深部工程軟巖巷道變形破壞機理及控制技術

徐廣榮　李更川

摘 要：本文為研究深部工程軟巖巷道大變形問題，采用現場實測、相似模擬等方法，以陶二煤礦北大巷為例，研究了巷道圍巖變形破壞機理，提出了巷道圍巖控制對策。結果表明：巷道大變形的主要影響因素包括埋深大、應力高、黏土含量高、支護不及時；高強度、高預緊力、主動控制是解決軟巖大變形的有效途徑。現場試驗結果證明了支護方案的合理性。

關鍵詞：深部巷道；工程軟巖；影響因素；變形規律

中圖分類號：TD353 文獻標志碼：A

0 引言

我國煤礦以10m/a～25m/a的速度向深部延伸，中東部礦井大多進入了深部開采，同樣的巖層在深部表現出了與淺部不同的特性，受高應力、開采擾動作用，巖石表現為工程軟巖特征。很多煤礦巷道出現前方掘進后方巷道短期內就需要修復，支護難度很大，嚴重影響了礦井的安全生產。本文以陶二煤礦深部北大巷為例，分析了巷道圍巖變形破壞機理，提出深部巷道控制對策。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

陶二煤礦北大巷埋深850m，屬于典型的深部開采礦井。巷道位于1號和2煤層之間，上距1號煤22m，下距2號煤15m左右。巷道所在層位巖性為砂質泥巖，層厚在8m～10m，含鈣質及泥質結核。礦井構造復雜，大巷位于向斜翼部，實測最大水平主應力在27MPa ～31MPa，最大主應力方向為NE70°，方向為近東西向。現場煤巖體節理裂隙十分發育。現場施工過程中，巷道圍巖變形破壞嚴重，巷道變形量大，變形速度快，半個月內巷道頂底板變形量達到30cm，已經影響了正常的使用。經統計，該巷道斷面收縮一般在30%左右，局部收縮可達60%以上，嚴重影響了安全生產。

1.2 原北大巷支護

北大巷原設計斷面為直墻半圓拱型，巷道凈斷面尺寸為4.8m×3.6m，巷道斷面為17m2。采用錨網噴+U型鋼聯合支護。其中錨桿長度為2.4m，直徑為22mm，每孔采用兩個Z2360樹脂藥卷錨固，間排距為600mm；U型鋼型號為29U鋼，排距為600mm；噴漿采用C20混凝土，噴層厚度120mm。

2 巷道變形破壞影響因素分析

（1）工程軟巖物理力學性質影響。經統計陶二煤礦深部巖石強度低，隨著埋深增加，巖石強度變化較大，易軟化，巖石具有較大的膨脹性，北大巷巖石膨脹率達到了31%，另外，砂質泥巖中黏土礦物含量達到50%，因此，巷道開挖后，產生的膨脹變形對巷道破壞較大。

（2）高應力場環境。北大巷埋深達到了850m，現場實測最大主應力在27.48MPa～31.13MPa，方向為NE70°，近東西向，側壓系數約為1.6，巷道軸向與最大水平主應力夾角接近90°。地應力對巷道破壞起到了主動作用。

（3）地下水的影響。經調查該巷道底板以下5m的砂巖中含水，巷道在高應力作用下底板破壞深度超過5m，使得砂巖中的水滲透到巷道淺部破壞巖層中，進一步破壞巖層。使巖石強度降低速度加快，變形加大，對巷道造成嚴重破壞，支護或者修復非常困難。

（4）時間因素。該巷道圍巖表現出了流變特征，具體體現在巷道開挖后圍巖長期處于變形破壞狀態，無法達到穩定，出現了蠕變變形的3個階段。

（5）支護結構不合理。該巷道屬于典型的深部工程軟巖巷道，而巷道采用的支護方式僅僅控制淺部圍巖，深部圍巖參與的變形無法得到有效控制，必須增加巷道深部圍巖變形控制。

3 北大巷支護方案及支護效果

3.1 支護方案

北大巷現場礦壓觀測結果顯示，巷道頂板和兩幫的變形較嚴重，因此，新方案設計以主動控制巷道圍巖變形為主題思路，設計錨網索噴聯合支護方案，具體參數為：錨桿采用高強度螺紋鋼，規格為Φ22×2400mm，錨桿間排距為700mm×700mm，托盤規格為100mm×100mm×10mm方鐵板，設計錨桿預緊力為80kN；拱頂布置3根規格為Φ22×7300mm錨索，間排距為1600mm×1400mm，錨索預緊力110kN，托盤由大小兩個托盤組成，規格分別為300mm×300mm×10mm鋼板托盤和200mm×200mm×50mm的木板，木托盤主要起到卸壓作用。金屬網采用Φ8mm鋼筋焊制，規格為1200mm×800mm，內部柵格尺寸為100mm×100mm，同排錨桿采用W型鋼帶連接。噴層材料為C20混凝土，噴漿厚度為100mm。

3.2 支護效果

現場建立了礦壓監測測站，分別測試了錨桿錨索受力和圍巖變形。

圖1為巷道錨桿、錨索受力曲線，壓力表主要布置在了巷道拱頂的錨桿和錨索尾部，由測試數據可以看出，錨桿錨索受力均在各自的正常工作范圍之內，其中錨桿受力由最初的70 kN增大到89 kN，錨索受力由初期的108kN增加到163 kN，特別是巷道成巷后18d錨索受力突然增加，這種現象說明巷道在該階段圍巖發生了一次強烈的破壞，因此在現場施工過程中應重點關注成巷后15d～20d的圍巖變形情況，及時加強支護，防止巷道發生冒頂等事故。

圖2為巷道圍巖變形曲線，通過曲線圖可以看出，新方案施工后一個月巷道圍巖變形基本達到了穩定狀態，巷道頂底板變形量僅為17.3cm，兩幫變形為37cm，巷道圍巖變形得到了有效控制。

總體上看，北大巷通過采取高強度支護材料、高預緊力、主動控制圍巖技術，有效地控制了深部巷道的大變形問題。

結論

深部工程軟巖巷道圍巖變形具有流變特征，傳統淺部巷道支護方法難以控制巷道穩定，巷道圍巖大變形主要影響因素包括高應力、高黏土含量、軟巖力學性能、地下水和被動支護等。通過采用錨網索噴聯合支護，巷道圍巖變形得到了有效控制，具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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