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

1、最新B080305 二次耦合支護(hù)技術(shù)在軟巖巷道中的應(yīng)用二次耦合支護(hù)技術(shù)在軟巖巷道中的應(yīng)用吳元峰【山東泰豐礦業(yè)(集團(tuán))，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、最正確二次組合支護(hù)時段確實定、組合支護(hù)設(shè)計要點。通過王家寨煤礦-510m南翼總回風(fēng)巷的支護(hù)設(shè)計，介紹了軟巖巷道的變形力學(xué)機制及其力學(xué)對策、初次耦合支護(hù)參數(shù)、二次耦合支護(hù)參數(shù)確實定方法。關(guān)鍵詞 二次耦合支護(hù) 原理 最正確支護(hù)時間和時段 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

2、穩(wěn)定。在巷道周邊，圍巖應(yīng)力在不同時段、不同部位的分布是不均勻的，支護(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)是一種非線性等強支護(hù)，利用最正確支護(hù)時段的原理進(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)時的通風(fēng)、行人、運輸、管線敷設(shè)的需要，設(shè)計布置-510m水平南翼總回風(fēng)巷。巷道設(shè)計長度1017m，斷面為直墻半圓拱形，S荒=10.29 m2 ，S凈=9.14 m2，凈寬3.2m，凈高3.0m。巷道效勞年限同礦井效勞年限。-510m水平南翼總回風(fēng)巷揭露11煤層后，圍巖條件開始弱化，

3、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m，巷道前方短期內(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。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)比擬復(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，平均抗壓強度39.22MPa；底板為厚度30m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理，軟巖巷

4、道實現(xiàn)耦合支護(hù)的根本特征在于巷道圍巖與支護(hù)體在強度、剛度及結(jié)構(gòu)上的耦合，耦合支護(hù)特征如圖2所示。圖2 耦合支護(hù)的根本特征3.1 強度耦合由于軟巖巷道圍巖本身所具有的巨大的變形能，一味采取高強度的支護(hù)形式不可能阻止其圍巖的變形，從而也就不能到達(dá)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度的根底上，充分釋放其圍巖變形能，實現(xiàn)強度耦合，再實施支護(hù)。3.2 剛度耦合由于軟巖巷道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，防止巷道圍

5、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)，防止因過度變形而破壞圍巖本身的承載強度。這樣才能在圍巖與支護(hù)體共同作用過程中，實現(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)行加強耦合支護(hù)例如打錨索就屬于關(guān)鍵部位的加強支護(hù)，限制其不連續(xù)變形，防止因個別部位的破壞引起整個支護(hù)體的失穩(wěn)，到達(dá)成功支護(hù)的目的。3.4 最正確支護(hù)時間和最正確支護(hù)時段的概念最正確支護(hù)時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同時到達(dá)最大的支護(hù)時間，其意義如圖3所示。圖3說明，最正確支護(hù)時間就是PR+

6、PDt曲線峰值點所對應(yīng)的時間Ts。實踐證明，該點與PDt曲線和PRt曲線的交點所對應(yīng)的時間根本相同。此時，支護(hù)使PD在優(yōu)化意義上充分地到達(dá)最大，最正確支護(hù)時間點確實定，在工程實踐中是難以辦到的，所以提出了最正確支護(hù)時段概念，最正確支護(hù)時段的概念如圖4所示。圖3 最正確支護(hù)時間Ts的含義圖4 最正確支護(hù)時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)讓壓曲線相交時，所對應(yīng)的時間為最正確二次組合支護(hù)時間。此時，圍巖放壓在優(yōu)化意義上到達(dá)了充分大，又保護(hù)了圍巖強度，同時，支護(hù)體讓壓在優(yōu)化意義上也到達(dá)了充分大。工程實踐說明，

7、該時間ts前后的A、B區(qū)是關(guān)鍵部位產(chǎn)生、開展的變形力學(xué)區(qū)段，對應(yīng)的時間ts1至ts2是最正確二次組合支護(hù)時段。4 錨網(wǎng)索耦合支護(hù)設(shè)計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)力水平最高可到達(dá)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，從該區(qū)巷道掘進(jìn)時暴露出的巖層觀察，節(jié)理、裂隙十分發(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.

8、2 變形力學(xué)機制及其力學(xué)對策設(shè)計通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)研和相鄰礦井室內(nèi)物理力學(xué)實驗研究，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)機制為CABBC復(fù)合型變形力學(xué)機制，即具有微裂隙膨脹(C)、重力和剩余構(gòu)造應(yīng)力擴容變形(AB)和軟弱夾層-層理結(jié)構(gòu)變形型(BC)的復(fù)合型變形機制。其中，每一變形力學(xué)機制所采取的力學(xué)對策為：C型，錨網(wǎng)耦合支護(hù)技術(shù)(復(fù)合托板)；AB型，斷面優(yōu)化；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)果比照分析可以看出，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

9、應(yīng)選擇直墻半圓拱形為最正確斷面形狀，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)計初次耦合支護(hù)參數(shù)根據(jù)理論計算及數(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CK2335和ZK2335型樹脂錨固劑各一卷錨固，要求錨桿錨固力到達(dá)為100130kN。錨桿托板為復(fù)合托板，內(nèi)為木托板，尺寸為15015025mm；外為方形金屬托板，尺寸為1201208mm，托板中間鉆直徑24mm的孔。金屬網(wǎng)用

10、直徑5mm的鋼絲制成，網(wǎng)格為50200mm，規(guī)格為20001050mm，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6000200mm。噴射混凝土材料配比為水泥砂子石子=12.51.5；速凝劑摻量為46%，二次噴射混凝土，初噴厚度為30mm，復(fù)噴厚度80100mm，復(fù)噴時間在錨、網(wǎng)、梯支護(hù)實施后進(jìn)行，滯后初噴的距離控制在30m以內(nèi)。 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)時機確定研究說明，變形力學(xué)狀態(tài)進(jìn)入圖4中A區(qū)時，支護(hù)體多產(chǎn)生鱗狀

11、剝落，變形力學(xué)狀態(tài)進(jìn)入B區(qū)時，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，判別最正確支護(hù)時間段就是鱗、片狀剝落的高應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的時間。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究，張性、張扭性裂縫，寬度到達(dá)13mm，即已進(jìn)入A區(qū)和B區(qū)，即進(jìn)入耦合支護(hù)的時間；根據(jù)巷道外表位移觀測，各點變形量到達(dá)設(shè)計余量的60%時，即進(jìn)入二次耦合支護(hù)的時間。3二次耦合支護(hù)參數(shù)根據(jù)理論分析計算及數(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

12、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20020010mm，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)的根底上，實施二次錨、噴支護(hù)。錨桿仍然采用直徑20mm、長2000mm的高強螺紋鋼筋，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 反應(yīng)設(shè)計根據(jù)上述方案設(shè)計，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)

13、阻力時間曲線、巷道外表位移時間關(guān)系曲線來確定最正確二次支護(hù)時機，并驗證支護(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)迎頭實現(xiàn)一次支護(hù)后，可進(jìn)行打眼，同時進(jìn)行二次耦合支護(hù)作業(yè)。這樣充分的利用了空間，實現(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)，實現(xiàn)了強度耦合、剛度耦合、結(jié)構(gòu)耦合的三重耦合成效，科學(xué)合理地進(jìn)行圍巖支護(hù)，對平安方面的奉獻(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)這一主動支護(hù)的優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)：1John A.Hudson Engineering rock mechanicsM.Redwood Books Press，1997.2F.O.Franclss.Weak Rock TunnelingM.A.A.Balkema Press，19973Kidybinski.Strata Contr