提高支護(hù)強(qiáng)度控制深部巷道圍巖變形

摘 　要 : 簡(jiǎn)要分析了鶴壁礦區(qū)深部巷道圍巖變形特征及支護(hù)機(jī)理 , 指出常用錨桿主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度偏低 , 是造

成深部巷道變形破壞的主要原因 , 結(jié)合工程實(shí)例提出了提高支護(hù)強(qiáng)度 , 控制深部巷道圍巖變形的主要技術(shù)措

施。

1 、問題的提出鶴壁礦區(qū)主采山西組 2 1 煤 , 煤厚平均 8 m , 傾角一般 15 °～ 25 ° , 煤系地層構(gòu)造較復(fù)雜 , 斷層和褶曲相當(dāng)發(fā)育。礦區(qū)現(xiàn)有八對(duì)礦井 , 生產(chǎn)水平埋深在500 m 以上 , 最深達(dá) 750 m , 高應(yīng)力難支護(hù)工程軟巖問題日趨突出。傳統(tǒng)的錨網(wǎng)噴及架棚支護(hù) , 由于支護(hù)強(qiáng)度偏低或支護(hù)方式不當(dāng)?shù)仍?, 造成深部巷道失修率高 , 維護(hù)費(fèi)用大。因此分析研究深部巷道圍巖變形特征 , 尋求提高支護(hù)強(qiáng)度的有效方法 , 確保深部巷道圍巖穩(wěn)定 , 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。深部巷道常見巖石物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表 1 。

2 　深部巷道圍巖變形特征及支護(hù)機(jī)理

2. 1 圍巖變形特征

(1) 非彈性變形區(qū)的產(chǎn)生 [1]

　　深部巷道開挖后 , 若切向應(yīng)力集中超過圍巖強(qiáng)度 , 巷道周邊巖石首先變形破壞 , 并逐步向內(nèi)部擴(kuò)展 , 產(chǎn)生松動(dòng)區(qū) , 塑性區(qū) ( 圖1)

。非彈性變形區(qū)半徑 R 為

式中 　 C 、Φ———巖石的粘結(jié)力與內(nèi)摩擦角 ;

R o ———巷道掘進(jìn)斷面外接圓半徑 ;

γ———上覆巖層的加權(quán)平均容重 ;

h ———巷道中心至地表的距離 ;

K ———采動(dòng)支承壓力集中系數(shù) ;

p i ———支護(hù)強(qiáng)度。

由上式可知 , 巷道斷面越大、巖石強(qiáng)度越低、埋深越大及受采動(dòng)影響越嚴(yán)重 , 則非彈性區(qū)半徑 R越大。上式同時(shí)反映出 , 當(dāng)其它因素確定后 , R 僅是P i 的函數(shù) , 表示為 R = f ( P i) ,即提供的支護(hù)強(qiáng)度P i 越大 , 則 R 越小 ; 反之則 R 越大。

(2) 圍巖變形類型

　　巖石強(qiáng)度會(huì)隨著應(yīng)力作用時(shí)間延長(zhǎng)而降低。堅(jiān)硬巖石如石灰?guī)r、 S 9 砂巖等長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度為瞬時(shí)強(qiáng)度 70 % ～ 75 %; 濕度較大的松軟巖石砂質(zhì)泥巖、泥巖等長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度只有 50 % ～ 60 % , 甚至更低。巷道

圍巖變形是非彈性區(qū)形成和發(fā)展的直接體現(xiàn)。根據(jù)深部巷道圍巖應(yīng)力與強(qiáng)度對(duì)比關(guān)系 , 以及取得的礦壓監(jiān)測(cè)成果 [3] 分析 , 有三種不同類型的變形 ( 圖2)

① Ⅰ類變形 : 巷道圍巖應(yīng)力小于或等于長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度 , 圍巖呈現(xiàn)彈性變形和蠕變 ( 彈粘性變形) ,但連續(xù)性不遭破壞 , 只形成彈粘性變形區(qū) , 位移量小于 50 ～ 60 mm 。

② Ⅱ類變形 : 巷道圍巖應(yīng)力超過長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度但小于瞬時(shí)強(qiáng)度 , 圍巖呈現(xiàn)彈一粘 —塑性流動(dòng) , 且伴有微裂縫形成和擴(kuò)容現(xiàn)象 , 形成松動(dòng)區(qū) 1. 5 ～ 3 m ,非彈性區(qū)深 6 m , 位移量不超過 200 mm 。

③ Ⅲ類變形 : 如果巷道圍巖應(yīng)力大于瞬時(shí)強(qiáng)度 , 變形特點(diǎn)是圍巖剛暴露變形速度最大 , 立即形成瞬時(shí)破壞區(qū) , 其邊界隨應(yīng)力不斷重新分布和時(shí)間的推移擴(kuò)大 , 最終形成長(zhǎng)期破壞區(qū) 3 ～ 5 m , 非彈性區(qū)達(dá) 10 ～ 12 m 。該類圍巖很少會(huì)完全穩(wěn)定 , 位移量通常超過 200 mm 。對(duì)深部巷道 ( 埋深 600 ～ 1000 m) , 受原巖應(yīng)力加大影響 , 在較高掘進(jìn)集中應(yīng)力或采動(dòng)支承壓力作用下 , 巷道圍巖應(yīng)力 —強(qiáng)度工況條件惡化 , 除石灰?guī)r、 S 9 砂巖等 ( σ c > 100 MPa) 發(fā)生 Ⅰ類或 Ⅱ類變形外 ; 其它大量巖石包括砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖及煤等 , 一般均發(fā)生 Ⅲ類變形。

2. 2 　支護(hù)機(jī)理

　　從上分析可知 , 深部巷道圍巖穩(wěn)定性取決于圍巖應(yīng)力與強(qiáng)度相對(duì)大小 , 要使其穩(wěn)定持久不破壞 ,所受應(yīng)力必須小于或等于圍巖長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度。巷道支護(hù)機(jī)理是通過支護(hù)抗力作用 , 提高圍巖徑向應(yīng)力 ,改善圍巖應(yīng)力狀態(tài) , 使非彈性區(qū)的強(qiáng)度高于所受應(yīng)力 , 滿足圍巖穩(wěn)定條件 , 從而控制變形防止失穩(wěn)破壞。深部 Ⅰ類變形巷道 , 圍巖強(qiáng)度足以抵抗產(chǎn)生的應(yīng)力無需支護(hù) , 為防止圍巖風(fēng)化剝落 , 采用噴射混凝土封閉 , 或采用較弱強(qiáng)度的錨噴支護(hù)即可。但

Ⅱ、Ⅲ類特別是 Ⅲ類變形巷道 , 支護(hù)強(qiáng)度作用很大。據(jù)文獻(xiàn) [4] , 煤層及動(dòng)壓巷道支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不低于 0.2 MPa , 才能有效控制圍巖劇烈變形。目前常用的管縫錨桿及 Q235 圓鋼 Φ 16 mm 端頭錨固樹脂錨

桿 , 設(shè)計(jì)錨固力 40 kN , 按錨桿間排距均為 0. 75 m計(jì) , 支護(hù)強(qiáng)度只有 0. 071 MPa , 顯然主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度明顯偏低 , 不能滿足深部巷道圍巖穩(wěn)定需要 , 是造成巷道變形破壞的主要原因。

3 、提高支護(hù)強(qiáng)度 , 控制深部巷道圍巖變形主要措施及實(shí)踐

3. 1 采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度樹脂錨桿支護(hù)體系 , 提高主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度

(1) 提高樹脂錨桿錨固力

　　錨桿是通過錨固力增加圍巖徑向應(yīng)力 , 發(fā)揮圍巖自承能力穩(wěn)定圍巖的 , 錨桿錨固力對(duì)控制圍巖變形具有重要作用。錨桿支護(hù)技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家 , 如美國(guó)、澳大利亞等 , 煤巷大都采用 Φ 20 ～ 24 mm 高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度全長(zhǎng)錨固樹脂錨桿 , 錨固力達(dá) 200 ～300 kN , 錨桿的錨固強(qiáng)度和可靠性顯著提高 [5] 。十礦 - 575 m 水平南翼大巷 ( 埋深 735 m) , 開始施工時(shí) , 采用普通錨網(wǎng)噴支護(hù) , 使用的管縫錨桿錨固力僅 30 ～ 40 kN , 未能有效控制深部圍巖壓力與變形 ,發(fā)生局部冒頂事故 , 被迫采用 U 型鋼拱架維修 ; 后通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍巖松動(dòng)圈 , 選擇 L 2. 0 m

、Φ20mm20MnSi 建筑螺紋鋼端頭錨固樹脂錨桿 , 錨固力80 ～ 120 kN , 才確保了巷道圍巖穩(wěn)定 , 并提高支護(hù)

效率 , 降低支護(hù)費(fèi) 939 元 / m , 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(2) 增大錨桿預(yù)拉力

　　理論與實(shí)踐證明 , 保證錨桿有足夠的預(yù)拉力 ,才能使錨固范圍結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度 ( c 、Φ值 ) 提高 , 真正實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)。據(jù)文獻(xiàn) [6] 研究 , 當(dāng)錨桿預(yù)拉力達(dá)到 60 ～ 70 kN 時(shí) , 就可有效地控制巷道頂板下沉變形 , 并可適當(dāng)加大錨桿間排距。針對(duì)煤系地層水平應(yīng)力較大的特點(diǎn) , 在三礦 31011 回采巷道 ( 埋深 550m) , 根據(jù)錨桿支護(hù)“剛性”梁理論 , 設(shè)計(jì)高強(qiáng)度、高預(yù)拉力、大間排距(1. 2× 1. 2 m) 新型錨桿支護(hù)體系。錨桿系鐓頭式組合錨桿 , 錨桿體為 L 1. 8 m 、Φ 22 mm20 MnSi 建筑螺紋鋼 , 樹脂錨固端長(zhǎng) 800mm , 錨桿附件包括 150 × 150 × 10 mm 金屬托盤及增壓減摩墊圈。錨桿系統(tǒng)屈服載荷 ≥ 150 kN , 極限承載力 ≥ 200 kN , 施加預(yù)拉力 60 kN 。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得良好支護(hù)效果及經(jīng)濟(jì)效益 , 新型錨桿每米巷道比原使用 Φ 16 mmQ235 圓鋼普通樹脂錨桿數(shù)量減少60 % , 掘進(jìn)速度提高了 12. 3 % , 支護(hù)成本較原普通樹脂錨桿降低 24. 7 % , 比架工字鋼棚降低 55. 6 % 。

(3) 增強(qiáng)網(wǎng)、梁及噴層護(hù)表構(gòu)件作用網(wǎng)、梁及噴層在錨桿支護(hù)體系中屬護(hù)表構(gòu)件 ,是確保錨桿支護(hù)效果的重要措施。高質(zhì)量護(hù)表構(gòu)件能有效地控制錨桿之間圍巖變形 , 托住已碎裂的巖石 , 有效地將非錨固巖層載荷傳遞給錨桿 , 巷道圍巖穩(wěn)定性越差 , 護(hù)表構(gòu)件作用越重要。近年來試驗(yàn)鋼筋網(wǎng) ( Φ 4 ～ 6 mm) 及金屬菱形網(wǎng)、 W 鋼帶、鋼筋梯 ( Φ 14 mm) 等 , 有明顯的控制圍巖變形作用。噴射混凝土能封閉圍巖 , 且與圍巖結(jié)成整體 ,有利于將載荷傳遞到錨桿及深部圍巖 , 可顯著提高巷道的穩(wěn)定性。但素噴混凝土系脆性材料 , 強(qiáng)度較低且柔性較差 , 巷道位移量 10 ～ 20 mm 即發(fā)生裂隙。十礦試驗(yàn)噴射鋼纖維混凝土 , 改善了噴層的力學(xué)性能 , 能適應(yīng)深部巷道圍巖較大變形要求 , 效果較好。

3.2 　實(shí)施壁后充填 [7] , 提高 U 型鋼可縮性支架工作阻力U 型鋼可縮性支架是深部 Ⅱ、Ⅲ類變形巷道常用的聯(lián)合支護(hù)材料。但使用時(shí)缺乏壁后充填 , 支架與圍巖間存在空間 , 長(zhǎng)時(shí)間不能對(duì)圍巖移動(dòng)產(chǎn)生阻力 , 導(dǎo)致松動(dòng)變形增加和非彈性區(qū)擴(kuò)大 , 惡化了支架受力條件 , 局部應(yīng)力集中造成承載能力下降 , 實(shí)際承載只有理論值的 20 % , 支架變形嚴(yán)重。若及時(shí)實(shí)施壁后充填 , 使圍巖 —充填體 —支架形成共同承載結(jié)構(gòu) , 能大幅度提高支架工作阻力 , 降低圍巖變形 80 % 以上 , 且大大減少支架的變形損壞。四礦二水平膠帶暗斜井尾巷 , 由于受上覆煤層區(qū)段煤柱固定支承壓力影響 , 采用錨網(wǎng)噴與 25U型鋼支架聯(lián)合支護(hù) , 仍不能有效控制圍巖穩(wěn)定 , 造成 U 型鋼支架折斷變形 , 巷道冒頂與底臌嚴(yán)重 , 后研究采用 ZKD 形高水速凝材料 , 實(shí)施架后充填注漿加固。充填體水灰比為 2. 2 ∶ 1 , 強(qiáng)度 4. 0 MPa 。充填后 , 由于支架受力均勻 , 承載能力提高 , 抑制圍巖變形效果十分明顯 , 變形速度由原來的 2. 29mm/ d 降到 0. 1 mm/ d 以下 , 保證了巷道長(zhǎng)期使用安全可靠。

3. 3 　復(fù)雜條件下使用預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)預(yù)應(yīng)力錨索能增加錨固深度和提高主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度。在跨度大、圍巖穩(wěn)定性差 , 大變形深部軟巖工程 , 使用預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)取得較好效果。大斷面巖巷采用注漿錨索。四礦 - 250 m 水平原煤水提升站硐室群 ( 最大凈斷面 43. 6 m 2 ) 及 -250 m 水平膠帶機(jī)頭硐室 ( 最大凈斷面 49. 3 m 2 ) 加固 ; 二礦新副井馬頭門及交叉點(diǎn)加固 , 均使用預(yù)應(yīng)力注漿錨索 , 錨索長(zhǎng) 8 ～ 15 m , 極限承載力 1000 kN ,施加預(yù)拉力 300 kN 。煤巷采用小孔徑預(yù)應(yīng)力樹脂錨索 , 該錨索為單根 Φ 15. 24 mm 鋼絞線 , 錨索孔徑 Φ 28 mm , 長(zhǎng)6 ～10 m , 樹脂錨固劑加長(zhǎng)錨固(0. 8～ 1. 5 m) , 采用單體錨桿鉆機(jī)安裝。錨索極限承載力 260. 7 kN , 施加預(yù)拉力 100 ～ 150 kN 。四礦 2132 綜放面全煤運(yùn)巷(2. 8× 2. 4 m) 采用高強(qiáng)錨網(wǎng)梁支護(hù)后 , 又使用小孔徑預(yù)應(yīng)力樹脂錨索加強(qiáng)支護(hù)。巷道經(jīng)受住回采移動(dòng)支承壓力影響 , 回采期間頂板下沉量最大為

124.8 mm , 兩幫移近量為 182. 4 mm , 滿足了安全生產(chǎn)需要。

4 　結(jié)論

　　高強(qiáng)度、高預(yù)拉力樹脂錨桿主動(dòng)支護(hù) , 是深部巷道較好支護(hù)方式 ; 對(duì)條件復(fù)雜、圍巖變形劇烈的工程 , 可采用壁后充填 U 型鋼可縮性支架聯(lián)合支護(hù) , 或預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)。實(shí)踐表明 , 提高支護(hù)強(qiáng)度 , 能有效控制深部巷道圍巖變形 , 取得良好的支護(hù)效果 , 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。