軟巖巷道掘巷卸壓及支護技術研究

李 廷

（1.太原理工大學 礦業工程學院， 山西 太原 030024； 2.山西朔州平魯區茂華東易煤業有限公司，山西 朔州 036000）

1 工程地質條件

某礦-650軌道大巷為巖石巷道，巷道周邊圍巖主要為炭質泥巖、花斑泥巖等遇水軟化崩解、長時間蠕變體積膨脹軟巖。巷道頂板距離上覆13-1煤層底板10.7～14.2 m，巷道底板距離下伏11-2煤層頂板35.4～40.2 m。巷道所處區域地質構造簡單，總體為單斜構造，巖層走向142°，傾向243°，傾角1°～5°。-650軌道大巷為直墻半圓拱型巷道，巷高4.1 m，巷寬5.0 m，巷道凈斷面積20.08 m2，采用U36型棚架棚支護，棚間距700 mm，在巷道頂板中1 m處和巷道兩幫拱基線處設4道拉桿，最后對巷道進行噴漿。

2 大巷變形破壞特征

-650軌道大巷距離一采區1112（1）工作面水平距離為180 m，法向距離為44 m，1112（1）工作面主要開采11-2煤，在距離該工作面運輸順槽向西125m處軌道大巷內設置礦壓觀測站，對巷道頂底板及兩幫圍巖變形進行65 d的礦壓觀測，繪制如圖1所示變形曲線（橫坐標正負表示位于工作面前方或后方）。受到1112（1）工作面回采動壓影響，靠近工作面的回采側幫較非回采側幫變形量大，回采側幫變形量為81 mm，非回采側幫變形量為28 mm，兩幫累計移近量為109 mm；頂板下沉量為37 mm，底板鼓起量為437 mm，頂底板移近量累計達474 mm。

受1112（1）工作面回采影響，巷道內U型棚發生扭曲變形，圍巖破碎，尤其底鼓變形嚴重，需進行人工臥底，而-650軌道大巷承擔著該水平行人及輔助運輸的任務，巷道大量級的變形破壞嚴重制約著巷道的正常使用，給礦井安全生產帶來很大隱患。

圖1 軌道大巷圍巖變形曲線圖

3 巷外掘巷卸壓技術

對開采深度大、地應力高的軟巖巷道，采用加強支護方式來維護巷道穩定并不能起到良好的效果。通過卸壓巷道對原巷道進行卸壓可解決該類型問題。由于受到采動應力的影響，靠近采空區一側巷道圍巖會發生較大變形破壞[1]。若在巷道靠采空側煤柱中掘一條巷道，則將原煤柱分為一寬一窄兩個煤柱，寬煤柱靠近采空區，窄煤柱靠近巷道，由于卸壓巷道的存在，會使高應力作用在寬煤柱上，而僅有少部分應力作用于窄煤柱上，寬煤柱起到支撐作用，而窄煤柱起到讓壓作用，從而使巷道處于應力降低區域。與此同時，卸壓巷道的存在可以緩沖寬煤柱的大變形，使巷道受到保護。大量的工程實踐經驗表明，在巷道外側開掘卸壓巷道可使巷道圍巖變形量減小70%～90%，巷道返修率低，圍巖處于可控狀態。

3.1 不同巷外掘巷數值模擬方案

根據-650軌道大巷所處圍巖地質條件，建立數值模擬模型，固定模型前后、水平及底部位移邊界，上部邊界施加18 MPa的均布載荷以模擬覆巖重量，-650軌道大巷斷面尺寸按5 m×4 m（寬×高）選取，整個模型長×寬×高為50 m×10 m×60 m，共劃分為65 228個單元和78 532個節點，本構模型選取庫倫摩爾模型，圍巖物理力學參數按表1選取。

表1 圍巖物理力學參數表

掘巷卸壓可分為頂部卸壓、底部卸壓、側幫卸壓和側下角卸壓四種方法，通過卸壓巷道的開挖，使被保護巷道處于應力降低區。針對-650軌道大巷圍巖地質條件，設計三種卸壓方案進行數值模擬。

1）對巷道四角進行卸壓，距離巷道頂底板及兩幫水平、豎直方向各5 000 mm布置4條卸壓巷道，如圖2所示。

圖2 巷道四角卸壓示意圖（mm）

2）對巷道側幫進行卸壓，距離巷道左右兩幫中點水平方向5 000 mm布置2條卸壓巷道，見圖3。

圖3 巷道兩幫卸壓示意圖（mm）

3）對巷道側下角進行卸壓，距離巷道底板水平方向5 000 mm、豎直方向0mm布置2條卸壓巷道，如圖4所示。

卸壓巷巷道尺寸為3 000 mm×2 000 mm（寬×高），支護方式采用錨桿支護，巷道頂板布置3根錨桿，兩幫各布置2根錨桿，錨桿間排距均為1 000 mm×1 000 mm，均垂直于巖面布置，所用錨桿規格為Φ22-M24-2500 mm螺紋鋼錨桿，每根錨桿配合2支Z2350樹脂藥卷。

圖4 巷道側下角卸壓示意圖

3.2 數值模擬結果分析

1）不同卸壓方法巷道頂底板位移量對比分析。在無卸壓情況下，巷道采用U型棚支護頂板下沉量達164 mm，當采用四角卸壓、側幫卸壓、側下角卸壓后頂板下沉量分別為115 mm、128 mm、141 mm，較無卸壓情況下，頂板下沉量減小29.8%、21.9%、14%。

2）不同卸壓方法巷道底板鼓起量對比分析。無卸壓情況下，巷道底板無支護，底鼓變形量可達到557 mm，嚴重影響巷道的使用。當采用四角卸壓、側幫卸壓、側下角卸壓后底板鼓起量分別為282 mm、476 mm、298 mm，較無卸壓情況下，底板鼓起量減小49.3%、14.5%、46.5%。

3）不同卸壓方法巷道兩幫移近量對比分析。無卸壓情況下兩幫移近量為249 mm，當采用側幫卸壓方案兩幫移近量最小為105 mm，采用四角卸壓和側下角卸壓兩幫移近量分別為132 mm和159 mm。

綜上所述采用側幫卸壓方案，兩幫移近量最小，但頂底板位移量較大，采用四角卸壓方案較側下角卸壓方案圍巖變形量更小，但卸壓巷道需要4條，因此在考慮卸壓效果和經濟效益的同時，選擇側下角卸壓方案[2-3]。

4 -650軌道大巷二次支護方案

對-650軌道大巷進行側下角卸壓后，還需對巷道選擇適當的支護方式進行二次支護，針對軟巖巷道圍巖變形大問題，采取錨注支護可增強圍巖的承載能力，控制軟巖巷道緩慢蠕變變形。

1）頂板及兩幫錨索梁支護：在巷道頂板起拱線上方每2排U型棚間交錯布置3道錨索梁，每道錨索梁由2根Φ21.8 mm×L6 300 mm的預應力鋼絞線錨索配合長1 600 mm、孔間距900 mm的鋼筋梯子梁組成，錨索間排距為1 100 mm×900 mm，每根錨索配合3支Z2350中速樹脂錨固劑，托盤規格為140 mm×100 mm×50 mm鋼板；巷道兩幫在距離底板300 mm和600 mm處每3排U型棚間交錯布置一道錨索梁，錨索梁參數同頂板。

2）底板錨索注漿加固：巷道人工臥底300 mm后，在巷道底板“三二三”五花布置Φ21.8mm×L6 300 mm底板預預應力錨索，靠近巷幫底角錨索與豎直方向呈20°布置，中部錨索垂直于巷道底板布置，底板錨索間排距為2 000 mm×1 400 mm；在每2根錨索中間布置一個注漿孔，注漿孔長度為1 400 mm，孔外徑為20 mm，壁厚1.8 mm，注漿材料選擇新型水泥漿液，水灰質量比為0.5，7 d強度為62.1 MPa，28 d強度為78.4 MPa，漿液析水率低、可灌性能好、黏結強度高、施工簡單方便。

3）巷道表面噴漿：支護完成后對巷道表面進行噴漿處理，噴層厚度80～100 mm。通過對-650軌道巷長期觀察，在巷道側下角進行卸壓并采用錨注支護方式后，巷道圍巖應力集中程度降低，圍巖蠕變現象得到控制，巷道頂底板及兩幫移近量控制在200～240 mm和60～100 mm附近，圍巖變形得到有效控制，能夠維護巷道長期穩定。

5 結論

1）-650軌道巷圍巖變形主要由圍巖應力復雜、支護結構不合理、圍巖物理力學性質及周邊工作面回采引起的。

2）通過對三種卸壓方案數值模擬可知，采用側下角卸壓可取得最優技術及經濟效果，卸壓后采區錨注二次支護方式可有效控制圍巖變形，使巷道處于長期穩定狀態[4]。

[1] 張廣超，何富連.深井高應力軟巖巷道圍巖變形破壞機制及控制[J].采礦與安全工程學報，2015，32（4）：571-577.

[2] 何富連，張廣超.深部破碎軟巖巷道圍巖穩定性分析及控制[J].巖土力學，2015，36（5）：1 397-1 406.

[3] 余偉健，王衛軍，黃文忠，等.高應力軟巖巷道變形與破壞機制及返修控制技術[J].煤炭學報，2014，39（4）：614-623.

[4] 牛雙建，靖洪文，張忠宇，等.深部軟巖巷道圍巖穩定控制技術研究及應用[J].煤炭學報，2011，36（6）：914-919.