软岩巷道围岩刚柔耦合支护技术研究与应用_张红军.pdf

第 43卷第 1期2023年 2月防灾减灾工程学报Journal of Disaster Prevention and Mitigation EngineeringVol.43 No.1Feb.2023软岩巷道围岩刚柔耦合支护技术研究与应用张红军1，2，王奎峰1，王薇1，张瑞华1，许艳1，张太平1，王强1（1.山东省地质科学研究院，山东 济南 250013；2.自然资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013）摘要:煤矿开采进入深部开采阶段后，普遍呈现出围岩变形量大、支护构件失效的技术难题。为研究针对性的控制对策，以矿典型高地应力软弱破碎巷道为研究背景，在现场矿压监测、地质雷达探测以及地应力实测的基础上，研究了此类巷道的变形规律。同时基于现场监测及分析成果，提出了以高预应力锚杆、注浆锚杆（索）和“U”型钢架为核心的分步刚柔耦合支护关键技术，并阐明了其具体支护机制。为进一步检验新支护方案的支护效果，在新掘的胶带大巷进行了现场实验，相比原支护围岩松动破坏范围减小了近 50%，顶板下沉量、两帮移近量以及底鼓量仅163、135和 107 mm，52 d内基本实现了巷道变形稳定，取得了良好的支护效果。关键词:耦合支护；高地应力；软岩巷道；注浆加固；变形特征中图分类号:TD421.5+3；X936 文献标识码:A 文章编号:16722132(2023)01010707Study and Application of RigidFlexible Coupling Support Technology for Surrounding Rock in Soft Rock RoadwayZHANG Hongjun1,2，WANG Kuifeng1，WANG Wei1，ZHANG Ruihua1，XU Yan1，ZHANG Taiping1，WANG Qiang1(1.Shandong Institute of Geological Sciences,Jinan 250013,China；2.Key Laboratory of Gold Mineralization Processes and Resources Utilization Subordinated to the Ministry of Land and Resources,Jinan 250013,China)Abstract:The technical problems associated with large deformations of surrounding rock and failure of supporting members usually arise during the stage of deep mining in coal mines.To study the control countermeasures，of these problems，a study was conducted on a typical roadway with high ground stress and weak crushing in a coal mine.On the basis of on-site mine pressure monitoring，geological radar detection and in-situ stress measurement，the deformation behavior and mechanisms of such roadways were studied.Based on the results of on-site monitoring and analysis，the key technologies of step-by-step coupling support with highly prestressed bolts，grouting bolts（cables）and U steel frames are proposed.To further evaluate the support effectiveness of the new support scheme，a field experiment was carried out in the mudstone layer section of the newly excavated belt roadway.Compared with the original support，the proposed support scheme reduced the range of loose damage in the DOI：10.13409/ki.jdpme.20211102001收稿日期：20211102；修回日期：20211214基金项目：山东省自然科学基金博士基金（ZR2019BEE021）、国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室和山东省金属矿产成矿地质过程与综合利用重点实验室联合项目（kfkt201803）资助作者简介：张红军（1987），男，高级工程师，博士（后）。主要从事深部软岩支护、重大地质灾害治理方面的研究。Email:107surrounding rock by nearly 50%，and the amount of roof subsidence，the amount of two sides moving closer，and the amount of floor heave were only 163，135 and 107 mm，within 52 days，respectively.This indicates that the roadway deformation stability was basically achieved.The research findings are expected to provide valuable reference for similar tunnel supports.Keywords:coupling support；high ground stress；soft rock roadways；grouting reinforcement；deformation characteristics0 引 言随着煤炭开采普遍进入-700 m深部开采阶段，绝大部分巷道开挖面临着围岩变形过大的支护难题13。目前软岩巷道的返修率高达 70%以上，可见深部软岩巷道的稳定性控制问题已成为制约我国煤炭深部开采的瓶颈问题之一45。国内学者在支护理论与技术方面早已进行了大量的科研工作，取得了较为丰硕的研究成果68，在国际软岩支护领域也处于领先地位。部分代表性的成果，如：孙晓明等9提出，如要实现深部软岩巷道的稳定性，必须保证支护构件与围岩的耦合性；张向东等1011则通过研究深部膨胀性软岩巷道的变形特点，有针对性的提出了大跨度软岩巷道与复合型软岩巷道的支护技术方案；谢生荣等12在研究高地应力对巷道稳定性影响的基础上，提出了锚喷注强化承压拱支护技术；高延法等13研发了适用软岩巷道的钢管混凝土支护结构；王连国等14基于深部高应力极软岩巷道破坏特点，提出了以内注浆锚杆为核心的锚注支护体系；康红普院士等15系统研究了软岩巷道的变形机制及控制技术，总结提出了高预应力、强力支护理论。以上各位学者的研究成果，对深部软岩巷道稳定性的控制具有里程碑意义。本文在以上学者研究的基础上，基于深部软岩巷道的变形特点，分析了复杂应力场作用下围岩的变形破坏和刚柔耦合支护机制，有针对性的提出了软岩巷道刚柔耦合支护技术，并通过现场试验证明该支护方案能有效控制围岩变形，保持巷道的稳定，以期为类似困难巷道的支护提供一定的借鉴与参考。1 工程概况某煤矿位于宁阳煤田，矿井主采 3层煤，煤层平均厚度 6.10 m，煤层倾角 711，西翼胶带大巷平均埋深-700 m，设计长 1 230 m，设计断面为半圆拱型，净 宽 5 300 m，净 高 4 400 mm，墙 身 净 高1 900 mm。原支护方案采用传统的“锚网喷”一次支护方式：锚杆采用大螺距等强螺纹钢锚杆，直径22 mm，长度 2 400 mm，间排距 800 mm800 mm；锚索采用直径 17.8 mm、长度 6 300 mm 的钢绞线，间排距 1 600 mm1 600 mm，分别在巷道顶部、两肩 部 位 各 布 置 一 根；混 凝 土 强 度 等 级 C20，厚100 mm；金属网采用 6 mm 的钢筋焊接而成。各支护构建布置如图 1所示。2 巷道破坏特征及机理分析2.1 巷道破坏特征通过现场调查与围岩近 6个月变形量监测结果表明：（1）围岩表面破坏严重。巷道围岩在全断面内出现了不同程度的变形和破坏，顶板下沉、两帮内挤与底鼓均有剧烈显现（图 2），支护构建失效明显，对巷道的正常运输与工人的安全造成了严重的安全隐患。（2）围岩变形量大。为掌握该区段巷道围岩变图 1各支护构件布置Fig.1Layout of each supporting member108形破坏的详细数据，在新开挖的巷道设置了 2个围岩监测断面，间隔 50 m。每个断面分别对顶板、左帮、右帮与底鼓变形量进行实时监测。由于两个断面监测数据差别不大，只列出了 1#断面的监测结果，如图3 所示。可知，在巷道开挖 165 d 内，围岩变形量较大，其中顶板最大（509 mm），其次分别为右帮（408 mm）、左帮（402 mm）、底鼓（369 mm）。在监测期内围岩始终保持较大的变形速率，顶底板与帮部移近速率分别维持在 18 mm/d，直到监测结束围岩仍没有收敛稳定趋势，严重加大了支护难度。（3）围岩松动破坏范围大。采用了美国劳雷公司生产的 SIR3000 地质雷达设备对不同距离掌子面的围岩破坏松动范围进行探测。各断面探测结果见表 1。可知，离掌子面越远，西翼胶带大巷围岩的松动范围越大，距离掌子面 200 m 时巷道松动圈范围为 1.73.5 m，最大处可达 4.2 m，且增长幅度不断扩大。图 4为典型围岩松动范围剖面。2.2 巷道破坏机理分析（1）围岩特性。采用 X 射线衍射仪对岩样进行全岩矿物分析和黏土矿物定性定量分析，分析结果见表 2。可知，巷道围岩含有高岭石等成分，其遇水易泥化、水解、软化，并产生较大的膨胀变形，是典型的节理化膨胀性软岩。一经开挖便显现出软岩破碎的特性，造成支护困难，这也是导致巷道多次反复维修后仍不能保持稳定的最主要原因。（2）高地应力的影响。表 3 为西翼胶带大巷地应力测试结果。结果表明，西翼胶带大巷最大主应力为 20.8 MPa，远超过泥岩和砂质泥岩的软化荷载，巷道一经开挖便处于塑性软化状态，随后很快进入“损伤扩容剪切滑移破坏碎胀大变形”的失稳破坏模式。（3）原支护方案设计不合理。由围岩特性测试结图 4典型围岩破坏松动探测结果Fig.4Detection results of typical rock failure and loosening图 2围岩表面破坏严重Fig.2Seriously damaged surrounding rock surfaces图 3围岩变形量监测结果Fig.3Monitoring results of surrounding rock deformation表 3 地应力实测结果Table 3 Test results of in-situ stresses 深度/m700主应力主应力123大小/MPa20.814.76.5方位角/（）112.58.5221.3倾角/（）13.254.118.6表 1 围岩松动圈测试结果Table 1 Results of surrounding rock loosening tests编号12345与掌子面距离/m2550100150200松动圈范围/m0.41.00.71.51.22.21.5