深部软岩巷道支护模拟及应用分析

李铁良

(潞安集团安全仪器测试中心,长治 襄垣 046204)

1 工程概况

1.1 地质概况

三水平东一皮带通路探巷，是二水平向三水平延深阶段的准备巷道，巷道埋深680 m，沿12号煤底板掘进，靠近顶板1.0 m处有一层炭质黏土岩夹矸。12号煤顶板以灰色粉砂岩为主，含砂不均显带状构造，有滑面，局部夹有灰白色高岭土质胶结的粗砾状白色砂岩(俗称白砂矸)，具有遇水极易软化膨胀，风化成泥状的特性。12号煤底板以灰色、深灰色砂质页岩为主，岩性致密坚硬，含有化石碎屑和黄铁矿，有大量裂隙发育，多为方解石填充。顶底板岩性状况详见表1。

表1 煤层顶底板岩性特性

1.2 巷道变形特性

三水平东一皮带通路探巷围岩岩性以粉砂岩为主，局部赋存粗砾状白色砂岩，巷道埋深较大，围岩应力大，煤岩层裂隙、滑面发育，单轴抗压强度较低，为不稳定软岩，巷道类别介于一般不稳定Ⅳ类与不稳定Ⅴ类之间。围岩成分中含有遇水易软化成泥的粗砾状白色砂岩，黏土矿物含量高，使得围岩强度低，自身承载能力差，见风遇水后极易变软膨胀，流变特性显著，导致巷道开挖后变形破坏严重，支护极为困难。以上因素导致该巷道围岩抗压强度降低，整体稳定性变差，在现有单一U型钢支护体系下，巷道变形和破坏现象较为严重。通过分析现场调研的支护体系破坏状况，可得出U型钢破坏形式主要有整体收缩、局部弯曲断裂等[1-3]。

2 支护方案优化模拟分析

2.1 圈岩位移分布

根据强膨胀性软岩巷道变形现场监测结果可知，采用单一U型钢支护方式并不能很好地控制该类软岩巷道的变形破坏，因此，模拟采用U型钢支护验证数值模拟与现场工程的符合程度，并采用U型钢+喷浆、U型钢+喷浆+注浆锚索支护巷道，对比分析后得出最佳支护方案[4]。

图1为模型在三种支护方案下的巷道围岩垂直位移分布云图。

图1 各支护方案围岩垂直位移分布云图

结合监测数据和图1分析可知：

1) 在U型钢、U型钢+喷浆、U型钢+喷浆+注浆锚索三种不同支护体系下，巷道的顶底扳变形量不同，顶板的收敛变形量分别为574 mm、200 mm、123 mm，底板的收敛变形量分别为266 mm、250 mm、73.8 mm。

2) 由数据分析可知，巷道底板的变形破坏相对较小，不同的支护体系对顶板的稳定性控制更加明显。采用喷浆后，巷道顶板变形破坏减小了65%，底板的变形破坏减小了6%；采用喷浆+注浆锚素后，巷道顶板变形破坏减小了73%，底板的变形破坏减小了72%。说明采用喷浆+注浆锚索后，巷道围岩的垂直位移明显减小，特别是对巷道底鼓的控制效果较为明显。分析认为，对巷道两帮及顶板注浆后改善了围岩特别是顶板的受力环境，提高了顶板的承载能力和稳定性，由此可得该支护方案效果最佳。

图2为模拟在三种支护方案下的巷道围岩水平位移分布云图。

图2 各支护方案围岩水平位移分布云图

三种不同的支护体系下巷道的变形破坏量如表2所列。

表2 各支护体系巷道变形数据汇总表

由图2和表2析可得：

1) 在U型钢、U型钢+喷浆、U型钢+喷浆+注浆锚索三种不同支护体系下，巷道的帮部变形破坏量不同，帮部收敛变形量分别为266 mm、250 mm、73.8 mm。

2) 由数据分析可知，当巷道采用单一U型钢支护方式时，巷道左帮的变形破坏较大，采用喷浆及注浆锚索后，巷道左帮的变形量变小，得到了较好的控制。采用喷浆后，巷道帮部变形破坏减小了29%；采用喷浆+注浆锚索后，巷道帮部变形破坏减小了62%，说明后者对巷道帮部变形破坏的控制较为显著。分析认为，对巷道两帮及底脚位置注浆后改善了围岩强度，提高了围岩的承载能力和稳定性。

由表2可得，采用喷浆支护后巷道的变形量减小，巷道围岩得到较好的控制，说明封闭围岩阻止其继续风化和潮解后围岩的强度明显提高，巷道支护取得了较好的效果，再增加注浆锚索支护后巷道变形量进一步减小，说明对巷道围岩内部注浆可以提高围岩整体承载能力，加上U型钢及喷浆支护后，支护效果最好。由数值模拟分析可知，架喷锚注耦合支护能通过喷浆的方式解决U型钢架棚与围岩壁未完全接触而引起的受力不均的问题，通过注浆的方式提高围岩强度，使架棚喷浆层-围岩-注浆体形成一个共同承载的有效支护体系，从而可以有效控制巷道围岩松动圈的扩大，进而提高巷道整体的稳定性。

2.2 圈岩塑性区分布

不同支护方案下巷道围岩塑性区分布范围如表3所列。

表3 塑性区范围

由表3可知，采用U型钢+喷浆支护方式后，巷道围岩破坏范围顶板减小了55.9%、底板减小了50%，左帮减小了34.6%，右帮减小了52.2%，而采用U型钢+喷浆+注浆锚索的耦合支护方式后，巷道围岩破坏范围顶板减小了64.7%、底板减小了50%，左帮减小了42.3%，右帮减小了60.9%，由此可知，采用架喷锚注耦合支护能更好地控制巷道围岩的变形，减小围岩塑性区的范围，支护效果更佳。

3 架喷锚注耦合支护技术现场应用

基于三水平东一皮带通路探巷的工程地质条件、现场监测所得的巷道变形破坏规律及采用FLAC3D对不同支护方案的数值模拟分析，综合分析提出最优支护方案为架喷锚注耦合支护[4-5]，见第190页图3。

3.1 支护参数选择

3.1.1 U型钢参数

根据三水平东一皮带通路探巷现有工程条件及架喷锚注耦合支护作用机理，巷道的主体支护为U型钢支护，根据现场使用的支护材料，U型钢仍然选用29U-13.36 m2可缩性金属拱形支架，而U型钢的支护参数，需要通过科学的计算得到。

图3 架喷锚注支护方案(单位：mm)

当计算U型钢支架支撑荷载时，假设巷道顶板破坏范围外能形成有效的承载结构，支护体主要承载为巷道顶板破坏范围内岩体的质量，其计算见式(1)。

PZ=KAη2RmaxγZ

(1)

式中：PZ为支护体支护载荷，kN/m；KA为安全系数，回采巷道取1.2、准备巷道取1.5、开拓巷道取2.0，具体可根据巷道工程实际确定；η2为巷道稳定状况对支架的影响系数；Rmax为巷道围岩的破坏范围，m；γz为道围岩容重，kN/m3。

三水平东一皮带通路探巷属于准备巷道，因此KA取1.5；巷道围岩稳定状况为极不稳定围岩，因此η2取1.5，通过钻孔电视探测可知，探巷围岩的破坏范围为3.2 m；巷道围岩容重取25 kN/m3。通过公式(1)可得U型钢支架支承荷载PZ为180 kN。

由于现场U型钢支护过程中，支架与围岩接触不均匀，局部受力集中，使得U型钢实际支撑能力达不到额定工作阻力，据现场技术人员反馈，在三水平东一皮带通路探巷支护过程中，U型钢实际支撑能力为90 kN，因此支架间距通过式(2)得到。

(2)

由公式(2)计算得支架间距为0.5 m，即，现场所用500 mm棚距。根据前一节对架喷锚注耦合支护机理的分析可知，当采用该支护方案后可以通过喷浆的方式隔绝围岩，降低围岩风化潮解的程度，且可以使U型钢支架与围岩紧密贴实组成完整的承载结构，通过注浆的方式提高深部围岩承载能力，从经济及技术层面考虑，可以适当增加U型钢的棚距，因此，改支护方案中棚距设计为600 mm。

3.1.2 注浆锚索参数设计

根据室内试验及现场监测可知，巷道围岩以泥质砂岩为主，主要成分为高岭土、蒙脱石，遇水极易膨胀、软化成泥，围岩强度降低，使得巷道难以支护。根据浆液配比试验可知，采用注浆的方式可以较好地改善围岩强度。因此，采用注浆锚索的补强支护方式强化巷道支护。

注浆锚索支护参数：采用22 mm中空注浆锚索，设计选用锚索长度3 500 mm，外露长度150 mm～250 mm。考虑到巷道两帮底部移近量较大，在两帮距离底板400 mm位置向底板与水平方向呈30°打第一根锚索，其余锚索间排距为1 200 mm×1 200 mm，每排布置7根锚索，每两排锚索中间布置两排U型钢。

3.1.3 喷浆参数设计

现场喷浆材料选用硅酸盐水泥、红矸石粉、速凝剂、水。其中，水泥与红矸石粉质量比为1∶2.5。喷浆施工过程中，随喷随加入速凝剂，速凝剂须在喷浆机上料口均匀加入，加入量取水泥质量的2%～4%。水泥采用P.O 42.5硅酸盐水泥。

由于软弱围岩具有遇水软化膨胀的特性，因此在巷道掘进后及时喷浆封闭围岩，防止围岩风化潮解，进而提高围岩强度。具体支护参数为：初喷30 mm，复喷70 mm。

3.2 实施效果

3.2.1 支护效果监测

三水平东一皮带通路探巷现场施工架喷锚注耦合支护方案后，对该巷道采用十字布点的方式监测巷道的顶底板移近量及两帮移近量，监测结果如图4所示。

图4 巷道围岩移近量曲线图

由图4可得出，采用架喷锚注耦合支护方式后巷道的顶底板位移和两帮位移随时间变化，其中，顶底板移近量累计变形量为97 mm，其中在2 d～15 d监测期间，变形速度较大；两帮移近量累计为78 mm，在2 d～18 d内变形速度较大，后趋于稳定。纵观巷道变形量及变形速度，均能够满足巷道稳定要求。

由于架喷锚注耦合支护可以较好地控制强膨胀性软岩巷道的变形破坏，且可以实现一次成巷，避免了前掘后套的局面，因此，架喷锚注耦合支护技术应用于三水平东一皮带巷，具体支护效果如第191页图5所示。

3.2.2 支护效果分析

现场观测结果显示，三水平东一皮带通路探巷采用架喷锚注耦合支护技术工艺开始至今巷道变形很小并保持稳定状态，说明采用架喷锚注耦合支护技术工艺解决了U型钢弯曲折断等实际问题。经观测与分析具体支护效果如下：

图5 架喷锚注耦合支护效果图

1) 增强巷道围岩的承载能力

软弱围岩注浆后，浆液将松散破碎的围岩胶结成一个整体，从而大大提高了巷道围岩自身承载能力。

2) 封闭围岩裂隙，减少风水侵蚀

通过喷浆封闭了围岩，隔绝了外界空气，有效地防止了围岩风化和水的侵蚀，防止了因水和风化作用造成围岩吸水膨胀，强度降低，围岩破坏与剥落，从而提高了软弱围岩的稳定性与牢固性。

3) 架喷锚注组合拱共同承载

U型钢支架配合喷浆支护以及锚注加固软弱围岩，形成了一个极为有效的组合拱，从而提高了软弱围岩的完整性和自身承载能力。

4 结论

强膨胀性软岩巷道在单一U型钢支护的情况下，巷道变形量较大，因此进行了支护方案的优化，即联合支护方案的模拟研究，分别采用U型钢+喷浆和U型钢+喷浆+注浆锚索的耦合支护方案。

采用架喷锚注耦合支护，无论是控制围岩变形方面，还是减小围岩塑性破坏方面，支护效果都较前两种支护方案好，因此，采用U型钢+喷浆+注浆锚索的耦合支护方案能有效改善强膨胀性软岩巷道变形破坏严重的状况。将架喷锚注耦合支护技术应用于现场施工，并进行了支护效果监测分析，最终得出该支护方案具有较好的工程适用效果。