軟巷道圍巖聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究

摘 要：深部破碎軟巷道圍巖支護(hù)困難，因此為了提高軟巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度，本文提出聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并給出具體支護(hù)方案。以東龐礦12采區(qū)皮帶巷為研究對象，分析其在深部復(fù)雜應(yīng)力場作用和深部圍巖體蠕變效應(yīng)下的破壞機(jī)理，并探究了深井軟巖巷道圍巖控制問題，有針對性地提出了錨網(wǎng)索噴+垂巷“H”形鋼帶梁的聯(lián)合控制技術(shù)，并闡明其圍巖控制機(jī)理?，F(xiàn)場工程測試結(jié)果顯示，采用本文提出的聯(lián)合控制技術(shù)后，巷道頂板及兩幫最大移近量分別為118.7mm與99.2mm，巷道圍巖變形量處于可控范圍，可以對深井軟巖巷道進(jìn)行有效控制。

關(guān)鍵詞：深井；軟巷道；圍巖聯(lián)合支護(hù)

中圖分類號：TD 35 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

研究區(qū)位于地表深處破碎區(qū)域且為軟土土質(zhì)結(jié)構(gòu)的巷道，具有非常復(fù)雜的工程特性，且受到多種因素的干擾和影響，具體包括深層土質(zhì)區(qū)域的應(yīng)力影響、深層土質(zhì)區(qū)域的地溫影響、巷道周圍的圍巖影響、施工過程中的擾動影響等[1]。這些因素交織在一起，形成了復(fù)雜的工程環(huán)境，并且也具有典型的非線性力學(xué)特征。軟土土質(zhì)結(jié)構(gòu)的巷道隨時會受周圍圍巖膨脹擠壓的影響，進(jìn)而導(dǎo)致整個巷道形狀變形[2]。同時，軟土土質(zhì)結(jié)構(gòu)具有土質(zhì)松散的特征，在復(fù)雜應(yīng)力的作用下可能產(chǎn)生土質(zhì)蠕動或者土質(zhì)流變，也會對巷道產(chǎn)生影響。這些影響直接導(dǎo)致煤炭等資源采掘困難。因此，必須給這種情況下的軟巷道提供強(qiáng)有力的支撐，保障其安全性[3]。目前，已有很多對深處破碎區(qū)域且為軟土土質(zhì)結(jié)構(gòu)的巷道進(jìn)行支護(hù)的方式，這些支護(hù)技術(shù)中常使用錨、鋼管、金屬網(wǎng)等支撐物，同時配合具體的支撐方案。聯(lián)合使用多種支撐物可能達(dá)到更有效的支撐效果。由此可知，聯(lián)合支護(hù)是解決軟巷道圍巖支護(hù)的有效方案，因此本文以此為切入點進(jìn)行研究。

1 東龐礦工程概況及軟巷道特征分析

1.1 東龐礦工程概況

東龐礦12采區(qū)皮帶巷埋深約為680m，巷道所在區(qū)域2#煤層沉積穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層中有一層夾矸，厚度變化較大。夾矸厚度為0.7～2.5m，平均厚度為1.61m，煤層總厚度為5～6.18m，平均5.29m。煤層傾角為5°～16°，平均為11°，煤層傾向為264°～332°。直接頂為2.8m的粉砂巖，深灰色，質(zhì)較純而均一，富集植物化石碎片。老頂為7.45m的細(xì)砂巖，淺灰色，厚層狀，細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，成分以石英、長石為主。底板為1.22m的粉砂巖，深灰色，質(zhì)較純而均一，富集植物化石碎片，底部含炭質(zhì)，細(xì)膩近于黏土巖。巷道呈直墻半圓拱形，掘?qū)挒?.5m，掘高為3.5m，掘進(jìn)斷面為13.58m2。

1.2 軟巷道破壞機(jī)理分析

東龐礦是典型的地表深處破碎區(qū)域，且為軟土土質(zhì)結(jié)構(gòu)的巷道，因此具有突出的軟巷道特征。整個巷道不僅周圍圍巖存在較大突出和變形，而且土質(zhì)的蠕動和流變具有較強(qiáng)的破壞作用。綜合考慮，這些因素造成的破壞機(jī)理，包括以下情況。1）東龐礦軟巷道周圍的應(yīng)力場作用復(fù)雜。從所處位置和深度看，東龐礦軟巷道在距離地表區(qū)域以下近700m的位置上。這種深層的土質(zhì)和巖層結(jié)構(gòu)給軟巷道施加了復(fù)雜的應(yīng)力且應(yīng)力作用較大。在強(qiáng)大的壓應(yīng)力作用下，軟巷道周圍的巖層隨時可能出現(xiàn)破裂、破碎、突出等問題，直接導(dǎo)致軟巷道內(nèi)部工作環(huán)境不穩(wěn)。2）東龐礦軟巷道周圍的巖層和土質(zhì)結(jié)構(gòu)存在蠕動和流變的情況。東龐礦軟巷道處在深處的破碎巖層和土質(zhì)結(jié)構(gòu)中，并且其土質(zhì)結(jié)構(gòu)為典型的軟土土質(zhì)結(jié)構(gòu)。這樣的土質(zhì)結(jié)構(gòu)在地質(zhì)因素發(fā)生明顯改變時，極容易出現(xiàn)蠕變和流動。而軟巷道周圍的巖體都呈現(xiàn)碎裂狀態(tài)，也不是具有強(qiáng)支撐的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當(dāng)軟土土質(zhì)結(jié)構(gòu)蠕變和流動時，周圍巖體也會隨之蠕變和流動。

由此可見，上述兩種因素會導(dǎo)致軟巷道的穩(wěn)定性變差、安全性降低。為了改變這種情況，就需要對東龐礦軟巷道進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)東龐礦軟巷道的實際情況，支護(hù)應(yīng)該做到以下兩點：對破碎狀態(tài)較為嚴(yán)重的圍巖進(jìn)行封閉，使巖層的整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；采用強(qiáng)支撐物構(gòu)建內(nèi)部、頂部支撐結(jié)構(gòu)，例如綜合使用錨、鋼管、金屬網(wǎng)。

2 錨網(wǎng)索噴+垂巷“H”形鋼帶梁聯(lián)合支護(hù)技術(shù)及機(jī)理

軟巷道一般具有施工難度大、施工周期長、施工成本高的特點。軟巖地質(zhì)條件復(fù)雜，含水量大，穩(wěn)定性差，易發(fā)生滑坡、塌方、冒頂?shù)纫馔馐鹿?，會使軟巖巷道施工難度加大。軟巖地層隆起、板結(jié)、裂隙、節(jié)理等特征也增加了施工難度。軟巖地質(zhì)條件不穩(wěn)定會導(dǎo)致軟巖巷道施工周期較長，因此在施工過程中需要進(jìn)行大量預(yù)處理和加固。軟巖巷道具有較高的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和安全系數(shù)，因此施工周期相對較長。軟巖巷道施工需要采用大量的材料和人工進(jìn)行加固和支護(hù)，同時施工過程中常常要面臨不穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境，增加了成本和難度。因此，在軟巖巷道施工前，要加強(qiáng)勘察和設(shè)計，特別是針對軟巖地層的特點進(jìn)行綜合分析和評估，確定合適的施工方案和工藝。在軟巖巷道施工過程中，要加強(qiáng)支護(hù)和加固，采用新型材料和技術(shù)來提高支護(hù)和加固效果，同時充分利用地質(zhì)條件和人工手段，保障施工的安全性，保證效率性。

根據(jù)東龐礦12采區(qū)皮帶巷地質(zhì)條件，采用FLAC 3D軟件建立巷道噴層支護(hù)數(shù)值模型。模型頂部為自由邊界，模型四周及底部均為固定邊界。當(dāng)未噴漿處理和噴漿層厚度為70mm時，巷道圍巖塑性區(qū)破壞程度及應(yīng)力分布情況如圖1所示。

由圖1可知，巷道開挖后，圍巖塑性破壞區(qū)域范圍較大。當(dāng)噴射較小厚度的混凝土?xí)r，圍巖塑性區(qū)范圍縮小，但幅度不大；當(dāng)噴漿厚度逐漸增加時，巷道圍巖塑性區(qū)深度減少，但普遍維持在3.4m左右；當(dāng)噴層厚度逐漸增至70mm時，巷道圍巖塑性區(qū)深度進(jìn)一步減少，圍巖塑性區(qū)深度普遍維持在2m左右。

使用錨網(wǎng)、錨桿可以有效地鞏固軟巷道的頂部和側(cè)向巖層，提高軟巷道的強(qiáng)度。噴漿處理則進(jìn)一步減少了軟巷道周邊巖層和土質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響。從圖2中可以看出，隨著噴漿層厚度不斷增加，軟巷道所受的周邊圍巖和土質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也不斷減少，大大提高了軟巷道的安全性。

不同的支護(hù)措施可以發(fā)揮不同的支護(hù)功能，其中，錨桿深入軟巷道周邊巖層和土質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，其配套的錨索和錨網(wǎng)一起對軟巷道周邊巖層起到了整體支護(hù)的作用。在東龐礦的實際支護(hù)中，錨桿的長度和深入度、錨桿的間距都是經(jīng)過具體測算后再進(jìn)行布局，使支護(hù)更加合理?，F(xiàn)場實際的支護(hù)工作結(jié)果和數(shù)據(jù)顯示，錨桿的數(shù)量越多、錨桿之間的間距越小，所能提供的支護(hù)效果越強(qiáng)。密集的錨桿支護(hù)可以增加破碎巖層之間的預(yù)緊力。同時，錨桿長度越大、深入度越深，也有利于進(jìn)一步提高軟巷道頂層和側(cè)向的安全性，可以進(jìn)一步對圍巖起到更好的加固效果。需要根據(jù)錨桿的數(shù)量和位置配置錨網(wǎng)，并對其進(jìn)行更為合理的布局。

3 軟巷道圍巖聯(lián)合支護(hù)效果測試

3.1 東龐礦軟聯(lián)巷道圍巖合支護(hù)方案

對東龐礦的實際情況來說，本文采用了一種聯(lián)合支護(hù)方案。聯(lián)合支護(hù)體現(xiàn)在多類支撐件的聯(lián)合使用，包括錨網(wǎng)支撐件、鋼帶梁支撐件等。從其中一個巷道截面圖可以看到各個支撐件的布局情況。

先在東龐礦軟巷道頂部配置菱形金屬網(wǎng)，然后嵌入“H”形鋼帶梁，形成聯(lián)合支護(hù)的效果。東龐礦軟巷道的兩側(cè)也采用同樣的聯(lián)合支護(hù)方案。

槽鋼錨索托盤使用要求：緊貼頂幫為槽鋼，向外依次為200mm×100mm鋼板、100mm×100mm鋼板、鎖具。點錨索托盤使用要求：緊貼頂幫為400mm×400mm鋼板，100mm×100mm鋼板、鎖具。停采線以里錨索張拉須加木盤。

3.2 礦壓結(jié)果測試

本文通過礦壓試驗進(jìn)一步驗證采用聯(lián)合支護(hù)后的改善效果。觀察軟巷道進(jìn)行支護(hù)后的兩側(cè)幫面和頂板出現(xiàn)的位移情況，如圖3所示。

從圖3可以看出，在軟巷道開挖后，聯(lián)合支護(hù)方案逐漸發(fā)揮作用。在巷道開挖并完成聯(lián)合支護(hù)后的前20天內(nèi)，巷道兩側(cè)和頂部仍然會出現(xiàn)位移。在聯(lián)合支護(hù)方案下，這種位移的強(qiáng)度不大。在20～45天，周圍的巖層和土質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，巷道兩側(cè)和頂部的位移都不再增加。

3.3 支護(hù)效果測試

在應(yīng)用本文提出的錨網(wǎng)索噴+垂巷“H”形鋼帶梁聯(lián)合支護(hù)方案后，東龐礦軟巷道各方面的性能都有所提高，然后，進(jìn)一步測試支護(hù)前后的支護(hù)強(qiáng)度的變化，在測試過程中，在東龐礦軟巷道中間隔一定的距離，隨機(jī)選取5個測試點位。每個測試點位分別采用常規(guī)支護(hù)和本文提出的錨網(wǎng)索噴+垂巷“H”形鋼帶梁聯(lián)合支護(hù)方案，觀察兩種支護(hù)效果的差異。東龐礦軟巷道兩種支護(hù)的效果對比如圖4所示。

從圖4可以看出，對東龐礦軟巷道圍巖采用不同的支護(hù)方法確實取得了不同的支護(hù)效果。綜合5個測試點位來看，采用常規(guī)支護(hù)方法可以使軟巷道的支護(hù)強(qiáng)度提高24%～26%。而采用錨網(wǎng)索噴+垂巷“H”形鋼帶梁聯(lián)合支護(hù)強(qiáng)度則提高了28%以上。由此可見，采用本文提出的支護(hù)技術(shù)，可以使軟巷道的支護(hù)強(qiáng)度提高4個百分點以上。進(jìn)一步觀察測試點1支護(hù)強(qiáng)度歲時間的變化曲線，如圖5所示。

進(jìn)一步觀察測試點1支護(hù)強(qiáng)度歲時間的變化曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出，測試點1在施加了本文的支護(hù)方案后，支護(hù)強(qiáng)度在12天后基本達(dá)成穩(wěn)定，并在這12天時間內(nèi)逐步提升。

4 結(jié)論

在地表深處破碎區(qū)域，且為軟土土質(zhì)結(jié)構(gòu)的巷道具有非常復(fù)雜的工程特性，會受到多種因素的干擾和影響。這些因素交織在一起，形成了復(fù)雜的工程環(huán)境，并且也具有典型的非線性力學(xué)特征。軟土土質(zhì)結(jié)構(gòu)的巷道隨時面臨周圍圍巖膨脹擠壓，導(dǎo)致整個巷道變形。因此本文以東龐礦為具體研究對象，對其周圍的巖層結(jié)構(gòu)、土質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，明確了其軟巷道機(jī)理，并提出了封閉圍巖聯(lián)合支護(hù)方案。通過試驗及結(jié)果證實，利用聯(lián)合支護(hù)方案可以使東龐礦軟巷道得到有效支護(hù)，為采掘作業(yè)提供了安全的作業(yè)場景。

參考文獻(xiàn)

[1]鹿偉，江貝，王琦，等.深部軟巖巷道方鋼約束混凝土拱架基本構(gòu)件力學(xué)特性及參數(shù)影響機(jī)制研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2020，37（3）：473-480.

[2]王軍，黃萬朋，左建平，等.深井交岔點圍巖流變擾動效應(yīng)及鋼管混凝土組合支架支護(hù)技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2018，37（2）：461-472.

[3]劉泉聲，鄧鵬海，畢晨，等.深部巷道軟弱圍巖破裂碎脹過程及錨噴-注漿加固FDEM數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2019，40（10）：4065-4083.