高应力软岩条件下巷道支护失稳机理及稳定性控制

策略分析

吴振芳

山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司（山西.沁水）048200

摘要：本文将玉溪煤矿中央辅运大巷出现的严重变形破坏问题作为研究对象，通过现场勘查及分析的方式，对巷道变形破坏特征及具体机理进行了深入分析，得到了巷道总体的埋深较大、巷道松动圈范围较大、巷道围岩性质影响、巷道原支护方式的影响、地下水影响明显等因素是导致巷道出现较大变形破坏的原因。结合深部巷道围岩支护特点，设计采用了“锚网索+U型钢闭合环+底板注浆”联合支护方案，从现场勘查情况来看，新返修支护方案实现了对巷道围岩变形的有效控制，对类似巷道的支护有一定借鉴意义。

关键词：高应力软岩；巷道支护；失稳机理；稳定性控制

1、工程概况

玉溪煤矿1盘区中央辅运大巷承担本矿井的运输任务，设计长度为1560m，设计服务年限为40.1a，埋深在433.9-883.3m之间，平均埋深659m，所在层位主要为粉砂岩，巷道围岩裂隙发育较为明显，含有钙质结核、黄铁矿，同时有厚度为0.25m左右的泥岩夹矸，容易破碎。巷道原支护设计采用的是锚梁网索支护，具体见图1所示。巷道在支护之后，围岩出现了严重的明显破坏，先后进行了三次拓帮挑底作业，但是仍旧不能满足巷道正常使用需求，给矿井生产的连续性、安全性带来了较大的影响。

图1 中央辅运大巷原支护设计图

Fig. 1 Design drawing of original support for North track roadway

2、中央辅运大巷变形破坏特征及机理分析

为准确掌握中央辅运大巷变形破坏特征，采取针对性的围岩控制措施，对中央辅运大巷变形破坏特征及机理进行了现场勘查。

2.1变形破坏特征

根据现场勘查发现，中央辅运大巷出现了全断面变形破坏。巷道底板鼓起量在1.4m—1.7m之间，巷道顶板下沉量在1.1m—1.3m之间，顶底板平均相对移近量在2.5m—2.9m之间。巷道两帮相对移近量接近2.2m。同时，在现场勘查时发现，巷道下部有明显的涌水情况，两帮围岩出现了显著的遇水软化特征，且巷道原支护体上形成了较多网兜。巷道的两帮和顶板处出现了较多的锚杆整体外移的情况，这表明巷道锚杆支护已经失效，支护体已经被拉断。巷道在变形前后的断面图见图2所示。

图2 变形前后巷道断面对比图

Fig.2 Contrast Diagram of Roadway Section before and after Deformation

2.2变形破坏机理

通过研究表明，导致中央辅运大巷出现明显变形破坏的原因较多，主要有如下几个方面：

（1）巷道总体的埋深较大。

根据中央辅运大巷所处位置的地质资料表明，巷道埋深平均达到了659m，整体的垂直应力非常大，且通过现场对巷道所处位置地应力进行测试表明，垂直主应力为29.6MPa，最大水平主应力为31.8MPa，最小水平主应力为17.8MPa，测压系数达到1.7，巷道整体所受的地应力非常大。在如此大的地应力作用下，巷道围岩虽然为强度较高的粉砂岩，但是在高应力作用下，已经表现出明显的高应力软岩的特征，这也是导致虽然对巷道进行了三次返修，但是仍旧出现了明显的变形破坏。

（2）巷道松动圈范围较大。

为了掌握巷道围岩的变形范围，在本次勘查时，选择使用围岩松动圈测试仪对中央辅运大巷3个断面9个测点的巷道围岩的松动圈的范围进行了测试，对巷道内部围岩变形破坏情况进行了研究。松动圈具体的勘查见表1所示。

表1 中央辅运大巷巷道松动圈测试结果

Tab. 1 Test results of loose zone in large roadway of North track

通过表1可知，中央辅运大巷巷道整体松动圈的范围较大，多数地点均接近或超过了1.8m，属于大松动圈范围，而在原支护中，巷道顶帮锚杆支护的范围最大为2.4m，再加上施工中存在锚杆锚索支护不到位的情况，导致很多锚杆应有的支护效用不能发挥出来，这也是在现场勘查中得到很多锚杆被拉伸出来的原因，这说明原设计中锚杆支护已经失效。

（3）巷道围岩性质影响

中央辅运大巷巷道围岩所处的层位的围岩是粉砂岩，从地质资料和现场勘查情况来看，围岩裂隙发育明显，同时，其中含有厚度为0.25m的夹层，夹层的围岩性质为泥岩，总体的强度较低，且含有膨胀性软岩成分，在这种情况下，巷道围岩整体的承载性能较差，在高地应力的作用下，非常容易出现变形破坏。

（4）巷道原支护方式的影响

从中央辅运大巷原有支护设计来看，巷道设计采用的是普通锚梁网索支护，虽然这种支护方式在浅层的巷道围岩支护中能够取得较好的支护效果，但是在深部围岩支护中，已经表现出较强的不适应性，主要是这种支护没有给深部高应力软岩留有充足的释放能量的空间，属于“刚性支护”，这种刚性支护方式在高地应力作用下，非常容易出现支护失效的情况。再加上巷道原支护中没有对巷道底板进行支护，导致底板成为了深部高应力释放的主要空间，这也是本次巷道底板出现变形破坏较大的原因。

（5）地下水影响明显

从现场勘查情况来看，巷道下部有明显的水体侵蚀的影响，特别是底板围岩在长期与水接触的情况下，自身的承载能力与强度会明显降低，特别是围岩中的膨胀性软岩成分，在水体的作用下，会出现崩解，加剧了巷道围岩变形。

3、中央辅运大巷返修支护设计分析

结合中央辅运大巷出现的变形破坏特征及具体机理，本次返修设计采用“锚网索+U型钢闭合环+底板注浆”联合支护方案。

3.1返修方案支护机理

首先，U型钢闭合环设计采4节U型钢组合形成一个完整的U型钢支护闭合体，这4节U型钢的接口位置，设置使用卡缆，目的是实现支架可缩量的自动调节，这对于支架在支护时，更好适应巷道围岩变形，在巷道围岩变形过程中，仍旧给予巷道高支护力是非常关键的。特别是对于中央辅运大巷巷道整体围岩变形量较大，选择使用U型钢支护闭合支护体，可以为巷道支护提供较高的支护承载能力，随着支架变形量的增加，其支护阻力也随着增加，实现“高阻让压”支护，这对于深部巷道支护是非常关键的，有效避免了传统刚性支护的弊端。

其次，锚网索支护主要仍旧是在巷道的顶底板及两帮实施高强度锚杆、锚索支护，同时，对锚索、锚杆施加高强度预紧力，最大限度的提升对巷道表层围岩的预紧压缩效果，实现对巷道浅层围岩的变形限制。同时，本次设计在巷道两帮打设长度为4200mm，直径为17.8的预应力锚索，更好发挥锚索对巷道两帮围岩的支护作用，调动巷道两帮深部稳定围岩对浅部围岩变形的限制作用。从而在巷道浅层形成锚杆+锚索+钢筋网+托盘+巷道围岩为一体支护结构，充分调动巷道浅部围岩、中深部围岩对巷道整体变形的限制作用。

第三，巷道底板注浆支护。考虑到中央辅运大巷下步涌水严重的情况，本次设计在巷道底板打设注浆管道，实现对巷道底板及巷道两帮下部裂隙的有效封堵，提升巷道底板的承载能力，限制巷道底板及两帮围岩变形。

3.2具体支护方案设计

本次设计的具体支护方案为：

（1）U型钢闭合环支护设计。本次U型钢闭合环设计采用U28型钢，设计的有效压缩量为400mm，4节U型钢搭接而成，每节的长度为4400mm，具体见图3所示。

图3  U型钢闭合环支护体支护示意图

Fig. 3 U-shaped Steel closed ring support sketch

（2）锚网索支护设计。锚杆支护设计参数为：φ22mm×2400mm，间排距为800mm×800mm。帮锚索支护参数为：φ17.8mm×4200mm，位置在距离底板1200mm处，对称布置两根。顶板锚索使用φ17.8mm×8000mm，对称布置三根，间排距为1600mm×1600mm。其中设计锚杆的预紧力均为65kN，锚索的预紧力均为75kN。

（3）底板注浆参数设计。为了扩大底板注浆支护效果，本次注浆对称布置三根注浆孔，注浆压力控制在5MPa左右，注浆角度设计外摆15°，间排距设计为1800mm×1800mm。

巷道锚网索支护和底板注浆支护设计见图4所示。

图4 巷道锚网索+注浆支护示意图

Fig. 4 Diagram of bolt-mesh-cable+grouting support in Roadway

3.3返修后支护效果分析

为了验证本次返修后支护效果，选择使用十字布点法对巷道围岩变形情况进行了监测分析，通过观测，得到了巷道围岩变形曲线，见图5所示。

图5 返修后巷道围岩变形曲线

Fig. 5 Deformation curve of surrounding rock of Roadway after repairing

从图5可看出，巷道在选择使用新支护方案后，整体的巷道围岩稳定性得到了较好的控制，顶底板最大的移近量接近250mm，两帮的相对移近量接近200mm。这说明新支护方案在控制巷道围岩稳定方面取得了较好的效果。

4、结语

（1）本次通过设计采用“锚网索+U型钢闭合环+底板注浆”实现了对巷道围岩的有效控制，对类似深部巷道围岩稳定控制有着较强的借鉴意义。

（2）深部巷道围岩变形破坏特点及围岩稳定性控制相对于传统围岩控制出现了较大的变化，设计人员在进行设计时，需充分考虑深部围岩特点，设计出符合深部围岩特征的支护方案。

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作者简介：1987年6月、男、汉、籍贯：山西.沁水、本科、 毕业于中国矿业大学（北京）、研究方向：采矿工程、工程师