高應力膨脹性井巷支護技術研究

吳曉偉

（同煤集團永定莊煤業公司，山西 大同 037003）

大同煤礦集團永定莊煤業主采煤層上部頂板、偽頂多層狀強度較低的泥巖、頁巖、砂質泥巖，節理和裂隙發育，約45%的巷道受到層狀破碎及其他散體結構等不良地質條件影響。軟巖以泥質礦物為主，其中泥巖黏土礦物占比為75～78%之間。開采煤層主要位于垂深400m以下，地應力較高。煤層圍巖多呈現出可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性等特點。二水平整體埋藏深度在400～450m之間，井下車場、各運輸大巷總長超過5000m，巷道在完成一次和二次支護后有57%巷道出現不同程度破壞。因此，研究深井高應力軟巖巷道的支護非常必要。

1 軟巖井巷變形分析

1.1 變形特征

根據對高應力軟巖圍巖穩定性和變形機理的特征研究，其表現形式為以下幾個方面：

（1）圍巖變形量。全煤巷軟巖圍巖井巷的破壞主要出現在頂底板以及兩幫，破壞程度十分明顯，巷道斷面收縮率能超過80%以上，頂板垮落、嚴重底鼓和大面積片幫發生幾率也較高。

（2）圍巖變形速率。均質的煤體圍巖所受到的構造應力，水平方向大于垂直方向，因此即使表面的井巷平衡后，流變趨勢仍然存在，因此該類圍巖變形速度大。

（3）圍巖變形時效。由于軟巖的流變性，其不可能達到穩定性狀態，圍巖各個方向上的變形隨著時間緩慢變化，明顯的變形需要構造應力在時間上積累到一定的程度，所以說軟巖的變形具有時效性。

1.2 軟巖平衡拱機理

實際井巷開鑿過程中圍巖發生塑性變形和斷裂后，承壓狀態下仍然保持承載能力，圍巖變形、片幫和冒落到一定程度會與垂直應力平衡，圍巖呈現自穩狀況，稱為“自穩平衡現象”。井巷的頂板應力會隨井巷的開鑿而重新分布，垂直方向受到地應力會逐步減弱至零甚至出現相反懸拉應力，水平方向也會隨擠壓應力轉化為局部拉應力。井巷頂板受到的擠壓應力會在圍巖中形成“拱狀承載結構”，這種平衡狀態被稱為“自穩平衡拱”，這種理論被稱為“自穩平衡拱理論”。在此理論中，根據井巷的巖體受力狀態，由于在垂直方向受到拉應力可能存在冒落危險，水平方向受到剪應力的巖體單元體可能存在片幫等危險，根據危害程度分為穩定區、擠壓受壓區、易冒落區，見圖1所示。

圖1 巖體穩定性分區

巖體的破壞狀態以及應變隨應力變化趨勢，巖體隨應力作用當達到殘余強度時出現細小裂紋，當應力繼續增加達到屈服強度時會發生不可逆的塑性變形，巖體塑性破壞階段的承載力會隨變形而下降，但還會具有承載能力，當到達破碎的強度極限會直接發生巖體破碎。

2 支護方案設計

永定莊煤業二水平各車場及主要巷道施工一次支護主要采用錨網噴，二次支護錨網噴以及鋼筋混凝土砌碹。整體支護效果不理想，仍有巷道處在變形、收幫、底鼓等現象，并且圍巖初期變形速率較高，變形持續且不易穩定。分析后認為存在以下問題：一次支護支護強度設計值較低；施工過程中錨固劑效果、噴漿配比、施工厚度等施工的細節控制不當；支護方式仍然采用硬巖的“先讓后抗”，不適于軟巖支護。

通過分析，決定對其進行修改。先將支護方式更改為：一次支護仍采用錨網噴支護，但提高了支護強度，改為強力錨網噴支護；二次支護改為錨注支護；同時在易出現底鼓現象的巷道設置底板反拱。

2.1 支護方案優化

（1）一次支護。一次支護所采用的加強錨網噴支護，將螺紋鋼樹脂錨桿由直徑20mm改變成22mm，同時使用全長錨固，錨桿整體長2.5m，預緊力124Nm，錨桿間距600×600mm。金屬錨固網選擇網孔大小100×100mm的10mm圓鋼網。巷道噴涂100mm厚的C30混凝土漿，凝固后一次支護完成，并且及時設置巷道變形監測站，監測圍巖礦壓變化情況，當變形速率滿足預留變形量要求的范圍后，即小于150mm/d且趨于穩定后可開始下步操作，通常情況下為25～30d后正式開始二次支護。根據現場礦壓監測站監測數據顯示，最大變形速率315mm/d，15d變形穩定后18～20mm/d。

（2）二次支護。相對原來二次支護方式調整為錨注方式，錨桿調整為直徑27mm的鋼管，錨桿長度2.4m，間距250×250mm，注漿材料為超高水材料，材料以鋁土、石膏、石灰以及緩凝劑等組分組成，實際使用過程中注漿材料為a、b料兩種，注漿前混合使用。注漿孔深度為巷道直接頂高度，一般取2m，注漿滲透擴散半徑通常為3m左右，所以錨桿間距范圍在2.5～3.5m，錨桿與底板角度呈45°。注漿壓力選擇5～6MPa，注漿應完全充滿圍巖周邊裂隙為止，由于圍巖性質為破碎性較高的軟巖，實際操作過程中漿液可能會從相鄰錨桿、附近圍巖裂隙流出。錨注支護主要特點為內注外錨，有效改善有節理、裂隙發育的松散軟巖結構，封閉圍巖裂隙，提高粘結力，同時防止裂隙水對礦體圍巖的侵蝕。

（3）底板反拱設計。為防治軟巖巷道嚴重底鼓，首先應調整巷道寬度，設計過程中應將預留變形量增加至15%，同時根據巷道情況設置必要的底板反拱。

高應力-膨脹性軟巖圍巖具有變形量大、圍巖易破碎等特點，同時底板易出現較大變形量，易底鼓突出，嚴重時可到達600～700mm。下山巷道斷面跨度為3500mm，服務周期長，圍巖性質底鼓明顯、兩幫偏移嚴重。頂板沉降破壞是由兩幫松動造成的，針對不同巖性結構的井巷，需要采取不同的技術處理措施：對于較好巖性的砂巖巷道，可只調整錨桿支護參數，強化對圍巖兩幫、底板的控制措施，避免改變井巷斷面設計參數；而巖性較差的軟巖巷道，應盡量調整斷面尺寸，從而提高巷道穩定性。下山巷道盡量保持原設計尺寸，在一、二次支護的作用下控制井巷頂板、兩幫。其次對底板采取反拱設計，設計深度600mm，同時采用錨網噴封閉，噴涂厚度也應達到100mm。

2.2 支護效果

通過優化支護，加強了對巷道頂板與兩幫的控制；通過反拱設計，控制了底鼓突出現象。方案實施后，沒有再出現大范圍的巷道破壞和碎裂現象，也沒有出現底鼓影響巷道使用的現象，安全性得到了提高。另外，由于巷道圍巖穩定性得到控制，減少了對巷道維護的工作量，節省了維護費用。

3 結論

在分析軟巖巷道圍巖變形特點的基礎上，對一次支護、二次支護方式進行優化，針對底鼓現象提出了底板反拱設計。方案實施后，沒有再出現巷道大范圍破碎和底鼓現象，說明該方案可以提高巷道穩定性。