B080305二次耦合支護(hù)技術(shù)在軟巖巷道中的應(yīng)用

1、二次耦合支護(hù)技術(shù)在軟巖巷道中的應(yīng)用吳元峰【山東泰豐礦業(yè)集囹有限公司山東新泰271204摘 要巷道二次耦合支護(hù)是軟巖巷道支護(hù)新技術(shù)。文中闡述了巷道二次耦合支護(hù)原理、最佳二次組合支護(hù)時(shí)段的確定、組合支護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。通過王家寨煤礦-510m南翼總回風(fēng)巷的支護(hù)設(shè)計(jì)，介紹了軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制及其力學(xué)對策、初次耦合支護(hù)參數(shù)、二次耦合支護(hù)參數(shù)的確定方法。 關(guān)鍵詞二次耦合支護(hù)原理最佳支護(hù)時(shí)間和時(shí)段 支護(hù)參數(shù)引言隨著礦井開采深度的加大， 生產(chǎn)礦井水平延深， 巷道圍巖表現(xiàn)出了一些軟巖的性質(zhì)，支護(hù)出現(xiàn)了一些新問題。一次支護(hù)很難使巷道的變形速度趨于穩(wěn)定。在巷道周邊，圍巖應(yīng)力在不同時(shí)段、不同部位的分布是不均勻的， 支

2、護(hù)體往往首先在薄弱部位變形破壞，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)。二次耦合支護(hù)是一種非線性等強(qiáng)支護(hù)，利用最佳支護(hù)時(shí)段的原理進(jìn)行圍巖支護(hù)，能有效的減緩巷道薄弱部位的變形破壞量。1工程概況根據(jù)區(qū)域開拓設(shè)計(jì)方案，為形成 -510m水平南翼下組煤生產(chǎn)系統(tǒng)，滿足 -510m水平生產(chǎn) 時(shí)的通風(fēng)、行人、運(yùn)輸、管線敷設(shè)的需要，設(shè)計(jì)布置-510m水平南翼總回風(fēng)巷。巷道設(shè)計(jì)長度1017 斷面為直墻半圓拱形，S荒=10.29 m2 , S凈=9.14 m 2,凈寬3.2m,凈高3.0m。巷道服務(wù)年限同礦井服務(wù)年限。-510m水平南翼總回風(fēng)巷揭露 11煤層后，圍巖條件開始弱化，表現(xiàn)出軟巖特性，按原 作業(yè)規(guī)程制定的支護(hù)方案施工 1400余

3、m巷道后方短期內(nèi)即有較嚴(yán)重的礦壓顯現(xiàn)，巷道出 現(xiàn)了變形。2巖體結(jié)構(gòu)-510m南翼總回風(fēng)巷迎頭掘進(jìn)素描如圖1所示。煤110.2m0.4m0.10.15m1.0m3.5m圖2耦合支護(hù)的基本特征溫詼主護(hù)妹另堆的帽舍.恰到 奸姓地、及時(shí)地阻削/甘出于冊 性大堂形農(nóng)生變整不降痢部位， 蹇現(xiàn)卷道健#硫磺結(jié)核棕褐色粘土巖深灰色粉砂巖煤12圖1 -510m水平南翼總回風(fēng)巷揭露 11煤層巷道素描從掘進(jìn)素描圖可以看出，煤層眼角結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在1.6m左右的煤層厚度范圍內(nèi)，間夾著0.2m的硫磺結(jié)核和0.10.15m的棕褐色粘土巖。11煤頂板為豆青色粉砂巖，結(jié)構(gòu)致 密，平均抗壓強(qiáng)度 39.22MPa；底板為厚度 30

4、m左右深灰色粉砂巖，層理裂隙較發(fā)育，并伴 有數(shù)層弱面出現(xiàn)，弱面間充填有厚度不均的粘土巖，極易風(fēng)化潮解，發(fā)生蠕變。3耦合支護(hù)特征根據(jù)軟巖巷道圍巖的變形破壞機(jī)理，軟巖巷道實(shí)現(xiàn)耦合支護(hù)的基本特征在于巷道圍巖與 支護(hù)體在強(qiáng)度、剛度及結(jié)構(gòu)上的耦合，耦合支護(hù)特征如圖2所示。3.1強(qiáng)度耦合由于軟巖巷道圍巖本身所具有的巨大的變形能，一味采取高強(qiáng)度的支護(hù)形式不可能阻止其圍巖的變形，從而也就不能達(dá)到成功進(jìn)行軟巖巷道支護(hù)的目的。與硬巖不同的是，軟巖進(jìn)入塑性后，本身仍具有較強(qiáng)的承載能力，因此對于軟巖巷道來講，應(yīng)在不破壞圍巖本身承載強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，充分釋放其圍巖變形能，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度耦合，再實(shí)施支護(hù)。3.2剛度耦合由于軟巖巷道

5、的破壞主要是變形不協(xié)調(diào)而引起的，因此支護(hù)體的剛度與圍巖的剛度耦合，一方面支護(hù)體要具有充分的柔度， 允許巷道圍巖具有足夠的變形空間， 避免巷道圍巖由 于變形而引起的能量積聚；另一方面，支護(hù)體又要具有足夠的剛度，將巷道圍巖控制在其允 許變形范圍之內(nèi)，避免因過度變形而破壞圍巖本身的承載強(qiáng)度。 這樣才能在圍巖與支護(hù)體共 同作用過程中，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化、荷載均勻化。3.3結(jié)構(gòu)耦合對于圍巖結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的不連續(xù)變形，通過支護(hù)體對關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)耦合支護(hù)（例如打錨索就屬于關(guān)鍵部位的加強(qiáng)支護(hù)），限制其不連續(xù)變形，防止因個(gè)別部位的破壞引起整個(gè)支護(hù)體的失穩(wěn)，達(dá)到成功支護(hù)的目的。3.4最佳支護(hù)時(shí)間和最佳支護(hù)時(shí)段的概念最佳

6、支護(hù)時(shí)間是指可以使以變形的形式轉(zhuǎn)化的工程力與圍巖自撐力之和（Pr+Pd）同時(shí)達(dá)到最大的支護(hù)時(shí)間，其意義如圖 3所示。圖3表明，最佳支護(hù)時(shí)間就是（Pr+Pd） t曲 線峰值點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間 T s。實(shí)踐證明，該點(diǎn)與 Pdt曲線和Pr t曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間基本相同。此時(shí)，支護(hù) 使Pd在優(yōu)化意義上充分地達(dá)到最大，最佳支護(hù)時(shí)間點(diǎn)的確定，在工程實(shí)踐中是難以辦到的，所以提出了最佳支護(hù)時(shí)段概念，最佳支護(hù)時(shí)段的概念如圖4所示。圖3最佳支護(hù)時(shí)間Ts的含義PPii-I.-圖4最佳支護(hù)時(shí)段的含義其原理是既要使圍巖變形能得到有效釋放，圍巖本身還具有一定強(qiáng)度，又要使初次支護(hù)能力得到充分發(fā)揮。當(dāng)圍巖放壓曲線與支護(hù)系統(tǒng)讓

7、壓曲線相交時(shí)，所對應(yīng)的時(shí)間為最佳二次組合支護(hù)時(shí)間。此時(shí)，圍巖放壓在優(yōu)化意義上達(dá)到了充分大，又保護(hù)了圍巖強(qiáng)度，同時(shí)，支 護(hù)體讓壓在優(yōu)化意義上也達(dá)到了充分大。工程實(shí)踐表明，該時(shí)間ts前后的A、B區(qū)是關(guān)鍵部位產(chǎn)生、發(fā)展的變形力學(xué)區(qū)段，對應(yīng)的時(shí)間tsi至ts2是最佳二次組合支護(hù)時(shí)段。4錨網(wǎng)索耦合支護(hù)設(shè)計(jì)4.1軟巖類型判斷由巷道埋深 H=510m可推知，該巷道開挖部位所受的垂直自重應(yīng)力為14.2MPa左右，集中應(yīng)力水平最高可達(dá)到28.4MPa。通過現(xiàn)場工程破壞狀況調(diào)查及理論分析，可以確定該巖 層軟化臨界深度為 500m左右，故該區(qū)已進(jìn)入深部高應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)，從該區(qū)巷道掘進(jìn)時(shí)暴 露出的巖層觀察，節(jié)理、裂隙

8、十分發(fā)育，并伴有數(shù)層弱面出現(xiàn)，弱面間充填有厚度不均的粘 土巖，極易風(fēng)化潮解，發(fā)生蠕變，造成掘進(jìn)支護(hù)困難。綜合分析，可以確定該工程巖體為 HJ(高應(yīng)力-節(jié)理化)復(fù)合型軟巖。4.2變形力學(xué)機(jī)制及其力學(xué)對策設(shè)計(jì)通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)研和相鄰礦井室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合軟巖工程力學(xué)理論分析，-510南翼總回11煤底板段巷道圍巖變形力學(xué)機(jī)制為Ion abm BC復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制，即具有微裂隙膨脹(I c)、重力和殘余構(gòu)造應(yīng)力擴(kuò)容變形(II AB)和軟弱夾層-層理結(jié)構(gòu)變形型(m bc)的復(fù)合型變形機(jī)制。其中，每一變形力學(xué)機(jī)制所采取的力學(xué)對策為：Ic型，錨網(wǎng)耦合支護(hù)技術(shù)(復(fù)合托板)；n ab型，斷面優(yōu)化；m

9、 bc型，錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)及超前錨桿支護(hù) 技術(shù)。4.3斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)通過不同斷面形狀巷道開挖后塑性區(qū)分布范圍的數(shù)值模擬分析結(jié)果對比分析可以看出， 直墻半圓拱形巷道開挖后的塑性區(qū)范圍明顯小于矩形、梯形巷道，因此應(yīng)選擇直墻半圓拱形為最佳斷面形狀，即保持現(xiàn)有巷道斷面形狀不變。4.4耦合支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)4.4.1初次耦合支護(hù)參數(shù)根據(jù)理論計(jì)算及數(shù)值模擬分析，確定了-510南翼總回11煤底板段巷道初次耦合支護(hù)參數(shù)。巷道斷面形式為直墻半圓拱形，墻高 1.4m，拱高1.6m，寬3.2m。錨桿為直徑20mm、長2000mm高強(qiáng)螺紋鋼筋，間排距均為 1000mm,自巷道拱頂依次 向兩側(cè)間隔1000mm布置，用CK23

10、35和ZK2335型樹脂錨固劑各一卷錨固，要求錨桿錨固 力達(dá)到為100130kN。錨桿托板為復(fù)合托板，內(nèi)為木托板，尺寸為150X 150X 25 (mm);外為方形金屬托板，尺寸為120X120X8 (mm)，托板中間鉆直徑 24mm的孔。金屬網(wǎng)用直徑 5mm的鋼絲制成，網(wǎng)格為 50X200 (mm),規(guī)格為2000X1050 (mm)，錨 網(wǎng)用錨盤壓緊，并用 10#的鐵絲雙股聯(lián)接牢固，逢格必聯(lián)。鋼筋梯采用直徑12mm的鋼筋焊接制成，規(guī)格為6000X200 (mm)。噴射混凝土材料配比為水泥：砂子：石子 =1 : 2.5 : 1.5;速凝劑摻量為46%,二次噴 射混凝土，初噴厚度為30mm，復(fù)

11、噴厚度 80100mm,復(fù)噴時(shí)間在錨、網(wǎng)、梯支護(hù)實(shí)施后進(jìn)行，滯后初噴的距離控制在30m以內(nèi)。4.4.2二次耦合支護(hù)參數(shù)(1) 關(guān)鍵部位確定根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定，關(guān)鍵部位即為巷道頂板產(chǎn)生剪應(yīng)力集中的部位，頂板錨索支護(hù)的關(guān)鍵部位為頂板兩肩部。(2) 二次耦合支護(hù)時(shí)機(jī)確定研究表明，變形力學(xué)狀態(tài)進(jìn)入圖4中A區(qū)時(shí)，支護(hù)體多產(chǎn)生鱗狀剝落，變形力學(xué)狀態(tài)進(jìn)入B區(qū)時(shí)，伴隨著片狀剝落；進(jìn)入 C區(qū)后，將產(chǎn)生塊狀崩落和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，判別最 佳支護(hù)時(shí)間(段)就是鱗、片狀剝落的高應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究，張 性、張扭性裂縫，寬度達(dá)到13mm，即已進(jìn)入 A區(qū)和B區(qū)，即進(jìn)入耦合支護(hù)的時(shí)間；根據(jù)巷道表面位移觀

12、測，各點(diǎn)變形量達(dá)到設(shè)計(jì)余量的60%時(shí)，即進(jìn)入二次耦合支護(hù)的時(shí)間。(3) 二次耦合支護(hù)參數(shù)根據(jù)理論分析計(jì)算及數(shù)值模擬結(jié)果，可以確定二次耦合支護(hù)參數(shù)如下： 錨索錨索選用直徑15.24mm的鋼絞線，長度為 6m,外露長度300mm。以巷道拱頂中心為基準(zhǔn)，向兩側(cè)各 1.2m布置1根錨索，即間距2.4m,垂直巷道頂板輪 廓線布置；排距 3m,布置在兩排錨桿中間。采用樹脂錨固劑卷端頭錨固，其中， CK2350型樹脂錨固劑和 ZK2350型樹脂錨固劑各 一卷。錨索托板采用10mm厚鋼板制成，規(guī)格為 200x 200x 10 (mm),采用廢舊槽鋼、溜槽 割制而成。 錨、噴支護(hù)在初次錨、網(wǎng)、噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，實(shí)

13、施二次錨、噴支護(hù)。錨桿仍然采用直徑 20mm、長2000mm的高強(qiáng)螺紋鋼筋，間排距均為 1000mm,與初次 錨桿呈五花布置，兩幫底角錨桿呈 30°下扎。使用CK2335型和ZK2335型樹脂錨固劑各一 卷錨固。托板用金屬托板，規(guī)格同上。噴射混凝土材料及配比同上，復(fù)噴厚度5060mm。5反饋設(shè)計(jì)根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)， 在本工程的施工過程中， 需進(jìn)行一系列的巷道礦壓觀測研究。 通過 錨桿支護(hù)阻力一時(shí)間曲線、巷道表面位移一時(shí)間關(guān)系曲線來確定最佳二次支護(hù)時(shí)機(jī)，并驗(yàn)證支護(hù)參數(shù)的合理性以進(jìn)行方案的修改與完善。6效益分析掘進(jìn)迎頭實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)后，可進(jìn)行打眼，同時(shí)進(jìn)行二次耦合支護(hù)作業(yè)。這樣充分的利用 了

14、空間，實(shí)現(xiàn)了多工序的平行作業(yè)，加快了巷道的施工進(jìn)度，能有效地緩解采掘關(guān)系緊張的局面。能增大巷道的修復(fù)周期，增加巷道的使用壽命，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。7結(jié)語二次耦合支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度耦合、剛度耦合、結(jié)構(gòu)耦合的三重耦合功效，科學(xué)合理 地進(jìn)行圍巖支護(hù)，對安全方面的貢獻(xiàn)不言而喻。近年來，二次耦合支護(hù)技術(shù)，作為一種新型 的支護(hù)技術(shù)得到專家學(xué)者的廣泛認(rèn)可和煤炭生產(chǎn)企業(yè)的推廣。加強(qiáng)對施工人員進(jìn)行錨桿支護(hù)技術(shù)培訓(xùn)，將提高錨桿初錨力、預(yù)緊力和施工質(zhì)量放在首位，真正發(fā)揮出錨、網(wǎng)這一主動(dòng)支 護(hù)的優(yōu)勢。參考文獻(xiàn):1 John A.Hudson Engineering rock mechanics M .Redwood Books Press, 1997.2 F.O.Franclss.Weak Rock Tunneling M .A.A.Balkema Press , 1997.3 Kidybinski.Strata Control in Deep