極軟表土層支護技術研究

 引言
平煤股份三礦十號井回風斜井長度為960m，其上部位于第四系沖積層，以炭質頁巖、亂石夾黃土及中粒松軟砂巖為主，巷道圍巖強度低，膠結程度差，松散易碎，遇水膨脹，極不穩(wěn)定，斜井中間有一段地面標高+161.0m，巷道標高
-25—-41，中心線方位角為217°，斜長121m。由于圍巖不穩(wěn)定，巷道在使用過程中變形嚴重，主要表現(xiàn)為兩幫碹體向巷內擠出，碹體頂部料石壓碎脫落，底鼓量大，個別段寬度僅為1.7m，巷道持續(xù)變形嚴重，造成風速增大，行人困難。
1 巷道破壞原因分析
1.1 圍巖性質。該段巷道以炭質頁巖、亂石夾黃土及中粒松軟砂巖為主，強度低，遇水軟化嚴重，具有膨脹性。圍巖的自身承載能力低，經(jīng)過多次修復，造成圍巖松動范圍加大，這更使得圍巖承載能力下降。這是造成巷道難以維護的重要因素之一。
1.2 支護形式。軟巖巷道變形具有初期變形速度大，變形持續(xù)時間長等特點，要在掘巷初期控制巷道變形，就必須給以很大的支護強度。巷道采用料石碹支護，這種支護方式有支護強度低，支護剛度大，抗變形能力差的特點，因此，這種支護方式就不適應軟巖巷道初期圍巖的強烈變形。另外，當頂壓在不均勻和不對稱作用情況下，拱部會出現(xiàn)剪應力，特別是在中央截面處有較大的剪應力；而且，由于是炮掘，巷道成型差，筑砌碹體時，碹體與圍巖難以實現(xiàn)緊密接觸，易形成間隙，致使碹體局部承載，受力狀況惡劣。
1.3 軟巖巷道的礦壓特征是四周來壓，不僅有頂壓、側壓，還有底壓，因此，對軟巖巷道不僅要加強頂幫支護，還要加強底板支護，防止底鼓，然而，現(xiàn)有的支護方式?jīng)]有考慮底板支護，這是造成巷道變形量大的又一原因。
2 加固方案的提出
拆除碹體，刷大巷道斷面，表土層采用U型鋼全封閉支架掛網(wǎng)噴射混凝土封閉圍巖，基巖采用錨桿掛網(wǎng)噴漿支護。
3 巷道參數(shù)確定的數(shù)值分析
借助目前巖土工程常用的方法即非線性數(shù)值分析方法，利用此方法調整模型方便、計算時間短和靈活的特點，并且可以通過計算得到留巷巷道周邊圍巖的應力和變形，達到用理論結果指導現(xiàn)場工程實踐的目的。
3.1 模型參數(shù)確定 ①模型范圍的確定。在巖層移動數(shù)值模擬中，限于數(shù)值模擬軟件可運行單元數(shù)的限制或為了節(jié)約時，通常采用與相似材料模擬實驗相類似的簡化方法。根據(jù)巷道所處的地質條件，建立巷道剖面—平面應變模型，模擬高度從巷道底板影響范圍以外至地表，寬度取40m，模擬范圍為50m×40m。模型兩側面為滑動支承，底部為固定支承，上部為自由邊界。模型劃分8000個單元，8424個網(wǎng)格結點。②材料模型及屬性的合理確定與測點設置 圍巖物理力學性質參照該礦實際巖體力學特性和相近礦區(qū)的巖體力學參數(shù)確定。節(jié)理特性考慮采動影響，圍巖本構關系采用摩爾—庫侖及應變軟化模型，均勻網(wǎng)格。
3.2 新方案支護效果及參數(shù)確定 ①U型鋼支架選擇。井下條件復雜，巷道支架承受的載荷及載荷分布均在不斷變化，特別是圍巖變形量較大的巷道，這就增加了巷道支護工作的復雜性，同時也對支護型鋼的性能提出了更高的要求。U型鋼是我國主要的礦用支護型鋼，它具有較高的抗拉、抗壓、抗剪強度和良好的韌性能使支架承載能力高，有利于保持巷道良好的維護狀況，減少支架的變形損壞和修復工作量。另外，U型鋼在巷道徑向與走向方向具有較大的承載能力和較大的抗變形能力。鑒于以上優(yōu)點，在本方案中，巷道支護采用全封閉U型鋼支架。綜合理論計算結果和現(xiàn)場施工經(jīng)驗并考慮給支架承載能力留有一定的富裕系數(shù)，本方案采用U29型鋼作為支護材料。②棚距確定。采用數(shù)值分析的方法確定U型鋼棚距。根據(jù)支護材料參數(shù)，模擬棚距分別為600mm、650mm、700mm三種情況。
三種棚距下圍巖變形情況如表1所示。
通過比較可以看出，棚距為600mm、650mm時圍巖變形量相差不大，支護效果相差不大。當棚距增加到700mm時圍巖變形量增加較多，變化較大。同時，由上面的支架受力分析可知，支架受載荷不均勻，不利于巷道圍巖的維護。因此，綜合考慮支護效果與經(jīng)濟成本，確定棚距為650mm。
4 實驗分析
4.1 施工工藝 ①噴厚的確定。噴射混凝土能夠充分發(fā)揮對圍巖的加固支護作用，創(chuàng)造支護結構與圍巖密帖接觸條件，盡快地充填圍巖裂隙封閉圍巖，平整巷道輪廓。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，確定噴厚為100mm。噴射混凝土時間為支架架設7～10d之后。②金屬網(wǎng)規(guī)格。考慮到巖性易破碎，對安全存在不利的因素，決定采用加菱形金屬網(wǎng)支護。金屬網(wǎng)規(guī)格定為（長×寬）為2000mm×1000mm，網(wǎng)孔60×60mm。③施工工藝。拆除碹體→刷大斷面至規(guī)定斷面→掛網(wǎng)→架設全封閉U型鋼支架→噴射混凝土封閉圍巖。表土段擴大斷面后，先架設U型鋼支架，支架與圍巖之間鋪設金屬網(wǎng)，間距650mm。架設U型鋼全封閉支架7～10天后，圍巖與支架全斷面接觸時，開始噴射混凝土。處噴厚度為50mm，復噴厚度為50mm?；鶐r段擴修巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，巷道凈寬4m，凈高3m，錨桿采用MG400？準20mm1.6m螺紋鋼錨桿，每根錨桿配CK2350超快速錨固劑1支，M2335慢速低稠錨固劑2支，間排距600mm×650mm。錨桿拉拔力不小于150KN，預緊力矩不小于250N·m。巷道底角？準處加打錨索，錨索間距1.2m，即兩排錨桿的距離，錨索采用18mm×8m，19根鋼絞線的高強錨索。
4.2 圍巖變形觀測 ①觀測內容。對圍巖表面位移等進行觀測。②測站設置。方案開始施工30m后設置第一個測站，隔20m后再設1個測站，共設4個，表土、基巖段各2個，每個測站3個測面。在每個測面的頂、底板和兩幫的中部各布置1個測點。采用“十字測量法”進行觀測。采用鋼尺進行量測，主要觀測內容包括頂?shù)装逑鄬σ平?，兩幫的相對移近量和底鼓量。表面位移觀測均填表，表格形式如表2所示。通過對回風斜井上部極軟表土層段的理論分析和數(shù)值計算，長期監(jiān)測，通過反饋的信息，可得到結論：U型鋼全封閉支架與短錨桿全長錨固噴射混凝土可保證斜井軟巖巷道的長期穩(wěn)定。
5 結語
U型鋼支架與短錨桿全長錨固巷道底角加錨索并噴射混凝土封閉圍巖支護，圍巖結構面得到強化，表現(xiàn)為結構面法向和切向剛度增大，圍巖黏聚力和內摩擦角增大，連續(xù)性得到增強，在應力場作用下，拱部和墻體處的巖體通過擠壓作用容易形成壓力拱結構，提高了圍巖的自承能力，使得圍巖變形量小，圍巖受力均勻，環(huán)向應力趨于一致，形成環(huán)向應力流，噴層等支護結構受力小，圍巖自承能力得到充分發(fā)揮，改善了圍巖的工作狀態(tài)。斜井擴修好后，可有效增加礦井進風量：Q=S·v=8.09m2×4m/s×60s=1920m3/min；S=πR2/2+2Rb=3.14×1.52÷2+2×1.52=8.09m2。式中：S為巷道凈斷面積，v為巷道中的風速，R為半圓拱半徑，b為拱墻高。將有效解決井下局部供風量不足，采掘工作面溫度高，生產(chǎn)效率低的問題，對礦井的深部開采意義重大。