深部软岩巷道锚喷注强化承压拱支护机理及其应用

谢生荣,谢国强,何尚森,张广超,杨军辉,李二鹏,孙运江

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083;2.冀中能源股份有限公司邢东矿,河北邢台 054000)

深部软岩巷道锚喷注强化承压拱支护机理及其应用

谢生荣1,谢国强2,何尚森1,张广超1,杨军辉2,李二鹏1,孙运江1

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083;2.冀中能源股份有限公司邢东矿,河北邢台 054000)

针对深部软岩巷道围岩总变形量大、收敛速率快、持续变形时间长以及支护系统损毁等矿压显现特点,分析了复杂应力场和高渗透压作用下的变形破坏机制,并结合深部巷道的“应力恢复、围岩增强、固结修复和主动卸压”控制原则,提出了集密集高强锚杆承压拱、厚层钢筋网喷层拱和滞后注浆加固拱于一体的锚喷注强化承压拱支护技术,并阐明其成拱及强化支护的机理。结合现场地质生产条件采用理论计算、数值模拟和工程类比法综合确定试验巷道围岩支护方案,并进行现场应用。现场实践表明,采用锚喷注强化承压拱支护技术后,巷道围岩总体变形量较小,围岩收敛率从扩刷修复前的2.6 mm/d降至0.56 mm/d,且支护系统亦无开裂损毁现象发生,实现了对深井软岩巷道的有效控制。

深井软岩巷道;高强锚杆承压拱;变形破坏机制;厚层钢筋网喷层拱

随着我国大多数煤矿相继进入深部开采状态,巷道支护困难,且常出现重复翻修现象,维护费用高[1]。深部软岩巷道控制成为这些企业亟待解决的关键难题之一。近年来,我国学者在深井巷道控制方面进行了不断探索与实践,取得了诸多成果[2－4]。袁亮院士提出了基于“应力恢复、围岩增强、固结修复、转移扩大”的深部岩巷围岩稳定控制理论,并针对深部岩巷围岩分类标准体系形成了相应的深部围岩控制技术体系[5]。何满潮、孙晓明等提出了与深部软岩巷道在强度、刚度和结构上相匹配的锚网索耦合支护技术和柔层桁架支护技术[6]。康红普提出了高预应力、强力支护理论,开发了相应的高预应力强力支护系统,并进行了大量的现场实践[7－8]。柏建彪、侯朝炯认为深部巷道围岩控制的基本方法是提高围岩强度、转移围岩高应力以及采用合理的支护技术[9]。常聚才、谢广祥分析了深部开挖后围岩应力演化特征和变形破坏规律,揭示了深井巷道围岩稳定性的控制原理[10]。牛双建、靖洪文等针对深部矿井极软巷道提出了刚柔耦合动态加固技术[11]。林惠立、石永奎研究得出深部构造复杂区内大断面硐室围岩的变形破坏原因和稳定性控制对策[12]。拱形支护结构因其具有受力合理、承载能力高、施工速度快和经济效益高等优点,在深部服务年限较长的巷道得到了广泛应用。本文在前人研究的基础上,分析深部软岩巷道变形破坏机制,提出了密集高强锚杆承压拱、厚层钢筋网喷层拱和滞后注浆加固拱于一体的锚喷注强化承压拱支护技术,实现深井软岩巷道围岩的有效控制,并为更深区域巷道围岩控制提供借鉴。

1 深部巷道破坏机制及控制对策

邢东矿在向－980 m水平延伸开采过程中,巷道出现了一系列剧烈的矿压显现,呈现出围岩变形量大、持续时间长和破坏性强等特征,其变形破坏机制分析如下:

(1)复杂围岩应力场作用。

邢东矿二水平采区埋深达1 000 m以上,仅原岩应力即可达25 MPa左右,且深部煤系地层赋有的较高构造应力导致应力场值更高[13]。深部复杂应力场使得巷道开挖后出现围岩应力集中、非固有属性恶化以及强度显著降低等特征,常规支护系统不能有效解决深部巷道围岩高应力与低强度之间的突出矛盾,从而使得围岩经历“损伤扩容—剪切滑移破坏—碎胀大变形”失稳进入围岩破裂损伤区,围岩应力向深部转移,如此反复直至达到新的平衡[2－3]。邢东矿深部巷道在这一过程中出现大变形、顶板锚索间漏冒以及支护系统损毁支护体损毁[5,7]等现象,如图1(a),(b)所示。

图1 深井巷道围岩及支护系统破坏状况Fig.1 Damage situation of deep roadway surrounding rock and supporting system

(2)深部岩体的流变特性。

在深部复杂应力场作用下,一些普通岩石往往呈现出软岩特征,即具有软弱、破碎、松散、膨胀以及流变等特征。邢东矿主副暗斜井开掘后发生持续大变形,为了维持巷道的正常使用,不得不专门安排一支队伍对其进行不间断的整修;工作面区段平巷在服务期间内至少进行一次扩帮整修以维持其正常使用功能;－980 m大巷经历2次大规模整修后,仍发生大变形,如图1(c)所示。

(3)高渗透压力作用。

在高应力和高渗透压耦合作用下,岩体裂隙的启裂、扩展、贯通以及分支裂纹的产生等劣化行为均有加剧趋势。邢东矿二水平巷道部分区域顶板有淋水现象,如图1(d)所示,因此,邢东矿深部淋水区巷道围岩在高渗透压作用下,其软弱结构面的强度特性和变形特性会进一步产生不同程度的降低。

根据邢东矿二水平巷道矿压显现及变形破坏机制,提出了集密集高强锚杆承压拱、厚层钢筋网喷层拱和滞后注浆加固拱于一体的锚喷注强化承压拱支护技术,符合深部复杂困难巷道围岩控制的“应力恢复、围岩增强、固结修复和主动卸压”的控制原则[5]。该技术能大幅降低锚固区围岩力学性能的劣化程度并先于非锚固区稳定,之后稳定锚固区对深部非锚固区产生高效径向限制作用,促使深部围岩向稳定状态转变,从而使得巷道保持长期稳定,解决深部巷道控制难题[14]。

2 深井巷道强化承压拱支护机理

2.1 密集高强锚杆承压拱支护机理

在拱形断面巷道锚杆锚固区内,高预紧力高强锚杆加固影响范围趋近于一段圆弧,且互相叠加,形成一个连续压应力承压拱,能与围岩共同抵抗上部岩体的载荷。该承压拱承载能力与施加的锚杆强度、长度、预紧力和间距以及围岩的力学性质等因素密切相关。图1(b)中锚杆间岩体漏冒现象表明常规锚杆支护形成承压拱,无法适应深部软岩巷道围岩控制。因此,提出采用高强锚杆、施加高预紧力和密集间距布置等技术措施,形成一个高应力区叠加的厚强化承压拱,提高其承载能力。常规锚杆支护与密集锚杆支护的承压拱形成原理如图2所示。

图2 不同锚杆密度支护承压拱形成原理Fig.2 Schematic diagram of bearing arch with different supporting density

图2中左半部分为常规锚杆支护密度形成厚度为hd的低压应力连续承压拱,而施加的较高压应力区未能有效重叠,未能形成连续有效压应力区。l1为锚杆端部无有效压应力影响的长度,它跟锚杆长度、预紧力大小和锚固性能有关;l2和l3分别为连续承压拱顶环厚度和拱底环厚度。拱形巷道布置的锚杆深部间距大于浅部间距,导致l2＞l3,锚杆形成的有效成拱厚度减少。采用密集锚杆支护后,低压应力承压拱范围增加,厚度hmd＞hd,其l2和l3值亦相应减小。密集布置锚杆的高压应力区叠加,形成了厚度为hmg的高压应力连续承压拱。该承压拱可以大幅改善浅部围岩受力状态,提高岩体残余强度,增强拱内岩体承载能力,从而控制围岩破碎区、塑性区的发展,有利于巷道围岩稳定。

2.2 厚层钢筋网喷层拱支护机理

2.2.1 厚层钢筋网喷层拱支护的理论分析

巷道开挖后及时给锚杆施加高预应力恢复和改善围岩应力状态,有利于保持围岩的完整性,而常规锚喷支护产生的围压不均、效能低,未能有效改变莫尔圆超出围岩强度包络线的实质,难以维持深部软岩巷道围岩的稳定[5]。因此,提出在围岩开挖后及时喷浆封闭围岩,施加第1层锚杆和钢梁压经纬网,再进行第2次喷浆覆盖第1层锚杆梁网,后施加第2层锚杆绳网,并进行第3次喷浆,最终形成厚层钢筋网喷层拱[15]。该技术措施增加了喷层厚度,形成双层钢筋网混凝土结构,具有较高的抗弯强度和刚度,变形适应能力强。厚层钢筋网喷层拱亦相当于形成了一个整体拱形大托盘,密集布置高强锚杆对其施加的整体预应力亦大幅增加且实现整体有效均匀扩散,对围岩支护作用强[16]。

根据Rabcewicz承压拱理论,钢筋喷层拱承载能力可表示为钢筋网承载能力和混凝土拱承载能力之和,其计算公式[17]为

其中,P为厚层钢筋喷层拱的承载能力,MPa;r0为巷道等效半径,m;τc为混凝土抗剪强度,一般取单轴抗压强度的20%～40%;tc为喷层厚度,m;τm为钢筋网所用材料的抗剪强度,MPa;Fm为沿巷道轴线方向单位长度钢筋网横截面积,m2;θ为围岩剪切破坏角, (°);α为混凝土剪切破坏角,通常取30°;β为金属网所用材料剪切破坏角,(°)。由式(1)可知,钢筋喷层拱的承载能力与喷层厚度呈线性关系,其增长率与混凝土抗剪强度与剪切破坏角等参数相关;拱形半径增加,其承载能力较小。邢东矿深井软岩巷道围岩喷C20混凝土,厚度tc=200 mm,采用ϕ6 mm的钢筋网,抗剪强度145 MPa,其承载能力可达37 MPa以上。

2.2.2 厚层钢筋网喷层拱支护的数值模拟分析

(1)数值模型建立与模拟方案。

根据邢东矿－980 m水平试验巷道地质条件,采用FLAC3D软件建立厚层钢筋网喷层拱支护的计算模型。模拟对象为千米深井软岩巷道,半圆拱形断面,宽4.5 m,高3.5 m,顶板厚度46.5 m,底板厚度30 m,模型尺寸为200 m×50 m×80 m(长×宽×高)。锚杆为ϕ22 mm×2 400 mm的高强螺纹钢锚杆。围岩本构关系采用摩尔－库仑模型。模型四周及底部均为固定边界条件,上边界为自由边界条件,考虑服务时间长且多次扩刷等因素施加20 MPa均布载荷,沿模型x,y方向施加17 MPa水平压应力载荷。模型模拟喷层总厚度分别为60,140和200 mm时巷道围岩应力场分布特征、围岩塑性破坏范围和围岩移近量变化规律,分析厚层钢筋网喷层拱的支护机理及其优越性。

(2)数值模拟结果分析。

数值模拟结果如图3和图4所示。

图3 深部软岩巷道围岩垂直应力分布云图Fig.3 Vertical stress distribution nephogram of deep roadway with soft surrounding rock

图4 深部软岩巷道塑性破坏区分布Fig.4 Distribution of failure plastic zone of deep roadway with soft surrounding rock

由图3可以看出,当喷层厚度由80 mm增加到200 mm过程中,围岩应力峰值有向浅部围岩移动的趋势。这表明喷层厚度增加,使得巷道围岩侧向压应力增加,提高了围岩峰值强度和残余强度,从而使得围岩应力大于岩体强度的区域减小,巷道围岩弹性区范围向巷道浅表面扩大,有利于保持巷道稳定。

由图4可以看出,巷道塑性破坏区主要发生在顶部两肩窝及两帮区域,且变形破坏范围均较大。当喷层厚度由80 mm增至140 mm,顶板两肩窝塑性破坏区范围明显减小,破坏深度由5.28 m降至3.12 m,两帮和底板塑破坏性区范围亦减小;当喷层厚度由140 mm增至200 mm,巷道围岩塑性破坏区范围进一步减少,且大部分塑性区深度小于2.4 m,即锚杆锚固在弹性区岩体内。在模型巷道围岩设置测点进行巷道围岩位移量监测,监测数据表明,随着喷层厚度的增加,巷道围岩及顶底板位移量均呈减小趋势。喷层厚度80,140和200 mm的顶板位移量分别为443, 207和144 mm,两帮位移量分别为422,290和215 mm。

上述分析表明,增加喷层拱厚度不仅提高了其抗弯强度和刚度,增强了钢筋喷层拱的承载能力,有助于围岩表面应力扩散,使得深部软岩巷道围岩强度亦得到增强,有效限制了围岩塑性区的发展,有利于巷道保持稳定。厚层钢筋网喷层拱支护较大限度地恢复巷道自由面上的法向应力,有效改善深部软岩巷道近表围岩的应力状态,提高了围岩的非固有强度和变形模量,限制了围岩沿巷道自由面法向和结构面法向的张开变形,实现了“应力恢复”,符合深井软岩巷道围岩的控制原则[5]。

2.3 滞后注浆加固拱支护机理

邢东矿－980 m水平巷道服务时间长,且经过多次扩刷整修,巷道围岩塑性区范围大,围岩经历多次破裂,较深区域裂隙发育[18]。因此,在密集高强锚杆压厚层钢筋网喷层拱封闭围岩条件下进行注浆,巷道围岩能保持较高的残余注浆压力,大幅改善围岩应力状态,且能有效防止巷道开挖后出现显著的水头压降,从而有效减弱深部高渗透压对围岩裂隙扩展的作用。较高残余注浆压力的浆液能充满到浅部围岩裂隙、锚杆与孔壁间隙和深部裂隙区,形成了包括密集高强锚杆、固结浆液和浅深部岩体的网络骨架结构,使得承压拱范围进一步扩大,增强拱形支护结构的承载能力,有利于围岩体抵抗深部高地应力的作用而保持长期稳定。此外,形成的密集高强锚杆类似全长锚固能及时和节理一同发挥抗剪作用,能有效控制结构弱面的扩展,具有较强的控制和适应能力。

3 工程应用

3.1 深井巷道地质生产条件

邢东矿－980 m水平试验巷道埋深达1 040 m,所处的煤系地层多为薄层状细粒砂状结构,裂隙发育,含植物化石碎片,赋存有1号、2号和2下煤层。其中2号煤层结构较简单,赋存较稳定,厚度3.1～4.3 m,平均厚度3.5 m,平均倾角12°。直接顶为粉砂质泥岩或粉砂岩,上部灰色、深灰色,下部灰白色含植物化石碎片,裂隙较发育,局部有风化现象,岩体强度差;底板为灰白色粉砂岩,炭质页岩,富含植物根部化石,裂隙较发育,遇水变软。巷道设计断面为半圆拱形断面,宽4.5 m,高3.5 m。原支护采用锚网喷复合支护,变形量大,影响生产且安全性差。

3.2 深井巷道支护方案及效果分析

3.2.1 深井软岩巷道强化承压拱支护方案

针对邢东矿－980 m水平巷道矿压显现特征,综合理论计算、数值模拟和工程类比等方法,确定锚喷注强化承压拱的支护方案,并采用“扩刷→初喷→初锚→挂梁网→复喷→再锚→挂绳网→再喷→后注”的工艺流程进行现场实践,从而形成深部软岩巷道强化承压拱支护技术,如图5所示。

图5 深井软岩巷道强化承压拱支护方案Fig.5 Strengthen bearing arch supporting program of with soft surrounding rock

密集高强锚杆承压拱采用2个层次间距700 mm×700 mm高强锚杆交错布置形成。锚杆采用ϕ22 mm×2 400 mm高强螺纹钢锚杆,树脂加长锚固,锚固力不小于80 kN,锚杆扭矩大于300 N·m。厚层钢筋网喷层拱由3层喷层和2层绳梁压经纬网构成,即扩刷后及时喷射80 mm厚混凝土,采用锚杆穹形托盘和ϕ14 mm钢筋梯子梁压经纬网,形成第1层钢筋网;之后喷60 mm的混凝土,再结合第2层锚杆穹形托盘和钢丝绳压经纬网,如图6(a)所示,形成第2层钢筋网后实施第3次喷浆,喷浆厚度为60 mm。钢丝绳选用ϕ6 mm两股钢丝绳,钢丝绳吊挂纵向长度不得少于8 m,钢丝绳搭接长度大于400 mm,并要求插交搭接。滞后注浆加固拱采用ϕ22 mm×2 000 mm注浆锚杆进行封闭围岩内注浆,间排距1 500 mm× 1 500 mm。注浆压力为1.5～2.5 MPa,每孔采用3～5卷水泥药卷进行封孔,保证注浆时不漏浆且锚杆不被冲出。浆液选用425号水泥,水灰比为(0.7～1)∶1。此外,在一次支护完成3 d后,在巷道两帮底角处开挖400 mm×400 mm的矩形卸压槽进行卸压。

图6 试验巷道围岩支护的照片Fig.6 Support photos of test roadway surrounding rock

3.2.2 支护效果分析

修复后的深井巷道支护效果如图6(b)所示。为了进一步掌握深部软岩巷道锚喷注强化承压拱支护效果,设置测站进行巷道表面位移监测。监测数据显示深井软岩巷道扩刷支护后,顶板、两帮和底板分别以近似1.15,3.01和1.41 mm/d的速率进行收敛。顶底板收敛速率在60 d以后变缓;两帮收敛速率在40 d左右趋于变小,平均速率为0.56 mm/d,大幅低于原有锚喷支护后的2.6 mm/d,且总体变形量值较小,支护系统亦无开裂损毁现象发生。矿压监测结果表明,锚喷注强化承压拱支护有效降低了围岩的变形速率,显著改善了支护效果,实现了对深井软岩巷道的有效控制。

4 结 论

(1)采用高预应力锚杆密集间距布置方式使得其施加的产生有效高压应力区相互重叠,有效控制锚杆之间围岩的变形和破坏,形成一个高压应力连续承压拱,能与强化围岩共同抵抗上部岩体的载荷。

(2)提出了能施加围岩表面高应力的厚层钢筋网喷层拱,有效改善巷道近表围岩的应力状态,且控制围岩裂隙产生、扩展与贯通,提高了围岩的承载能力,具有更强的变形适应能力。采用数值模拟方法,计算分析了不同喷层厚度下拱形巷道围岩应力场和塑性破坏区的分布规律。

(3)厚层钢筋网喷层拱封闭围岩注浆能保持浅表面围岩具有较高的残余压力,应力状态进一步改善;注浆使得锚杆由加长锚固转变为类似全长锚固,有效控制锚固岩体弱面的扩展,增大了切向锚固力,且锚固体自承能力提高。

(4)采用密集高强锚杆承压拱、厚层钢筋网喷层拱和滞后注浆加固的锚喷注强化承压拱支护技术后,将围岩收敛速率控制在0.56 mm/d以内,有效地解决了深部软岩巷道控制难题,并为类似条件下的巷道支护提供理论和技术依据。

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Anchor-spray-injection strengthened bearing arch supporting mechanism of deep soft rock roadway and its application

XIE Sheng-rong1,XIE Guo-qiang2,HE Shang-sen1,ZHANG Guang-chao1,
YANG Jun-hui2,LI Er-peng1,SUN Yun-jiang1

(1.Faculty of Resources&Safety Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Xingdong Mine,Jizhong Energy Group Co.,Ltd.,Xingtai 054000,China)

According to the strata behavior features of deep roadway with soft surrounding rock such as large amounts of total deformation,high convergence rate,long continuous time and support system damage,after having analyzed the deformation and failure mechanism affected in role of complicated stress field and osmolality,combining with control principles of deep roadway that are stress recovery,the surrounding rock enhancing,consolidation repair and active pressure relief,this paper put forward the anchor-spray-injection to strengthened bearing arch supporting technology integrated with high strength anchor bearing arch,thick steel mesh spray-up arch and lag grouting reinforcement arch, and clarified its arching and strengthening mechanism.The support program of test roadway was finally determined using the theoretical calculation,numerical simulation and engineering analogy method and combining field production and geological conditions,and the program was then put into field application.After the adoption of the anchor injection to strengthen bearing arch supporting technology,field practice shows that total roadway surrounding rock deformation amounts is small.Convergence rate of surrounding dropped from 2.6 mm/d before expansion brush repair to 0.56 mm/d.Besides,there is no cracking and damaged phenomena occurred in the support system.The above factsdemonstrate that the technology achieves effective control of deep roadway with soft surrounding rock.

deep roadway with soft surrounding rock;high strength anchor bearing arch;deformation and failure mechanism;thick steel mesh spray layer arch

TD353

A

0253－9993(2014)03－0404－06

谢生荣,谢国强,何尚森,等.深部软岩巷道锚喷注强化承压拱支护机理及其应用[J].煤炭学报,2014,39(3):404－409.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0323

Xie Shengrong,Xie Guoqiang,He Shangsen,et al.Anchor-spray-injection strengthened bearing arch supporting mechanism of deep soft rock roadway and its application[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):404－409.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0323

2013－03－18 责任编辑:王婉洁

国家自然科学基金重点资助项目(51234005);国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226802);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2010QZ06)

谢生荣(1981—),男,江苏六合人,讲师,博士。Tel:010－62339153,E－mail:xsrxcq@163.com