深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究

張士杰

(河南能源焦煤公司趙固二礦，河南 新鄉(xiāng) 453600)

1 工程概況

趙固二礦西膠帶大巷埋深740～820 m，屬于深部埋深巷道，巷道圍巖的性質(zhì)主要是砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及泥質(zhì)膠結(jié)等，表現(xiàn)出松軟破碎特點，整體呈現(xiàn)出承載性能較差的特點。巷道原支護(hù)采用的是錨網(wǎng)索噴支護(hù)，巷道多數(shù)地段在施工不到15 d均出現(xiàn)了明顯的變形，在很多部位變形量超過了1 400 mm，給巷道維護(hù)工作帶來了較大的難度，在嚴(yán)重影響到巷道整體使用的地段進(jìn)行了多次返修，返修后巷道仍舊處于不穩(wěn)定狀態(tài)，給礦井西部煤炭資源的開采帶來了較大的影響。

2 西膠帶大巷圍巖變形破壞特征

為了更為精準(zhǔn)地掌握西膠帶大巷變形破壞機(jī)理，對巷道變形破壞情況進(jìn)行了現(xiàn)場勘查，得到了巷道變形破壞特征如下。

2.1 巷道全斷面破壞嚴(yán)重

從西膠帶大巷現(xiàn)場開拓情況來看，在巷道掘進(jìn)過程中，出現(xiàn)了明顯的整體破壞情況，頂板破裂的圍巖受到自身重力的作用，大面積垮塌的情況明顯，如圖1所示。

圖1 巷道整體變形破壞嚴(yán)重

2.2 巷道頂板下沉明顯

通過現(xiàn)場勘查來看，雖然部分巷道未出現(xiàn)巷道整體坍塌的情況，但是頂板下沉量非常大，根據(jù)勘查表明，巷道頂板下沉量平均達(dá)到了320 mm，最大的位置超過了500 mm，且表現(xiàn)出明顯的蠕變變形，巷道整體圍巖變形持續(xù)時間非常長。巷道頂板下沉如圖2所示。

2.3 巷道底板鼓起量較大

巷道底板鼓起量較大是西膠帶大巷又一明顯特點，通過現(xiàn)場勘查，巷道底板鼓起量平均超過了400 mm，最大位置超過了620 mm，巷道底板鋪設(shè)的軌道在很多地段整體被掀翻，已經(jīng)不能正常使用。同時，通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫的下部和底板兩個底角的位置，出現(xiàn)了明顯的雨水膨脹的情況，進(jìn)一步加劇了巷道底板的變形，如圖3所示。

圖2 巷道頂板下沉明顯

圖3 巷道底板隆起明顯

2.4 巷道兩幫收斂量較大

巷道兩幫整體出現(xiàn)了明顯收斂，根據(jù)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫整體的收斂量平均超過了350 mm，最大收斂量接近500 mm，兩幫嚴(yán)重的內(nèi)擠，不僅影響到巷道正常的通行，同時也給巷道通風(fēng)等方面帶來了較大的影響，如圖4所示。

圖4 巷道兩幫收斂明顯

此外，從現(xiàn)場勘查情況來看，巷道錨桿、錨索外移的情況較多，這表明錨桿、錨索在圍巖變形過程中出現(xiàn)了被拉斷的情況，整體的支護(hù)已經(jīng)失效，如圖5所示。

圖5 錨桿支護(hù)失效圖

3 西膠帶大巷變形破壞機(jī)理分析

3.1 巷道圍巖成分分析

為了更加深入地掌握圍巖變形破壞的原因，選擇使用X射線衍射的方式對現(xiàn)場圍巖取得的巖樣進(jìn)行分析，選擇使用的儀器是D/Max-3A型X射線衍射儀，具體分析結(jié)果如表1所示。

從巷道圍巖巖性定量分析情況來看，巷道整體包含的膨脹型軟巖成分較高，且從巖石整體的組成情況來看，巷道圍巖整體巖性較差，承載強(qiáng)度極限強(qiáng)度較低，容易出現(xiàn)大變形破壞的情況。

表1 巷道圍巖巖性成分分析 單位：%

3.2 巷道所處位置地應(yīng)力分析

根據(jù)西膠帶大巷所處位置的地質(zhì)資料表明，巷道埋深平均達(dá)到了780 m，整體的垂直應(yīng)力非常大，且通過現(xiàn)場對巷道所處位置地應(yīng)力進(jìn)行測試表明，垂直主應(yīng)力為28.5 MPa，最大水平主應(yīng)力為30.8 MPa，最小水平主應(yīng)力為18.2 MPa，測壓系數(shù)達(dá)到1.4，巷道整體所受的地應(yīng)力非常大。在如此大的地應(yīng)力作用下，巷道圍巖巖性又相對較差，在高應(yīng)力作用下，已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的高應(yīng)力軟巖的特征。

3.3 巷道圍巖松動圈測試

為了掌握巷道圍巖整體變形破壞的范圍，設(shè)計使用聲波法對巷道2個位置的圍巖松動圈的厚度進(jìn)行了測定，如圖6所示。

圖6 巷道圍巖松動圈范圍

從圖6可知，巷道圍巖整體的松動圈的范圍較大，為1.8～2.5 m，按照巷道圍巖松動圈的范圍來分析，屬于大松動圈巷道。

4 西膠帶大巷返修支護(hù)

4.1 巷道返修支護(hù)分析

通過對巷道變形破壞特征和導(dǎo)致變形破壞的機(jī)理進(jìn)行分析，本次返修設(shè)計提出了巷道初次支護(hù)采用柔性“固”，在此基礎(chǔ)上給巷道一定的變形破壞的空間，引導(dǎo)巷道釋放內(nèi)部積聚的高能量；最后，采用高強(qiáng)度“抗”的方式，形成“剛?cè)岵?jì)、耦合支護(hù)”的總體返修支護(hù)方案。

首先，設(shè)計采用“錨網(wǎng)索噴”支護(hù)的方式，在巷道內(nèi)形成第一道主動支護(hù)結(jié)構(gòu)，對巷道圍巖的力學(xué)性能進(jìn)行完善與加固，最大限度保證巷道圍巖的完整性，將圍巖的自承能力發(fā)揮到最佳，在經(jīng)過了初期的加固之后，給巷道留有一定變形空間，允許巷道有一定的變形，實現(xiàn)有效讓壓，釋放巷道內(nèi)部高能量。最后，實現(xiàn)對巷道變形整體的“抗”，通過在巷道內(nèi)形成高剛度、高強(qiáng)度鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)的形式全面實現(xiàn)對巷道變形的整體限制，確保巷道穩(wěn)定。

4.2 具體返修支護(hù)方案設(shè)計

1)初期錨網(wǎng)索噴支護(hù)設(shè)計方案。錨桿支護(hù)設(shè)計參數(shù)為：φ22 mm×2 500 mm，間排距為700 mm。幫錨索支護(hù)參數(shù)為：φ17.8 mm×4 300 mm，間排距為1 400 mm。其中設(shè)計錨桿的預(yù)緊力均為65 kN，錨索的預(yù)緊力均為75 kN。鋼筋網(wǎng)參數(shù)為φ6 mm，網(wǎng)格大小為100 mm×100 mm，初噴設(shè)計為C20混凝土，厚度控制在50 mm左右，復(fù)噴仍采用C20混凝土，厚度控制在60 mm左右。

2)中期預(yù)留變形量設(shè)計。本次支護(hù)留設(shè)的給巷道變形的空間為200 mm左右。

3)全斷面封閉格柵拱架鋼筋混凝土支護(hù)設(shè)計。格柵拱架的斷面為350 mm×200 mm，間距為700 mm，主筋為縱筋，根數(shù)為6根，參數(shù)為φ22 mm。箍筋選擇使用為圓鋼，參數(shù)為φ12 mm，間距設(shè)計為200 mm。在拱架架設(shè)好之后，進(jìn)行鋼筋網(wǎng)全面鋪網(wǎng)，通過使用鋼絲進(jìn)行全面的綁扎，形成一個支護(hù)整體。在全部工作完成后，進(jìn)行混凝土澆筑，通過泵送的方式進(jìn)入澆筑，混凝土澆筑的厚度在400 mm左右，強(qiáng)度等級可達(dá)到C50。具體支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 返修支護(hù)方案效果圖

4.3 返修支護(hù)效果分析

為了驗證本次返修后支護(hù)效果，選擇使用十字布點法對巷道圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測分析，通過觀測，得到了巷道圍巖變形曲線，如圖8所示。

圖8 返修后巷道圍巖變形曲線圖

從圖8可以看出，巷道在選擇使用新支護(hù)方案后，整體的巷道圍巖穩(wěn)定性得到了較好的控制，頂?shù)装遄畲蟮囊平拷咏?20 mm，兩幫的相對移近量接近80 mm。這說明新支護(hù)方案在控制巷道圍巖穩(wěn)定方面取得了較好的效果。

5 結(jié)語

大量深部煤炭資源開采實踐表明，在深部巷道支護(hù)時，其相對于傳統(tǒng)巷道支護(hù)方式已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，通過設(shè)計預(yù)留變形空間的方式，可取得較好的泄壓承載效果。影響深部巷道圍巖穩(wěn)定性的因素相對較為復(fù)雜，在進(jìn)行巷道支護(hù)時，須綜合考慮，實現(xiàn)對巷道圍巖穩(wěn)定的整體性控制。