軟巖巷道變形支護研究與實踐

馬龍濤 雷志峰 劉 遠

（黃陵礦業有限公司二號煤礦，陜西 延安727307)

黃陵二號煤礦是年生產能力700萬t的大型現代化礦井，井田為斜井、平硐聯合開拓，盤區布置。409綜采工作面位于二號井田四盤區左翼，工作面走向長度3000m，工作面長度260m。409輔運巷主要滿足于409綜采工作面的運輸、管線鋪設需要。巷道沿煤層頂板掘進（上預留300mm至500mm厚的煤層）。

409輔助運輸巷設計全長2535m，且先后為409、411兩個工作面服務，服用時間長，對圍巖變形要求高，受長期風化、淋水等不利因素的影響大。輔助運輸巷與409綜采工作面之間留設30m煤柱，但巷道將受到409工作面回采的全過程影響，造成圍巖應力的重新分布并形成不均衡應力區，導致巷道全斷面劇烈來壓，底板和煤柱幫的變形尤其嚴重，使巷道斷面急劇收縮，而在411工作面回采時又將經受一次超前采動影響，對巷道支護體系的整體穩定性要求非常高。為此，總結掘巷期間巷道表面變形規律及巷道破壞機理，為支護參數優化提供科學依據，并及時發現工程隱患，以保證安全高效掘進。

1 巷道地質條件

409輔運巷位于+700m水平,巷道總埋深為634.5m。巷道布置在2#煤層中，2#煤黑色、塊狀，以半亮型～半暗型煤為主，夾有薄層暗煤，條痕褐黑色，瀝青狀光澤，階梯狀斷口，條帶狀結構，塊狀構造，內生裂隙，較為發育，部分被方解石充填，夾矸為泥巖，結構：4.9（0.25）0.46。巷道頂板圍巖主要以淺灰色粉砂巖為主，呈薄層狀，斷面較平整，含大量云母片，波狀交錯層理發育，巖芯完整，較致密，局部夾泥質成分，泥、鈣質膠結，厚13m～16.5m。巷道直接底，薄層狀泥巖，較為松軟，局部含煤的包裹體，厚度1m，粉砂巖泥巖細粒砂巖9.9m。巷道頂底板柱狀圖見圖1。煤體：普氏系數f=1，抗壓強度Rc=10MPa，抗拉強度Rt=1.2MPa，抗剪強度τ=2.4MPa。粉砂巖：普氏系數f=7.3，抗壓強度Rc=73MPa，抗拉強度Rt=8.35MPa，抗剪強度τ=10MPa。泥巖：普氏系數f=5，抗壓強度Rc=50MPa，抗拉強度Rt=2MPa，抗剪強度τ=4.7MPa。

圖1 巷道頂底板柱狀圖

2 巷道變形機理分析

2.1 巷道頂底板巖石分析

2#煤層以半亮型～半暗型煤為主，階梯狀斷口，條帶狀結構，塊狀構造，內生裂隙，較為發育，部分被方解石充填，夾矸為泥巖；巷道頂板圍巖主要以淺灰色粉砂巖為主，巖芯完整，較致密，局部夾泥質成分，泥、鈣質膠結；底板泥巖塊狀，較為松軟，含大量鋁質鱗粒。煤層及底板巖層強度較低且底板泥巖具有膨脹性，是引起巷道變形破壞的主要原因。

2.2 巷道破壞變形分析

在破碎軟巖支護中，巷道頂板—巷幫—底板圍巖作為有機統一的平衡體系，其破壞其破壞變形相互影響，即任一區域的破壞變形都會通過應力、應變傳遞的方式影響其它區域。

自穩隱形拱是地下巷道穩定的界面，并以此界面將頂部垂直應力轉向巷道兩幫。改變巷道頂角形狀或在頂板適當位置加裝預應力錨桿可以降低自穩隱形拱的高度，取得較好的支護效果，兩幫底角圍巖是巷道受力最大的部位之一，是通過兩幫壁圍巖承受巷道頂板載荷的受力基礎，巷道兩幫同底角圍巖失去橫向支撐而向巷內擠入，將直接造成巷道斷面的減少和底板鼓起[1－4]。

隨著底板強度降低，零位移點、零應變點均向底板深部發展，圍巖強度越小，底鼓量越大。底鼓控制需重點加固破碎底板，增大其峰后強度及殘余強度，盡量減小底板自由面積，控制水平應力對底鼓的影響[4－5]。

通過以上分析，破碎軟巖巷道的破壞變形具有整體性，底板作為巷道支承的基礎，其破壞變形將影響巷道幫部圍巖的穩定性，而幫部圍巖的破壞變形將影響頂板圍巖的穩定，造成巷道壓力增大，進一步加劇圍巖破壞，造成巷道整體失穩。巷道兩幫頂、底角及巷道圍巖體系中的軟弱部位應重點加強支護。

409輔助運輸巷布置在2#煤層中，2#煤破碎軟弱，且底板泥巖強度較低，底板及幫部圍巖的破壞變形是巷道破壞變形的主要原因。

2.3 巷道斷面

自穩隱形拱理論認為[1-3]：達到塑性破壞后即便是松散的圍巖都具有一定的支承能力，而那些處于受拉應力的圍巖被列入預防和支護的對象。在巷道兩幫無支護狀態下，巷道垮落片幫的極限深度最大值為hw/2(hw為巷幫高度)，當其發展到此程度時，自穩隱形拱也將會變至最大，這時的自穩隱形拱稱為極限自穩隱形拱。不穩定危害巖體區劃分見圖2。采用矩形斷面時，錨桿架設于垮落拱內，將導致只有錨索起作用的危險局面，大大降低了錨網的支護效果，錨桿形成的有效加固范圍大大減小。

在平面應變問題中，頂板內拉應力為零的單元連線為橢圓曲線，稱為自穩隱形拱，其方程如下：

式中w0——巷道原始寬度；

p0——原巖應力；

σt抗拉強度。

圖2 無支護巷道圍巖的不穩定區劃分[1]

3 支護方案

巷道設計斷面4.6m×3.8m。頂板支護：頂板采用6根Φ22mm×2800mm左旋螺紋鋼錨桿配合M型托盤及M5鋼帶壓網支護，錨桿間距800mm、排距800mm。同時針對頂板進行“3-2-3”布置方式的錨索強化支護。幫部支護：采用5根Φ20mm×2500mm左旋螺紋鋼錨桿配合M5鋼帶分段搭接，錨桿間距1000mm、排距1000mm。由自穩平衡拱理論驗證：頂、幫補支護已基本滿足支護要求。原支護方案下巷道破壞變形的主要原因：未治好“兩幫腳”。原設計忽視了“兩幫腳”的支護，是導致巷道變形的主要原因。

4 巷道變形實測

4.1 測站布置

為了得到破碎軟煤巖巷道的變性特點與規律，本次在409輔助運輸巷道選取50m典型支護段4個斷面布置4個觀測站進行礦壓觀測，具體包括頂板下沉量及下沉速度、底鼓量及底鼓速度、兩幫移近量及移近速度。截至現場觀測第一天，已施工990m左右，日進尺可達11m。測站布置于掘進迎頭。

4.2 巷道變形規律

4.2.1 巷道兩幫位移規律

表1 巷道變形值mm

從表1看出,巷道變形底臌量最大,兩幫移近量次之,頂板下沉量最小,其中底臌量占頂底板移近量85.6%,由于該礦區煤系地層中大部分煤層底板附近為砂質泥巖,強度較低,而且節理較發育,極易破碎失去承載能力,底板破壞向巷道中部移動，帶動兩幫移近，巷道底板與兩幫的失穩將最終導致頂板破壞失穩。

圖3 表面位移幫部變形量曲線

對四組表面位移測站采用多斷面觀測法共觀測21天，兩幫移近量為27.75mm，單幫變形量14mm；兩幫變形速度最大為10mm/d。

通過圖3～4可以看出，兩幫變形速度在巷道掘出9天內速度降至1mm/d以下，巷道掘出12天后，巷道兩幫變形速度降至0.25mm/d以下。即可以認為在測點附近頂板巖性及現有支護參數情況下，巷道掘出后兩幫變形劇烈期為9天左右，12天后趨于穩定，掘巷迎頭應力影響范圍為100m左右。

4.2.2 巷道頂底板位移規律

在觀測期間，頂底板移近量為138.5mm，其中頂板下沉量20mm，底鼓量118.5mm，底鼓占85.6%；頂板下沉速度最大為6mm/d，底鼓速度最大為25mm/d。

圖5 表面位移頂底變形量曲線

圖6 表面位移頂底變形速度曲線

圖5～6表明，巷道掘出后，測點頂板下沉速度較小，在巷道掘出5天以后，速度降至1mm/d以下，8天后，頂板下沉速度穩定在0.25mm/d以下，迎頭應力對頂板影響范圍為90m左右；底鼓速度較快，剛開始為25mm/d，15天后，頂板下沉速度降至1mm/d，19天后，底鼓速度降至0.5mm/d，基本趨于穩定，迎頭應力對底板影響范圍為200m左右。

5 分析與結論

通過現場實測的結果可以看出，巷道破壞程度與所處巖性、埋藏深度、支護形式及支護參數關系很大，其破壞規律及原因分析如下：

（1）掘進初期巷道變形量大，變形速度快。原因是由于巷道埋深大，造成地應力增大，加上采動影響，使巷道圍巖處于破裂狀態并造成較大的破裂范圍，從而產生較大的變形量。這與開采深度、巖石力學性質、支護方式等有關。409輔運巷的現場觀測表明,現有支護條件下，破碎軟巖巷道剛開挖時的變形速度可達25mm/d以上，5d的變形量就達到其變形總量的62%～64%，8d后該比例上升到82%～86%。巷道收縮變形主要是由于巷道幫、底破碎軟圍巖破壞變形的結果。

（2）在破碎軟巖支護中，巷道頂板—巷幫—底板圍巖作為有機統一的平衡體系，其破壞其破壞變形相互影響，巷道兩幫頂、底角及巷道圍巖體系中的軟弱部位應重點加強支護。

（3）從實測結果可以看出，409輔運巷底臌量約占頂底板移近變形總量的85.6%。這是因為巷道兩幫和頂板進行過支護，阻礙了相應部位圍巖的繼續變形和圍巖應力的進一步調整，此時底板成為最薄弱的臨空面，于是應力釋放和巖體擴容變形向底板轉移，而底板泥巖強度有較為軟弱，導致底板變形嚴重。巷道底臌增加了巷道礦壓控制難度，使支護復雜化。所以應采用合理的支護形式及支護參數防治底臌。

［1］黃慶享，冉隆明，等.構造破碎帶大巷復修的支護理論與實踐[J].煤炭科學技術，2008，06：15-18.

［2］惠興田，韋正范，等.自穩隱形拱的研究與應用[J].礦業安全與環保，2006，12：38-40.

［3］康紅普.巷道圍巖的關鍵圈理論[J].力學與實踐，1997，01：34-36.

［4］柏建彪，李文峰，等.采動巷道底鼓機理與控制技術[J].采礦與安全工程學報，2011，03：01-05.

［5］楊生彬，何滿潮，等.底角錨桿在深部軟巖巷道底臌控制中的機制及應用研究[J].巖石力學與工程學報，2006，06：2913-2919.

［6］卓知權，黃慶，等.古敘礦區“三軟”煤層巷道支護技術設計及應用[J].礦業安全與環保，2013，06：84-91.

［7］王金喜，張曉康，等.深埋破碎軟巖巷道變形破壞研究[J].煤炭工程，2007，03：76-77.

［8］蔡洪都，劉剛，等.淺埋薄基巖三軟煤巷支護方式數值模擬[J].煤礦安全，2009，05：49-50.

［9］單仁亮，孔祥松，等.煤巷強幫支護理論與應用[J].巖石力學與工程學報，2013，07：1304-1314.

［10］劉泉聲，肖虎，等.高地應力破碎軟巖巷道底臌特性及綜合控制對策研究[J].巖土力學，2012，06：1703-1710.