高應力破碎巖體巷道形狀及支護方式分析

楊陸海，周 旭

(陜西煎茶嶺鎳業有限公司， 陜西 略陽縣 724300)

高應力破碎巖體巷道形狀及支護方式分析

楊陸海，周 旭

(陜西煎茶嶺鎳業有限公司， 陜西 略陽縣 724300)

高應力破碎巖體對巷道施工技術要求較高，針對此類巖體，若設計施工不合理，必然會造成后期巷道變形嚴重，巷道返修工程量大、施工安全難以保證等問題。因此，針對高應力破碎巖體，從設計上選擇合適的巷道斷面，同時根據巷道使用年限確定相應的支護等級，從而有效地利用地應力分布規律，提高圍巖穩固支撐作用。

高應力破碎巖體；斷面輪廓；支護方式

0 引 言

地下巷道工程掘進，對于地應力大且巖石條件破碎的，目前常規做法是根據巷道的用途及使用年限合理選擇支護形式，即通過支護手段穩固巖體，從而確保巷道不變形，但實際生產中發現僅僅通過支護手段，不僅造成支護材料消耗量大，且常常難以維持巷道原有輪廓，巷道變形后返修工程難度大、安全風險高。因此對于高應力破碎巖體首先應確定最大主應力方向，其次根據應力分布情況選擇合理的巷道輪廓面，最后再確定支護材料及等級，這樣能夠有效利用地應力，減少其對支護材料的作用力，從而能夠使巷道更加穩固。

1 高應力破碎巖體支護

1.1 鋼拱架聯合錨網噴支護方式

煎茶嶺鎳業巖石主要以滑鎂巖為主，遇水極易泥化，空氣中暴露風化片落現象嚴重，因此這類巖石掘進中，要及時進行錨網噴，以便封閉巖體爆破揭露面，避免巖石在井下潮濕的空氣中風化片落。對于服務時間長的巷道，由于頂部巖體破碎，僅采用錨網噴封閉巖面，不能維持巷道的穩定性，為避免巷道變形，常采用鋼拱架聯合錨網噴支護，如圖1所示。

現場應用表明這種支護方式雖然在一段時間內能夠維持巷道的穩定，但時間相對較短，煎茶嶺鎳礦采用該支護方式巷道能夠穩定8個月左右，之后兩側墻底腳處最先出現內斂變形，且隨時間變化，變形一直加大，如圖2所示。從圖2中可以看出，兩側墻體內斂變形后，鋼拱架發生彎曲變形，原錨網支護隨巷道變形發生斷裂，失去錨固作用，同時鋼拱架內斂變形后因其水平方向無約束力，故失去抵抗水平應力F1作用，隨水平應力作用，其內斂變形不斷加大，同時受底部巖體對鋼拱架的作用力F3，其對垂直應力F2仍有一定的抵抗作用。

圖1 鋼拱架聯合錨網噴支護結構

圖2 底角內斂變形

對于高應力破碎巖體，在巷道兩側出現內斂變形后，鋼拱架兩側底角對巷道底板開始產生側向內壓力，使底部巖石向內側移動，由于巖石破碎，在巷道底板積水的作用下，巖石發生膨脹變形，同時受側向內應力作用，巷道底板慢慢鼓出，且隨時間變化，不斷凸出，行人運輸不方便，若采用有軌運輸巷道，由于底板凸出變形，導致軌道高低起伏不平，必須對其進行返修，增加了返修成本。

1.2 封底聯合鋼拱架錨網噴支護

煎茶嶺鎳礦針對破碎巖體多年支護統計分析，得出了高應力破碎巖體鋼拱架聯合錨網噴支護變形機理：采用鋼拱架聯合錨網噴支護技術，根據生產實踐發現，巷道底板巖石破碎且遇水泥化，因此底板對鋼拱架兩底腳水平應力減小，在水平應力作用下，首先在鋼拱架底腳處產生內側移動，內側移動后拉斷錨桿支護作用，進而使鋼拱架失去水平應力的約束力，從此促進了水平方向巖石變形，水平方向內側移動對底板產生側向壓力，使底板向上移動，最終底板變形又加劇了水平方向移動，因此可以說巷道底板變形與水平變形是相輔相成的，水平變形引起底板凸出，底板凸出進一步加劇水平變形。

根據煎茶嶺鎳礦支護變形機理，可以發現巷道底板巖石的完整性在巷道穩定性中起決定性作用，若底板巖石完整性差，且未采取支護措施，則必然出現底板巖石支撐力減少的現象，這也是軟巖變形的最開始階段，為改變這種現象，必須對底板巖石采取相應措施，使其在外部條件作用下支撐力不會降低或能長期保持其原有的完整性。為此，煎茶嶺鎳礦提出了混凝土封底工藝，通過在巷道底板鋪設一層混凝土，從而有效阻隔了外界因素對巖石的破壞影響作用，以確保巖石的完整性，維持其自身承壓強度，確保巷道不發生變形破壞。該工藝技術也存在一定的弊端，即封底厚度難以控制，厚度控制不合理往往會在底板薄弱處出現破裂。

2 礦山巷道布置及支護方式確認

針對礦山地質地形條件，對礦區地應力進行檢測，掌握了解礦區地應力分布情況，了解最大主應力方向，并根據最大主應力方向，合理布置井下采掘工程，可在設計中利用最大主應力方向，使巷道及采場走向與之平行，充分避免最大主應力直接作用于巷道兩幫，否則不僅造成巷道施工過程難度大、支護等級高等難題，且巷道后期維護難度大，維護成本高。

煎茶嶺鎳礦礦巖破碎，且遇水極易泥化，巷道設計中采用三心拱斷面輪廓，受水平方向最大主應力影響，巷道底板易上移，導致墻底部發生內斂變形，最終影響巷道使用。通過生產實踐調查分析可知，巷道變形快，返修率高，主要在于煎茶嶺鎳礦針對破碎巖體巷道斷面輪廓設計不合理，三心拱斷面適應于頂壓大的區域，而對于水平壓力大的區域則不應采用。

后期返修中，煎茶嶺鎳礦改變了原有的設計方式，采用人工降底的措施，在墻兩側鋼拱架底部焊接拱梁，將其埋置于降底后的底板上，使巷道斷面輪廓改變為馬蹄形，從而能夠更好的承受水平應力。通過改變巷道斷面輪廓后，煎茶嶺鎳礦返修巷道基本能夠保持穩定，降低了巷道的維護費用。

此外，煎茶嶺鎳礦支護變形，返修施工中均應用新支護材料更換變形材料，但實踐發現更換新支護材料后，巷道很快又發生變形，通過分析總結得出，致使支護變形不是單一側受力影響，是多種因素相互關聯，因此在選擇支護方式時，應首先分析巖石物理力學性質，結合物理力學性質及應力分布狀況最終確定合理的支護方式。

3 結 論

(1) 破碎巖體必須進行封底。針對破碎巖體，尤其是易泥化巖體，底板的控制在支護中意義重大，若僅對頂壓及側壓采取支護，必然會因底板破壞引起整個支護失效，因此根據實際巖性采用不同的封底措施對底板進行加固，從而達到整體的穩固性。

(2) 根據應力情況合理選擇斷面。一般情況下，作用在巷道上的地壓大小和方向在選擇巷道斷面形狀時起主要作用。當頂壓和側壓均不大時，可選用矩形或梯形斷面；當頂壓較大、側壓較小時，則應選用直墻拱形斷面(半圓拱、圓弧拱或三心拱) ；當頂壓、側壓都很大同時底鼓嚴重時，就必須選用諸如馬蹄形、橢圓形或圓形等封閉式斷面。

[1]熊建平.地應力與裂隙的研究[J].石油化工應用，2011,30(4)：14￣16.

[2]張 曉.基于地應力測量的地應力場研究[J].煤礦開采，2012,17(2)：23￣25.

[3]符文熹，聶德新，尚岳全,等.地應力作用下軟弱層帶的工程特性研究[J].巖土工程學報，2002,24(5)：584￣587.

[4]薛 闖.松軟破碎煤巖體中巷道支護探討[J].山東煤炭科技，2014,(9)：29￣30.

王愛民(1970-)，河北崇禮縣人，采礦高級工程師，主要從事采礦技術、采空區充填及地壓監測工作，Email：wamdys@sina.com。

2016￣12￣27)