弱面影响下深部大断面巷道修护加固技术研究

杨志磊 汪 鹏 胡海永

（应急管理部信息研究院，北京 100029）

随着开采深度的不断增加，深部地层巷道受“三高一扰动”影响，地应力呈非线性递增，巷道围岩破坏严重，巷道维护工程量和支护投入成本急剧增大。深部巷道多布置在岩性强度较低的砂质泥岩、泥岩等沉积体层中，当围岩含有强度较低、变形较大或受力状况恶化的岩体，即围岩中的软弱夹层、破碎夹层等，则围岩变形产生非均匀性失稳[1-2]。巷道围岩中的软弱面将加剧围岩剪切破坏，增加相邻围岩体的松动破坏范围，严重威胁着巷道正常安全使用[3-4]。

许多学者针对弱面对围岩破坏的影响进行了研究。樊克恭等[5-6]针对半煤岩巷层状结构特征，提出了巷帮“弱结构”的概念，分析了围岩塑性区与松动圈的发育特征，提出了非均称控制理论与技术；张志强[7-8]等采用FINAL软件研究了应力环境、弱面产状等因素对地下硐室稳定性的影响；王襄禹[9]等采用理论分析、数值模拟及工业性试验等方法，研究了弱面影响下深部倾斜岩层巷道变形特征。为应对深部巷道围岩支护，国内外已形成以注浆加固、锚杆（索）支护为核心的成套支护技术体系，并取得了大量巷道失稳机制和控制机理研究成果。

基于以上研究基础，本文以顾桥煤矿-780 m北二采区轨道大巷为工程背景，针对巷道在弱面作用下非均匀大变形现象，采用理论分析、数值模拟及工业性试验相结合的方法，研究深部巷道围岩受弱面影响导致非均称失稳原因，通过数值模拟和现场实测反馈提出弱面作用下围岩维护加固措施，为类似弱面作用下深部巷道围岩加固提供技术支撑。

1 工程背景

北二13-1轨道大巷从北一轨道大巷开始，施工穿越北一采区至北二采区，共计施工3560 m，巷道埋深-769～ -748 m。北二13-1轨道大巷上覆13-1煤层即1122（3）工作面，下覆11-2煤层即1122（1）工作面已回采完毕。巷道掘进过程中，顶板上距13-1煤层（采空区）底板法距45.6～51.6 m，底板距11-2煤层（采空区）顶板法距28.2～12.9 m。揭露的岩性主要为粉砂岩、粉细砂岩、砂质泥岩、砂泥岩互层、细砂岩、煤线，煤岩层倾角2°～4°，构造发育处顶板会有淋水现象。轨道大巷岩层柱状图如图1所示。

图1 轨道大巷岩层柱状图

13-1轨道大巷为直墙半圆拱断面，净宽×净高=5600 mm×4400 mm。支护锚杆采用左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，规格为Φ22 mm×2500 mm（锚杆盖板规格：200 mm×200 mm×10 mm），间排距为800 mm×800 mm，每根锚杆配2卷Z2850型锚固剂。锚索规格为Φ21.8 mm×6200 mm，配300 mm×300 mm×10mm、150 mm×150 mm×10 mm钢板，锚索呈5-4-5布置，间排距为1600 mm×1600mm，每根锚索配3卷Z2850型锚固剂。巷道围岩变形多以煤线部位岩层线状开裂、台阶状错动型破坏为主。基于变形严重区巷道围岩岩性，主要是煤线等软弱岩层与坚硬岩层间胶结位置的层间滑移及软弱岩层的变形破坏为主，其中部分区域断面中泥岩受淋水影响，造成巷道底鼓等变形。

2 弱面影响下巷道围岩失稳分析

由于巷道埋深大，围岩受高地应力作用。巷道开挖后，高地应力首先沿结构稳定性差、强度低的弱面围岩卸载，造成其内部原生裂隙的扩展、张开与次生裂隙的产生及再破坏，引起弱面围岩屈服破坏后的峰后岩体沿裂隙面产生大范围的剪切滑移变形。由于岩层有倾角及断层影响，煤线弱面结构相对于巷道位置不同，导致巷道围岩变形与破坏区发育形态发生异性变化。轨道大巷为直墙半圆拱巷道，变形后依据弱面分布位置不同，巷道围岩变形破坏分为3种情况：

（1）巷道揭露弱面位于半圆拱以上顶板时，受垂直应力作用，顶部弱面岩层受剪切力作用变形，在水平应力挤压作用下，将从顶部中间位置开始出现巷道强挤压破坏，如图2。

图2 弱面位于半圆拱上顶挤强压破坏前后

（2）巷道揭露弱面位于巷道内时，在高应力作用下，围岩弱面裂隙扩张，两侧岩体发生剪切错动、片帮等问题，如图3。剧烈变形引起巷道产生区域性破坏，从而引起整个巷道的围岩应力重新分布，应力向围岩深部传动。

图3 弱面位于巷道内强挤压破坏前后

（3）巷道揭露弱面位于直墙以下底板时，底板弱面受高应力作用破断变形，产生底鼓大变形，巷道两帮受底鼓影响，向巷道内移近收缩，如图4。

图4 弱面位于直墙以下底板强挤压破坏前后

3 巷道注浆加固数值模拟研究

3.1 数值模型建立与方案设计

本文以顾桥煤矿某采区轨道巷为研究对象，采用数值模拟程序（FLAC3D）建立数据模型。模型尺寸取为50 m×50 m×60 m，巷道断面为直墙半圆拱形，巷道宽度和高度分别为5.6 m×4.4 m，计算模型如图5所示。根据表1给模型附值。模型水平方向及底面固定，顶面施加18.7 MPa垂直应力。破坏准侧选用摩尔-库伦准则。

表1 巷道围岩岩体力学相关参数值

在对延伸轨道巷围岩进行注浆前，模拟巷道开挖过程，先让巷道围岩发生变形，变形量为巷道开挖后至注浆前的实际变形值，使得围岩内部产生不同的承载范围，设置为围岩注浆数值模拟初始化研究模型。详细数值模拟方案见表2。

表2 采用的模拟计算方案明细

3.2 注浆加固控制效果分析

方案1～3分别为破裂区注浆、峰值附近注浆、弹性区注浆。围岩塑性破坏情况如图5所示。

图5 不同开挖试验塑性区发育情况

结合现场试验效果，如上图5所示，随着对围岩不同位置和由浅变深进行注浆控制，巷道围岩岩体的塑性区域发育有较大的差异，且塑性区域发育范围逐渐增大，得出注浆位置越深，反而对巷道围岩的控制作用越小越弱的结论。在对破裂区域1围岩注浆后，围岩塑性区范围控制效果较好，“弹—塑性”受力状态的峰值区域2注浆塑性区范围明显小于区域3、4区，因此，在应力峰值区域附近注浆可以很好地控制塑性区的发育。

4 弱面巷道现场注浆加固技术

巷道围岩表面喷100 mm厚度浆层，喷浆材料为PC32.5水泥、粒径5～10 mm碎石、黄砂，连续养护7 d。注浆分为一次注浆（浅部）和二次注浆（深部）两步施工，具体如下：

（1）一次注浆孔深3000 mm，锚注管规格Ф26.25 mm×3.25 mm×2000 mm，孔口加丝，实管长2 m，每眼1根。二注孔深6000 mm，锚注管规格Ф26.25 mm×3.25 mm×2000 mm，孔口加丝，实管长4 m，每眼2根。

（2）5 m范围内打一注一并及时挂注浆孔牌。断面内先下后上注浆。二次注浆一般滞后一注20 m，即一次注浆浆液产生一定强度后再进行二次注浆。

（3）浆液选用PS32.5水泥，水泥浆按0.75:1的水灰比配制（水高0.4 m，4袋水泥）。一次注浆注浆压力参数终压为2 MPa，二次注浆注浆压力参数终压为5 MPa。

5 结论

（1）由于巷道帮部的岩层受煤线等软弱岩层影响，产生非匀称性变形，变形从弱面部位岩层线状开裂，台阶状错动型破坏为主。根据巷道揭露弱面的不同位置，将巷道变形分为三类。针对弱面影响下巷道变形特征，修护原则为：巷道全断面支护原则、巷道支护局部强化原则、巷道表面强化原则。

（2）通过FLAC3D模拟得出随着巷道围岩浅层注浆对巷道围岩控制效果较为重要。基于弱面影响下巷道变形研究，提出先喷浆、再分步注浆加固技术。

（3）通过巷道围岩变形实测结果反馈，围岩最大变形量为同比情况下原支护方案变形量的1/4左右，巷道围岩控制效果较好。