极软表土层支护技术研究

 引言
平煤股份三矿十号井回风斜井长度为960m，其上部位于第四系冲积层，以炭质页岩、乱石夹黄土及中粒松软砂岩为主，巷道围岩强度低，胶结程度差，松散易碎，遇水膨胀，极不稳定，斜井中间有一段地面标高+161.0m，巷道标高
-25—-41，中心线方位角为217°，斜长121m。由于围岩不稳定，巷道在使用过程中变形严重，主要表现为两帮碹体向巷内挤出，碹体顶部料石压碎脱落，底鼓量大，个别段宽度仅为1.7m，巷道持续变形严重，造成风速增大，行人困难。
1 巷道破坏原因分析
1.1 围岩性质。该段巷道以炭质页岩、乱石夹黄土及中粒松软砂岩为主，强度低，遇水软化严重，具有膨胀性。围岩的自身承载能力低，经过多次修复，造成围岩松动范围加大，这更使得围岩承载能力下降。这是造成巷道难以维护的重要因素之一。
1.2 支护形式。软岩巷道变形具有初期变形速度大，变形持续时间长等特点，要在掘巷初期控制巷道变形，就必须给以很大的支护强度。巷道采用料石碹支护，这种支护方式有支护强度低，支护刚度大，抗变形能力差的特点，因此，这种支护方式就不适应软岩巷道初期围岩的强烈变形。另外，当顶压在不均匀和不对称作用情况下，拱部会出现剪应力，特别是在中央截面处有较大的剪应力；而且，由于是炮掘，巷道成型差，筑砌碹体时，碹体与围岩难以实现紧密接触，易形成间隙，致使碹体局部承载，受力状况恶劣。
1.3 软岩巷道的矿压特征是四周来压，不仅有顶压、侧压，还有底压，因此，对软岩巷道不仅要加强顶帮支护，还要加强底板支护，防止底鼓，然而，现有的支护方式没有考虑底板支护，这是造成巷道变形量大的又一原因。
2 加固方案的提出
拆除碹体，刷大巷道断面，表土层采用U型钢全封闭支架挂网喷射混凝土封闭围岩，基岩采用锚杆挂网喷浆支护。
3 巷道参数确定的数值分析
借助目前岩土工程常用的方法即非线性数值分析方法，利用此方法调整模型方便、计算时间短和灵活的特点，并且可以通过计算得到留巷巷道周边围岩的应力和变形，达到用理论结果指导现场工程实践的目的。
3.1 模型参数确定 ①模型范围的确定。在岩层移动数值模拟中，限于数值模拟软件可运行单元数的限制或为了节约时，通常采用与相似材料模拟实验相类似的简化方法。根据巷道所处的地质条件，建立巷道剖面—平面应变模型，模拟高度从巷道底板影响范围以外至地表，宽度取40m，模拟范围为50m×40m。模型两侧面为滑动支承，底部为固定支承，上部为自由边界。模型划分8000个单元，8424个网格结点。②材料模型及属性的合理确定与测点设置 围岩物理力学性质参照该矿实际岩体力学特性和相近矿区的岩体力学参数确定。节理特性考虑采动影响，围岩本构关系采用摩尔—库仑及应变软化模型，均匀网格。
3.2 新方案支护效果及参数确定 ①U型钢支架选择。井下条件复杂，巷道支架承受的载荷及载荷分布均在不断变化，特别是围岩变形量较大的巷道，这就增加了巷道支护工作的复杂性，同时也对支护型钢的性能提出了更高的要求。U型钢是我国主要的矿用支护型钢，它具有较高的抗拉、抗压、抗剪强度和良好的韧性能使支架承载能力高，有利于保持巷道良好的维护状况，减少支架的变形损坏和修复工作量。另外，U型钢在巷道径向与走向方向具有较大的承载能力和较大的抗变形能力。鉴于以上优点，在本方案中，巷道支护采用全封闭U型钢支架。综合理论计算结果和现场施工经验并考虑给支架承载能力留有一定的富裕系数，本方案采用U29型钢作为支护材料。②棚距确定。采用数值分析的方法确定U型钢棚距。根据支护材料参数，模拟棚距分别为600mm、650mm、700mm三种情况。
三种棚距下围岩变形情况如表1所示。
通过比较可以看出，棚距为600mm、650mm时围岩变形量相差不大，支护效果相差不大。当棚距增加到700mm时围岩变形量增加较多，变化较大。同时，由上面的支架受力分析可知，支架受载荷不均匀，不利于巷道围岩的维护。因此，综合考虑支护效果与经济成本，确定棚距为650mm。
4 实验分析
4.1 施工工艺 ①喷厚的确定。喷射混凝土能够充分发挥对围岩的加固支护作用，创造支护结构与围岩密帖接触条件，尽快地充填围岩裂隙封闭围岩，平整巷道轮廓。根据现场施工经验，确定喷厚为100mm。喷射混凝土时间为支架架设7～10d之后。②金属网规格。考虑到岩性易破碎，对安全存在不利的因素，决定采用加菱形金属网支护。金属网规格定为（长×宽）为2000mm×1000mm，网孔60×60mm。③施工工艺。拆除碹体→刷大断面至规定断面→挂网→架设全封闭U型钢支架→喷射混凝土封闭围岩。表土段扩大断面后，先架设U型钢支架，支架与围岩之间铺设金属网，间距650mm。架设U型钢全封闭支架7～10天后，围岩与支架全断面接触时，开始喷射混凝土。处喷厚度为50mm，复喷厚度为50mm。基岩段扩修巷道断面形状为直墙半圆拱形，巷道净宽4m，净高3m，锚杆采用MG400？准20mm1.6m螺纹钢锚杆，每根锚杆配CK2350超快速锚固剂1支，M2335慢速低稠锚固剂2支，间排距600mm×650mm。锚杆拉拔力不小于150KN，预紧力矩不小于250N·m。巷道底角？准处加打锚索，锚索间距1.2m，即两排锚杆的距离，锚索采用18mm×8m，19根钢绞线的高强锚索。
4.2 围岩变形观测 ①观测内容。对围岩表面位移等进行观测。②测站设置。方案开始施工30m后设置第一个测站，隔20m后再设1个测站，共设4个，表土、基岩段各2个，每个测站3个测面。在每个测面的顶、底板和两帮的中部各布置1个测点。采用“十字测量法”进行观测。采用钢尺进行量测，主要观测内容包括顶底板相对移近量，两帮的相对移近量和底鼓量。表面位移观测均填表，表格形式如表2所示。通过对回风斜井上部极软表土层段的理论分析和数值计算，长期监测，通过反馈的信息，可得到结论：U型钢全封闭支架与短锚杆全长锚固喷射混凝土可保证斜井软岩巷道的长期稳定。
5 结语
U型钢支架与短锚杆全长锚固巷道底角加锚索并喷射混凝土封闭围岩支护，围岩结构面得到强化，表现为结构面法向和切向刚度增大，围岩黏聚力和内摩擦角增大，连续性得到增强，在应力场作用下，拱部和墙体处的岩体通过挤压作用容易形成压力拱结构，提高了围岩的自承能力，使得围岩变形量小，围岩受力均匀，环向应力趋于一致，形成环向应力流，喷层等支护结构受力小，围岩自承能力得到充分发挥，改善了围岩的工作状态。斜井扩修好后，可有效增加矿井进风量：Q=S·v=8.09m2×4m/s×60s=1920m3/min；S=πR2/2+2Rb=3.14×1.52÷2+2×1.52=8.09m2。式中：S为巷道净断面积，v为巷道中的风速，R为半圆拱半径，b为拱墙高。将有效解决井下局部供风量不足，采掘工作面温度高，生产效率低的问题，对矿井的深部开采意义重大。