安全。

圖5　開拓巷道圍巖收斂變形與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5　Curves of convergence deformation vs.time of development roadway surrounding rock

采用FLAC3D模擬研究了巷道開挖后的圍巖變形特征及塑性區(qū)演化規(guī)律，分析了不同埋深和側(cè)壓力系數(shù)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定的影響規(guī)律[20]，為優(yōu)化不同埋深條件下開拓巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)形式提供了依據(jù)。當(dāng)巷道過斷層破碎帶時(shí)，提出了合理施工與支護(hù)工藝，制定了過斷層及探水施工安全措施，以保障巷道施工安全，防止出水事故。

4　回采大巷合理支護(hù)與掘進(jìn)技術(shù)

4.1　回采巷道斷面與支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)西一礦極弱膠結(jié)地層回采巷道的工程特征與地質(zhì)條件，提出了基于錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)的雙層錨固平衡拱結(jié)構(gòu)(圖6)，其要點(diǎn)為[23]

1)巷道開挖過程中，巷道周邊會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)圈效應(yīng)，當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)松動(dòng)巖體進(jìn)行支護(hù)時(shí)，通過鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯等輔助支護(hù)作用，對(duì)破碎圍巖產(chǎn)生徑向壓縮作用，形成內(nèi)層錨固拱結(jié)構(gòu)，此外，錨桿之間的相互擠壓作用保證了內(nèi)層拱的形成與穩(wěn)定，由錨桿形成的壓縮拱結(jié)構(gòu)稱為內(nèi)層錨固拱結(jié)構(gòu)；

2)當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)時(shí)，如果錨索的支護(hù)密度足夠大，錨索由于壓縮錐疊加作用同樣形成外層壓縮拱結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用密集錨索支護(hù)時(shí)，對(duì)原內(nèi)層錨固結(jié)構(gòu)起到了強(qiáng)化作用，并對(duì)內(nèi)層錨固結(jié)構(gòu)施加了徑向壓力，提高了內(nèi)層錨固結(jié)構(gòu)的承載能力；

而在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，區(qū)間經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不均衡問題也較為顯著，在珠三角地區(qū)以及粵東西北地區(qū)存在顯著的差異，這樣就造成了城市旅游效率的差異等問題。

3)錨索作為加強(qiáng)支護(hù)方式，由于錨固深度大，可將內(nèi)層錨固結(jié)構(gòu)錨固在上部穩(wěn)定巖層中，錨索的預(yù)應(yīng)力錨固作用形成的外層錨固結(jié)構(gòu)與錨桿作用形成的內(nèi)層錨固結(jié)構(gòu)相互疊加形成雙層錨固平衡拱結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加了錨固層的厚度。錨索一般較長(zhǎng)，可以在很大范圍內(nèi)對(duì)松動(dòng)圍巖產(chǎn)生擠壓作用，不但分擔(dān)了部分圍巖壓力，還較大幅度的提高了圍巖的穩(wěn)定性與承載能力。因此，外層錨固結(jié)構(gòu)的形成可以保證巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；

4)鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯的主要作用是防止錨桿錨固區(qū)域內(nèi)的破碎巖塊掉落和提高錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度及支護(hù)效果。

1-高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿　2-鋼筋網(wǎng)　3-錨桿托盤4-低松馳預(yù)應(yīng)力錨索　5-錨索托盤　6-鋼筋托梁圖6　雙層錨固平衡拱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6　Structure of double balance arch

采用力學(xué)基本原理推導(dǎo)出了雙層錨固平衡拱結(jié)構(gòu)的承載力與支護(hù)參數(shù)及雙層錨固平衡拱結(jié)構(gòu)拱厚的計(jì)算公式等[23]。并采用FLAC3D研究了雙層組合拱結(jié)構(gòu)形成機(jī)制，初步揭示了合理斷面形狀、錨桿與錨索支護(hù)參數(shù)對(duì)雙層組合拱結(jié)構(gòu)形成機(jī)制的影響規(guī)律[23]，并提出了極弱膠結(jié)地層回采巷道分類支護(hù)技術(shù)方案與參數(shù)[20，24]，主要采用錨網(wǎng)索耦合支護(hù)方案，如圖7所示。錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)：錨桿規(guī)格為φ20 mm(直徑)×2 400 mm(長(zhǎng)度)，間排距為700 mm(間距)×700 mm(排距)，預(yù)緊力設(shè)計(jì)值不低于50 kN；錨桿采用拱型高強(qiáng)度托盤，規(guī)格為150 mm(長(zhǎng)度)×150 mm(寬度)×8 mm(厚度)；金屬網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸為φ6.5 mm(直徑)×50 mm(長(zhǎng)度)×50 mm(寬度)；鋼筋托梁采用φ14 mm的圓鋼焊接，要求巷道全斷面使用；錨索規(guī)格為φ17.8 mm(直徑)× 5 100/6 000 mm(長(zhǎng)度)，間排距為1 600 mm(間距)×2 100 mm(排距)，按3-2-3的方式進(jìn)行布置，預(yù)緊力設(shè)計(jì)值不低于150 kN；錨索采用高強(qiáng)度墊板，規(guī)格為300 mm(長(zhǎng)度)×300 mm(寬度)×16 mm(厚度)；底板采用C35混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑，底拱處混凝土的厚度為300 mm，墻角處混凝土的厚度為200 mm.

圖7　回采巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案Fig.7　Combined support scheme of bolt-mesh-cable in mining roadway

采用FLAC3D揭示了不同斷面形狀回采巷道開挖后圍巖穩(wěn)定演化規(guī)律，確定了回采巷道采用切圓拱形斷面，既可提高巷道斷面使用率，又有利于圍巖自穩(wěn)能力的提高與拱頂錨固平衡拱結(jié)構(gòu)的形成，提高了錨網(wǎng)索支護(hù)效果，保證了圍巖穩(wěn)定與支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠；分析了不同支護(hù)技術(shù)方案對(duì)回采巷道圍巖穩(wěn)定控制效果[20，24-25]，提出了回采巷道過斷層與富水地層時(shí)的掘進(jìn)技術(shù)與施工工藝及支護(hù)方案，確保其施工安全與圍巖穩(wěn)定。

4.2 　回采巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)分析

采用收斂計(jì)對(duì)回采巷道圍巖變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，每隔30～50 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，采用中腰十字布點(diǎn)法布設(shè)測(cè)點(diǎn)，極弱膠結(jié)地層回采巷道圍巖收斂變形與時(shí)間關(guān)系曲線如圖8所示[20，24]。

圖8　回采巷道圍巖收斂變形與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.8　Curves of roadway surrounding rock deformation deformation-time

由圖8分析可知，1302運(yùn)輸順槽11個(gè)兩幫收斂變形監(jiān)測(cè)斷面、10個(gè)頂板下沉監(jiān)測(cè)斷面的曲線變化趨勢(shì)基本一致，即巷道圍巖位移隨時(shí)間變化關(guān)系曲線為衰減穩(wěn)定型。1302運(yùn)輸順槽巷道里程約為1 242～2 067 m(巷道埋深約為224.8～263.7 m)，兩幫收斂變形約為6～81 mm，平均值約為41.67 mm；頂板下沉量約為2～29 mm，平均值約為17 mm.圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，回采巷道兩幫收斂變形量大于頂板下沉量(除個(gè)別測(cè)點(diǎn)外)，即說明錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地控制了頂板的下沉與離層；隨著巷道埋深的增加，巷道圍巖變形與頂板下沉量呈增大的趨勢(shì)，且巷道局部地段出現(xiàn)了輕微底臌，故應(yīng)采取相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)“控頂、強(qiáng)幫、固底”的圍巖控制理念，以保證回采巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定及安全。

5　結(jié)　論

1)針對(duì)蒙東礦區(qū)極軟巖具有松散、破碎、遇水泥化、強(qiáng)度極低、自穩(wěn)能力差等特征，提出了全封閉型鋼支架、雙層鋼筋網(wǎng)與噴射混凝土組成的剛?cè)崧?lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定及安全；

2)針對(duì)極軟弱地層這一特殊工程地質(zhì)條件，提出了開拓巷道采用“雙層網(wǎng)+噴混凝土+工字鋼支架”和“工字鋼支架+網(wǎng)噴+鋼筋混凝土襯砌”等兩類支護(hù)技術(shù)方案，滿足了極軟弱地層中開拓巷道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的需要；

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]賈海賓，蘇麗君，秦哲.弱膠結(jié)地層巷道地應(yīng)力數(shù)值反演[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，30(5)：30-35.

JIA Hai-bin，SU Li-jun，QIN Zhe.Ground stress numerical inversion of roadways with weakly cemented strata[J].Journal of Shandong University of Science and Technology：Natural Science Edition，2011，30(5)：30-35.

[2]王磊，王渭明.基于各向異性彈塑性模型的軟巖巷道變形研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012，29(8)：12-16.

WANG Lei，WANG Wei-ming.Analysis of soft-rock roadway deformation based on anisotropic elasto-plastic constitutive model[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012，29(8)：12-16.

[3]王渭明，王磊，代春泉.基于強(qiáng)度分層計(jì)算的弱膠結(jié)軟巖凍結(jié)壁變形分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(增2)：4110-4116.

WANG Wei-ming，WANG Lei，DAI Chun-quan.Frozen wall deformation analysis in weakly cemented soft rock based on layered calculation of strength[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(Suppl.2)：4110-4116.

[4]孟慶彬，韓立軍，喬衛(wèi)國(guó)，等.極弱膠結(jié)地層煤巷錨網(wǎng)索耦合支護(hù)效應(yīng)研究及應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016，33(5)：770-778.

MENG Qing-bin，HAN Li-jun，QIAO Wei-guo，et al.Supporting effect and application of bolt-net-anchor coupling support under extremely weak cementation formation[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2016，33(5)：770-778.

[5]YAN Shuai，BAI Jian-biao，LI Wen-feng，et al.Deformation mechanism and stability control of roadway along a fault subjected to mining[J].International Journal of Mining Science and Technology，2012，22(4)：559-565.

[6]袁亮，薛俊華，劉泉聲，等.煤礦深部巖巷圍巖控制理論與支護(hù)技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(4)：535-543.

YUAN Liang，XUE Jun-hua，LIU Quan-sheng，et al.surrounding rock stability control theory and support technique in deep rock roadway for coal mine[J].Journal of China Coal Society，2011，36(4)：535-543.

[7]JING Hong-Wen，YANG Sheng-Qi，ZHANG Mao-Lin，et al.An experimental study on anchorage strength and deformation behavior of large-scale jointed rock mass[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2014，43(7)：184-197.

[8]孫廣義，陳剛，于蒲喜.深部開采巷道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].煤炭工程，2008(9)：57-60.

SUN Guang-yi，CHEN Gang，YU Pu-xi.The optimized design and application research of roadway cross-section in deep mining[J].Coal Engineering，2008(9)：57-60.

[9]呂愛鐘.高地應(yīng)力區(qū)地下硐室斷面形狀的選擇方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，1997，22(5)：495-498.

LV Ai-zhong.Selection method of section configration of underground chamber in high strata stress zone[J].Journal of China Coal Society，1997，22(5)：495-498.

[10]高富強(qiáng).斷面形狀對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，26(2)：43-46.

GAO Fu-qiang.The effect of numerical simulation analysis of crosssect ion shapes of roadways on surrounding rock stability[J].Journal of Shandong University of Science and Technology：Natural Science Edition，2007，26(2)：43-46.

[11]侯朝炯.深部巷道圍巖控制的有效途徑[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，46(3)：467-473.

HOU Chao-jiong.Effective approach for surrounding rock control in deep roadway[J].Journal of China University of Mining and Technology，2017，46(3)：467-473.

[12]李桂臣，張農(nóng)，王成，等.高地應(yīng)力巷道斷面形狀優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(5)：652-658.

LI Gui-chen，ZHANG Nong，WANG Cheng，et al.Optimizing the sect ion shape of roadways in high stress ground by numerical simulation[J].Journal of China University of Mining and Technology，2010，39(5)：652-658.

[13]康紅普，王金華，林健.煤礦巷道錨桿支護(hù)應(yīng)用實(shí)例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(4)：649-664.

KANG Hong-pu，WANG Jin-hua，LIN Jian.Case studies of rock bolting in coal mine roadways[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(4)：649-664.

[14]張國(guó)鋒，于世波，李國(guó)峰，等.巨厚煤層三軟回采巷道恒阻讓壓互補(bǔ)支護(hù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(8)：1619-1626.

ZHANG Guo-feng，YU Shi-bo，LI Guo-feng，et al.Research on complementary supporting system of constant resistance with load release for three-soft mining roadways in extremely thick coal seam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(8)：1619-1626.

[15]張農(nóng)，高明仕.煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(5)：524-527.

ZHANG Nong，GAO Ming-shi.High-strength and pretension bolting support of coal roadway and its application[J].Journal of China University of Mining and Technology，2004，33(5)：524-527.

[16]王金華.全煤巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理與效果分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(1)：1-7.

WANG Jin-hua.Analysis on mechanism and effect of rock bolts and cables in gateroad with coal seam as roof[J].Journal of China Coal Society，2012，37(1)：1-7.

[17]LI Shu-cai，WANG Qi，WANG Hong-tao，et al.Model test study on surrounding rock deformation and failure mechanisms of deep roadways with thick top coal[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2015，47(10)：52-63.

[18]內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院.內(nèi)蒙古自治區(qū)西烏珠穆沁旗五間房煤田西一井田煤炭勘探報(bào)告[R].錫林浩特：內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，2009.

Inner Mongolia Geological Survey Institute.Coalfield geological prospecting reports in Xiwuzhumuqin banner Wujianfang coal-miners[R].Xilinhot：Inner Mongolia Geological Survey Institute，2009.

[19]孟慶彬，韓立軍，喬衛(wèi)國(guó)，等.深極弱膠結(jié)地層開拓巷道圍巖演化規(guī)律與監(jiān)測(cè)分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(4)：572-579.

MENG Qing-bin，HAN Li-jun，QIAO Wei-guo，et al.Evolution of surrounding rock in pioneering roadway with very weakly cemented strata through monitoring and analysising[J].Journal of China Coal Society，2013，38(4)：572-579.

[20]MENG Qing-bin，HAN Li-jun，QIAO Wei-guo，et al.Support technology for mine roadways in extreme weakly cemented strata and its application[J].International Journal of Mining Science and Technology，2014，24(2)：157-164.

[21]劉泉聲，張偉，盧興利，等．?dāng)鄬悠扑閹Т髷嗝嫦锏赖陌踩O(jiān)控與穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(10)：1954-1962．

LIU Quan-sheng，ZHANG Wei，LU Xing-li，et al.Safety monitoring and stability analysis of large-scale roadway in fault fracture zone[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(10)：1954-1962．

[22]MENG Qing-bin，HAN Li-jun，QIAO Wei-guo，et al.Mechanism of rock deformation and failure and monitoring analysis in water-rich soft rock roadway of western China[J].Journal of Coal Science and Engineering(China)，2012，18(3)：262-270.

[23]梅鳳清.極軟弱地層錨固結(jié)構(gòu)形成機(jī)制與承載特性研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2013.

MEI Feng-qing.Study on formation mechanism and bearing behavior of anchor structure in very soft strata[D].Xuzhou：China University of Mining and Technology，2013.

[24]孟慶彬，韓立軍，浦海，等.極弱膠結(jié)地層煤巷支護(hù)體系與監(jiān)控分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(1)：234-245.

MENG Qing-bin，HAN Li-jun，PU Hai，et al.Research and monitoring analysis of coal roadway bolting system in very weakly cemented stratum[J].Journal of China Coal Society，2016，41(1)：234-245.

[25]MENG Qing-bin，HAN Li-jun，SUN Jing-wu，et al.Experimental study on the bolt-cable combined supporting technology for the extraction roadways in weakly cemented strata[J].International Journal of Mining Science and Technology，2015，25(1)：113-119.