深井高地應力軟弱圍巖巷道分部聯合支護技術研究與應用

摘要：文章根據平煤一礦高地應力軟巖巷道破壞的實際情況，分析研究了該類巷道變形破壞機理，提出了鋼筋網+U型鋼支架+噴層，頂拱、兩幫高強預應力錨桿+淺孔注漿進行一次支護，全斷面滯后深孔注漿+高強預應力錨索為二次支護的分部聯合支護方案。

關鍵詞：高地應力；軟弱圍巖巷道；聯合支護技術；深井；煤炭開采 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD353 文章編號：1009-2374（2016）12-0141-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.066

平煤礦區是我國中原地區最大的煤礦區，大多數礦井都已開拓延伸到地下800～1000米深度。隨著開采深度的增加，高地應力與巖體強度不足的矛盾也越來越明顯，使得地質條件惡化、大范圍巖體進入松散破碎狀態，支護后的巷道底鼓以及斷面縮小嚴重，造成了大量的維修工作，同時也增加了支護成本，就當前使用的支護技術而言，已很難滿足高地應力軟弱圍巖巷道支護的需要。為了從根本上把深部巷道圍巖穩定性控制問題加以解決，本文研究了圍巖巷道的分部聯合支護技術，并提出了合理的支護方案。

1 平煤股份一礦三水平下延主運輸巷工程簡介

泥巖、砂質泥巖以及粗砂巖是本礦三水平下延主運輸巷道圍巖的主要構成材料。此巷標高為-550～200m范圍內，巷道采用錨網噴支護，沒有架棚。巷道兩幫位移200mm，底臌500mm，根據已掘進巷道各圍巖的變形情況，我們發現錨網噴支護段的兩幫位移以及底臌量都發生了較大變化。

2 深部軟巖巷道破壞的影響因素分析

2.1 巖體強度

平煤股份一礦三水平下延主運輸巷大多變形破裂巷道處在泥巖、砂質泥巖和粗砂巖中。根據已掘進巷道各圍巖的變形情況，可知錨網噴支護段的兩幫位移以及底臌量都發生了較大變化。而這些泥巖、砂質泥巖和粗砂巖單軸抗壓強度低，巖體的強度應力比較小，巖體強度與高地應力之間的矛盾成為影響深部巷道失穩的主要因素。

2.2 地下水的影響

區域內巖層含水量不大，沒有大型蓄水構造，施工中巷道涌水主要是頂板淋水和生產用水，對施工影響不大。

2.3 地應力的影響

巷道開挖前，原巖應力越高，由于開挖卸荷產生的偏應力就越大，對深部巷道而言，近表圍巖的圍壓通常會出現較大卸荷，而巷道周向的應力會得到大幅增加，這必然會增加圍巖的剪應力。這兩個方向上應力的升降使圍巖高應力與低強度之間的矛盾也越來越激烈，這樣開挖圍巖后劣化速度必然會加快，最終造成巷道的失穩、變形破壞。

2.4 巖石物理力學性質的影響

巖石礦物組成分析測試表明，高嶺石與伊利石是三水平下延主運輸巷圍巖的主要構成。它們都帶有弱膨脹黏土礦物的性質，在遇到水的情況下易泥化、水解、軟化，其膨脹量也是相當大的，所以高嶺石以及伊利石遇水持續膨脹軟化也是引起井底工程變形、失衡的重要原因。此外施工因素，如施工工藝以及施工技術也會對巷道的穩定性產生重要影響。

綜合分析了影響巷道穩定性的主要因素，巖體強度、地下水、地應力大小、圍巖物理力學性質、溫度和施工質量等，其中高地應力和低巖體強度之間的矛盾是導致巷道失穩的主要因素。

3 變形破壞機理及支護對策

借助Phase2計算軟件來對深部軟巖巷道出現大變形破壞的機理進行分析，可知巖體垮落與滑移現象會首先發生于巷道拱頂、底板中央區與兩側邊墻塊體中，這樣產生的破壞區主要是以張拉破壞為主的。而剪應力集中區會出現在巷道左右拱肩與兩側底角中。隨著深度的加深破壞區范圍也在不斷延伸，便會出現很多以剪切破壞為主的破壞區，加之巷道變形量也在不斷增大，最終造成失穩破壞現象。

基于以上對巷道變形破壞失穩機理的分析，可以采用以下對策來進行巷道支護：

最初在開挖巷道時，由于巷道表面受拉破壞，根據頂板的破碎程度確定是否進行U型鋼架棚，如圖1所示。

針對拱頂、底板中央、兩邊墻拉伸破壞區采用預應力錨索加固（如圖2所示），這樣不但可以對拱頂下沉的下沉現象進行有效控制，還可以有效控制底臌、兩幫的收斂變形情況。

為了有效應對兩拱肩剪應力比較集中的現象，可把錨桿適當加密（見圖3），通過使錨桿抗剪強度與剛度增大的方式，對剪切破壞區的發展進行有效控制。

為了有效應對兩側底角的剪應力比較集中的現象，采用了增設幫腳錨桿與底角注漿錨管的方式（見圖4）來使各圍巖的抗剪強度得到提高，進而有效防止剪切滑移現象的出現；這邊便可與底板錨索有效聯合起來對底臌變形的變形情況共同進行抵抗。

注漿補強全斷面，固結修復破裂損傷區的圍巖，這樣可以與錨桿/索共同構成一種聯合加固的結構（見圖5），進而更有力地保障巷道的長期穩定。

4 支護方案

4.1 總體設計思路

本設計采用分步聯合支護理念，鋼筋網+U型鋼支架+噴層，頂拱、兩幫高強預應力錨桿+淺孔注漿進行一次支護，全斷面滯后深孔注漿+高強預應力錨索為二次支護，最后施作預底板注漿+錨索。

4.2 具體施工順序

巷道開挖后施工工序為：掛鋼筋網→架設36U型鋼支架→初噴100mm厚C20混凝土→淺孔注漿→深孔注漿→施作預應力錨桿→施作預應力錨索→復噴50mm厚C20混凝土。

5 支護效果評價

5.1 在實測地應力和圍巖條件下的強度評價

根據實測的地應力大小、方向和現場圍巖條件，巷道開挖采用該支護方案后，計算巷道收斂變形，進行圍巖穩定性分析，采用本支護方案后，肩頂最大位移控制為55mm，底臌控制在72mm范圍內，均不超過150mm，能夠有效控制圍巖變形破壞，確保巷道穩定。

5.2 地應力增加時支護結構強度評價

該主運輸巷是一條下山巷道，普遍來講，隨著埋深的增大地應力增加，應考慮當地應力隨著埋深增大或因其他地質構造作用而增大時，該支護結構的強度是否滿足要求。

本文進行了多種工況的比較，分別比較了地應力場的最大主應力為35MPa、40MPa、45MPa或地質條件惡化時圍巖的穩定性，給出了相應的強度評價。

支護強度評價：當地應力超過45MPa或地質條件惡化時，采用該支護方案后圍巖變形量較大，有必要進行補強支護。表1只是進行了理論計算，現場情況復雜多變，存在許多不確定性因素，當地應力未超過45MPa時，根據新奧法理念，現場監測，當圍巖穩定性變差時，及時調整支護方案及相關支護參數。

6 結語

采用適合平煤礦區的深井高地應力軟弱巷道支護方案在三水平下延主運輸巷進行試驗以來，取得了顯著效果。成功應用了提出了鋼筋網+U型鋼支架+噴層，頂拱、兩幫高強預應力錨桿+淺孔注漿進行一次支護，全斷面滯后深孔注漿+高強預應力錨索為二次支護的分部聯合支護技術。解決了巷道穩定性控制問題，顯著改善了巷道生產安全狀況，大大減少了巷道返修，實現了深井巷道支護方案的系統化，保證了穩產高產。

作者簡介：侯恒元（1982-），男，河南焦作人，平煤股份一礦掘進一隊技術員，研究方向：采礦工程。

（責任編輯：秦遜玉）