动压影响下的软岩巷道加固治理技术研究

　第４６卷第１期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１　　２０１８年１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ.２０１８　动压影响下的软岩巷道加固治理技术研究徐佑林１ꎬ张　辉２(１􀆰贵州理工学院矿业工程学院ꎬ贵州贵阳　５５０００３ꎻ２􀆰河南理工大学能源科学与工程学院ꎬ河南焦作　４５４０００)摘　要:针对动压影响下软岩巷道围岩变形强烈、难支护的技术难题ꎬ以湾田煤矿运输下山为研究对象ꎬ采用理论分析建立了巷道塑性范围计算模型ꎬ得出顶部及两帮的最大塑性区范围分别为９.８、１３.６ｍꎬ同时对比分析了动压对塑性区发育范围的影响ꎬ得出巷道上覆工作面采动对巷道稳定性存在明显影响ꎮ结合巷道围岩窥视结果及理论计算得到的巷道塑性区破坏范围ꎬ提出浅部和深部注浆相结合的全断面双壳锚注加固支护技术ꎬ并进行了井下工业性试验ꎮ实践表明ꎬ采用双壳注浆后进行全断面高预应力锚网支护能有效控制强烈动压影响软岩巷道围岩变形ꎮ关键词:软岩巷道ꎻ动压影响ꎻ锚注加固ꎻ全断面支护中图分类号:ＴＤ３５３　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０１－００６８－０６ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｓｏｆｔｒｏｃｋｒｏａｄｗａｙｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅＸＵＹｏｕｌｉｎ１ꎬＺＨＡＮＧＨｕｉ２(１􀆰ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＧｕｉｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＧｕｉｙａｎｇ　５５０００３ꎬＣｈｉｎａꎻ２􀆰ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｏｚｕｏ　４５４０００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｅｒｉｏｕｓｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｓｕｐｐｏｒｔｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｅｍｉｎｅｓｏｆｔｒｏｃｋｒｏａｄｗａｙｕｎ￣ｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅꎬｔａｋｅａｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｄｉｐｉｎＷａｎｔｉａｎＣｏａｌＭｉｎｅａｓａｓｔｕｄｙｏｂｊｅｃｔꎬａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｐｌａｓｔｉｃｓｃｏｐｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙａｎｄａｍａｘｉｍｕｍｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅｓｃｏｐｅｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｅｔｏｐａｎｄｔｗｏｓｉｄｅｗａｌｌｓｗａｓ９.８ｍａｎｄ１３.６ｍｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ.Ｍｅａｎｗｈｉｌｅꎬａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅａｆｆｅｃｔｅｄｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｃｏｐｅｏｆｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｉｎｔｈｅｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎｓｔｒａｔａａｂｏｖｅｔｈｅｍｉｎｅｒｏａｄｃｏｕｌｄｈａｖｅｏｂｖｉｏｕｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｔｏｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙ.Ｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｐｅｅｒｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｏｆｔｈｅｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎬｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｓｃｏｐｅｏｆｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅｉｎｔｈｅｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄꎬａｆｕｌｌｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｄｏｕｂｌｅ－ｓｈｅｌｌｂｏｌｔａｎｄｇｒｏｕｔｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓｕｐｐｏｒｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｈａｌｌｏｗａｎｄｄｅｐｔｈｇｒｏｕｔｉｎｇｗａｓｐｒｏｖｉｄｅｄａｎｄｔｈｅｉｎｄｕｓ￣ｔｒｉａｌｔｒｉａｌｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｅｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ.Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔａｆｔｅｒｔｈｅｄｏｕｂｌｅ－ｓｈｅｌｌｇｒｏｕｔｉｎｇａｐｐｌｉｅｄꎬｔｈｅｆｕｌｌｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｈｉｇｈｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓｅｄｂｏｌｔａｎｄｓｔｅｅｌｍｅｓｈｓｕｐｐｏｒｔｃｏｕｌｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｏｆｔｒｏｃｋｒｏａｄｗａｙｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｓｅｒｉｏｕｓｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｉｎｅｓｏｆｔｒｏｃｋｒｏａｄｗａｙꎻｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓꎻａｎｃｈｏｒｉｎｇａｎｄｇｒｏｕｔｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔꎻｆｕｌｌｓｅｃｔｉｏｎａｌｓｕｐｐｏｒｔ收稿日期:２０１７－０９－２８ꎻ责任编辑:王晓珍　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０１􀆰００９基金项目:贵州省自然科学基金资助项目(黔科合基础[２０１６]１０６８)ꎻ贵州省教育厅青年科技人才成长资助项目(黔科合基础[２０１６]１０６８)ꎻ国家安全生产监管总局重特大事故防治关键技术研究资助项目(ｇｕｉｚｈｏｕ－０００３－２０１７ＡＱ)作者简介:徐佑林(１９８３—)ꎬ男ꎬ贵州贵阳人ꎬ副教授ꎬ博士ꎮ通讯作者:张　辉ꎬ副教授ꎬ博士ꎬＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:徐佑林ꎬ张　辉.动压影响下的软岩巷道加固治理技术研究[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１):６８－７３ꎬ１１１􀆰ＸＵＹｏｕｌｉｎꎬＺＨＡＮＧＨｕｉ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｓｏｆｔｒｏｃｋｒｏａｄｗａｙｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１):６８－７３ꎬ１１１􀆰０　引　　言软岩具有强度低、自承能力差、变形速度快、难以维护等特点ꎬ导致巷道底鼓、顶板冒落成为巷道围岩控制的主要技术难题[１－２]ꎮ由于软岩吸水泥化、膨胀ꎬ强度急剧下降ꎬ加剧了巷道的变８６徐佑林等:动压影响下的软岩巷道加固治理技术研究２０１８年第１期形[３－４]ꎮ煤矿巷道是动态变化的生产过程ꎬ采动影响下的软岩巷道变形也是影响巷道围岩变形的关键[５－６]ꎮ文献[７]针对深部动压软岩巷道底鼓、围岩变形难控制等难题ꎬ提出了锚注支护方案等的综合控制技术ꎬ取得了显著的经济效益ꎻ王其洲等[８]针对Ｕ型钢支架支护动压影响巷道强烈变形的支护难题ꎬ采用数值模拟方法ꎬ研究Ｕ型钢支架－锚索协同支护作用机理ꎬ提出了Ｕ型钢支架－锚索协同支护技术ꎻ史泽坡等[９]针对峰峰矿区某矿软岩巷道围岩变形规律ꎬ采取壁后充填注浆＋Ｕ型钢支架薄弱部位补强技术ꎬ实现支护－围岩承载结构共同承载ꎻ魏海涛等[１０]针对伽师铜矿遇水泥化性破碎软岩巷道经常出现顶板垮塌和边帮变形问题ꎬ通过矿岩物理力学试验和岩石软化特征测试等室内研究手段ꎬ分析了该类软岩的相关力学特性和破坏机理ꎻ许兴亮等[１１]根据泥质巷道的变形破坏特点ꎬ提出采用过程监测和动态优化控制围岩变形的方法ꎬ形成泥化软岩巷道动态过程控制技术ꎮ除此之外ꎬ针对动压影响下软岩巷道的加固支护手段还存在注浆加固、锚网喷隔绝水分以及Ｕ型棚支护等[１２－１５]ꎬ但是针对动压影响下的泥化软岩的研究较少ꎮ因此ꎬ笔者针对湾田煤矿采动影响下的软岩巷道破碎情况进行实测ꎬ分析巷道变形原因ꎬ优化巷道支护设计ꎬ以便有效控制巷道变形ꎬ延长巷道有效使用时间ꎬ降低返修率ꎬ对解决动压作用下软岩巷道的支护难题具有一定的指导作用ꎮ１　工程背景及特征湾田煤矿首采区布置有３条下山ꎬ分别为回风下山、运输下山以及轨道下山ꎬ布置在１８煤底板岩层中ꎬ３条下山位于井田中部ꎬ矿井采用两翼开采ꎬ留设煤柱非常小ꎬ基本与下山边界相切ꎬ且煤层开采顺序错乱ꎬ因此在３条下山上部形成复合煤柱ꎬ在多次采动下巷道均发生了严重的变形ꎬ笔者主要以运输下山巷道的优化支护为例进行分析ꎮ１)巷道位置及基本情况ꎮ运输下山布置在一采区回风下山东侧ꎬ与回风下山相距２０ｍꎬ以２１°倾角从＋１６０２.５ｍ标高顺煤层底板至＋１４０８ｍ标高(距１８煤层底板水平距离５６ｍ)ꎬ长度５４３ｍꎬ半圆拱断面ꎬ净宽为４.４ｍꎬ墙高为１.６ｍꎬ净断面积为１１.８８ｍ２ꎬ掘进断面积为１２.９７ｍ２ꎬ水沟断面为３００ｍｍ×３００ｍｍꎬ运输下山通过回风联络巷形成通风系统ꎬ运输下山装备带式输送机、吊挂无极绳人车、防尘水管(支管)等ꎬ作为一采区煤炭运输、行人、进风等之用ꎮ２)巷道原有支护方式ꎮ原支护采用锚网喷支护ꎮ锚杆采用右旋等强粗螺纹钢锚杆ø１８ｍｍ×２０００ｍｍꎬ间排距１０００ｍｍ×１０００ｍｍꎻ锚索采用１×７股钢绞线ø１５.２４ｍｍ×７３００ｍｍꎬ间排距２０００ｍｍ×２０００ｍｍꎬ每排３根ꎻ锚固剂采用Ｋ２３３５树脂锚固剂ꎮ因受多次动压影响ꎬ巷道底鼓特别剧烈ꎬ经多次挖底后ꎬ巷道顶板和两帮变形严重ꎬ已经不能满足巷道正常运输和通风要求ꎬ巷道进行整体返修ꎬ采用Ｕ２９架棚支护ꎬ排距７００ｍｍꎬ锚索＋槽钢补强加固ꎬ锚索采用１×７股钢绞线ø１５.２４ｍｍ×７３００ｍｍꎬ排距１０００ｍｍ×７００ｍｍꎮ巷道返修后ꎬ底鼓依然强烈ꎬＵ型棚穿入底板ꎬ顶板下沉严重ꎬ返修后２个月内巷道收缩量达到５０％ꎮ持续的大变形很难满足该水平巷道长期服务的需要ꎮ２　巷道围岩破碎情况分析１)巷道围岩变形破坏机理ꎮ为了研究无支护条件下的巷道围岩破坏机理ꎬ采用当量半径的方法[１６]ꎬ将半圆拱形巷道简化为双向不等压圆形巷道ꎬ建立力学模型如图１所示ꎮＰ—垂直应力ꎬＭＰａꎻλ—侧压系数图１　巷道力学模型Ｆｉｇ.１　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｒｏａｄｗａｙ根据外接圆半径法ꎬ巷道的当量半径ｒ为ｒ＝[(２ａ＋ｂ)＋ｂ２/(２ａ＋ｂ)]/４(１)式中:ａ为巷道墙高ꎬ取１.６ｍꎻｂ为巷道宽度ꎬ取４.４ｍꎮ根据式(１)计算得到巷道的当量半径ｒ＝２.５４ｍꎮ取巷道的任一截面为研究对象ꎬ采用平面应变问题的方法ꎬ根据双向不等压状态下圆孔周围的应力分布函数ꎬ求出直角坐标系下截面中任一点(ｘ、９６２０１８年第１期煤炭科学技术第４６卷ｙ)的巷道围岩应力分布函数ꎮσｘ＝Ｐ２(１＋λ)＋Ｐ２ｒ２ρ２(１－３λ)ｃｏｓ２θ－Ｐ２(１－λ)×１－２ｒ２ρ２(１－２ｃｏｓ２２θ)éëêêùûúúσｙ＝Ｐ２(１＋λ)＋Ｐ２ｒ２ρ２(３－λ)ｃｏｓ２θ＋Ｐ２(１－λ)×１－２ｒ２ρ２(１－２ｃｏｓ２２θ)éëêêùûúúτｘｙ＝－Ｐ２(１＋λ)ｒ２ρ２ｓｉｎ２θ＋Ｐ２(１－λ)×４ｒ２ρ２－６ｒ４ρ４æèçöø÷ｓｉｎ２θｃｏｓ２θìîíïïïïïïïïïïïïïïïïïï(２)式中:σｘ、σｙ、τｘｙ为别为双向不等压条件下巷道的最大主应力、最小主应力和剪应力ꎻρ为极半径ꎬｍꎻθ为极角ꎬ(°)ꎮ根据岩石破坏的摩尔－库仑准则ꎬ将应力圆的半径与圆心到摩尔包络线的距离之差作为判断巷道围岩是否破坏的标准[１７]ꎬ建立极半径ρ和极角θ的函数关系ｆ(ρꎬθ)为ｆ(ρꎬθ)＝ｄ－ｒ１(３)应力圆半径ｒ１为ｒ１＝σｘ－σｙ２æèçöø÷２＋τ２ｘｙ(４)应力圆圆心到摩尔包络线的距离ｄ为ｄ＝ｘｔａｎθ－ｙ＋ｃｔａｎ２φ＋１(５)　　其中:ｘ＝σｘ＋σｙ２ꎬｙ＝０ꎻφ为巷道围岩的内摩擦角ꎬ(°)ꎻｃ为巷道围岩的黏聚力ꎬＭＰａꎮ令ｆ(ρꎬθ)＝０ꎬ巷道围岩塑性区即极半径ρꎬ得到巷道塑性区发育范围随极角θ的变化ꎬ巷道塑性区发育范围大致呈椭圆形分布ꎬ巷道顶板及底板破坏深度约为９.８ｍꎬ两帮破坏深度约为１３.６ｍꎬ如图２所示ꎮ结果表明在水平方向即巷道两帮方向塑性区发育范围较大ꎮ２)考虑动压影响的巷道塑性区ꎮ根据巷道的具体地质条件及工程实际ꎬ建立ＦＬＡＣ３Ｄ三维数值分析模型ꎬ模型尺寸为５５ｍ×２０ｍ×５５ｍꎬ具体如图３所示ꎮ模拟应力环境分为２种ꎬ一种是