多重因素影響下煤礦運輸大巷穩定性支護策略研究

王虎芳

（山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100）

1 工程概況

經坊煤礦運輸大巷設計埋深為450m，采用直墻半圓拱形，設計尺寸為寬×高=4800mm×4200mm，為全巖巷道，圍巖類型主要為砂質泥巖、粉砂巖與泥巖，原支護方式為錨網索梁噴支護，支護參數為：錨桿選擇Ф20mm，長度2200mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距均為800mm；錨索選擇Ф17.8mm，長度6000mm，間排距均為1600mm；錨桿、錨索預緊力分別為：60kN、80kN。原支護設計見圖1所示。

2 巷道圍巖變形破壞特征

經坊煤礦運輸大巷開挖后出現了明顯的變形破壞，通過對新掘進段進行礦壓觀測得到巷道變形破壞特征：

（1）巷道整體變形量較大，變形速度較快。運輸大巷開掘后在較短的時間內出現了明顯的變形破壞，其中頂板下沉量平均超過了300mm，兩幫平均收斂量超過了670mm，底板鼓起量平均超過了420mm；巷道圍巖收斂變形速率平均達到了38.9mm/d，最快收斂速率超過了54mm/d。

（2）支護體大量失效。從現場勘查情況來看，原有設計中很多支護體出現了支護失效的情況，主要表現為：錨索、錨桿被折斷、拉斷的情況，錨桿桿體和托盤出現脫離，部分錨桿被吸入到巖壁中，托盤與鋼筋網連接的位置出現了剪斷。

圖1 巷道原支護斷面圖

3 影響運輸大巷穩定性的相關因素

為了掌握影響運輸大巷穩定性的相關因素，從多個方面對影響運輸大巷穩定性的相關因素進行了分析。

3.1 地應力測試

選擇使用空心包體對運輸大巷進行了三維地應力測量。將帶有壓力計的巖芯從設計的鉆孔中取出，將其放到圍巖率定儀，然后對巖芯施加壓力，并讀取讀數，按照讀取的數據，得到運輸大巷圍巖的應變、應力曲線圖。本次得到的運輸大巷圍巖彈性模量為17.98GPa，泊松比為0.26。通過將得到的泊松比、彈性模量及應力解除數據等帶入到地應力計算軟件中，得到了經坊煤礦運輸大巷地應力明細表，見表1所示。

表1 經坊煤礦運輸大巷地應力明細表

從表1中可看出，最小主應力與最大主應力之間表現為正交關系，可計算側壓系數在1.6～2.1之間，這充分說明，經坊煤礦運輸大巷所處位置的主應力表現出較強的方向性，宏觀上表現為水平應力構造，且最大主應力數值較大，這表明運輸大巷已經進入到深部開采階段，雖然巷道圍巖總體的強度較大，但是在如此高的應力下，表現出明顯的工程軟巖的特點，傳統的支護方式在進行運輸大巷支護時表現出明顯的不適應性，這也是導致運輸大巷出現大范圍變形破壞的主要因素之一。

3.2 圍巖松動圈探測分析

為了深入掌握運輸大巷圍巖內部變形破壞特點，設計出更為合理的支護方案，選擇使用鉆孔窺探儀對運輸大巷圍巖松動圈破壞范圍進行了探測。本次探測設計2個斷面，在每個斷面一共布置了五個鉆孔，得到了運輸大巷圍巖內部變形破壞示意圖，見圖2所示。

通過分析圖2可知，運輸大巷內部圍巖穩定區域與破壞區域呈現出環狀，也就是穩定圍巖與破碎圍巖相間出現，且與巷道中心線呈現出對稱布置的方式，運輸大巷圍巖松動圈范圍為1.7～4.1m，平均為3.5m，特別是在0～1.2m的范圍內，巷道圍巖變形破壞嚴重，處于嚴重破碎狀態，在1.2～2.5m之間，巷道圍巖裂隙發育明顯，且裂隙以寬張、張開狀態為主。從鉆孔窺探的情況來看，運輸大巷出現了分層破壞情況，這與深部巷道圍巖容易出現的變形破壞特征相符合，而在原有支護狀態下，錨桿、錨索支護體不能較好適應運輸大巷出現的分層破壞情況，這也是運輸大巷出現較大范圍變形破壞的原因之一。

圖2 運輸大巷圍巖內部變形破壞示意圖

3.3 巷道圍巖巖性分析

為了更好掌握巷道圍巖巖性給運輸大巷穩定性帶來的影響，選擇使用D/Max-3B型X射線衍射儀對運輸大巷圍巖的礦物組成成分進行了全面分析，具體結果見表2所示。

表2 巷道圍巖組成成分表

從表2中可看出，巷道圍巖中包含有較多的高嶺石、伊利石等膨脹性軟巖成分，這些物質在遇水后容易出現崩解、風化、膨脹及軟化等，給巷道圍巖穩定性帶來的影響是較為明顯的，特別是容易引起蠕變變形，由于運輸大巷中包含有大量軟土成分，在一定程度上導致了巷道圍巖不能有效承受外界較大地應力，從而出現了大范圍的變形破壞。

4 運輸大巷返修支護策略分析

4.1 支護方案設計

大量深部巷道支護實踐表明，淺部巷道圍巖支護理念已經不能滿足深部巷道支護需求，因此，在對運輸大巷進行返修時，基于“先抗后讓再抗”的支護理念，設計采用錨網索噴注聯合支護策略，具體施工工藝為：開挖后及時噴漿→錨桿(索)網聯合支護→反底拱支護→錨注注漿。具體設計參數為：

（1）錨桿支護參數設計：考慮到原支護方式未對底板進行支護而導致底板出現了較為明顯的變形破壞，在本次設計時，錨桿支護設計采用全斷面支護，Ф22mm，長度為2400mm，間排距設計均為800mm。

（2）錨索支護參數：設計頂板中心布置1根鋼絞線錨索，Ф17.8mm，長度為8000mm，間距為1600mm；在巷道兩幫各布置1根鋼絞線錨索，Ф17.8mm，長度為3500mm。

（3）底鼓控制。反底拱梁材料選用25#U型鋼加工而成。采用Ф20mm×L2400mm左旋無縱筋高強錨桿穿過反底拱梁上的預留孔，錨緊反底拱梁。反底拱間距1000mm。

（4）注漿參數。選擇使用中空注漿錨桿進行注漿，參數具體為：Ф27mm，長度為3000mm，間排距均為1600mm。具體注漿時間為一般情況下均控制在巷道開掘后10～15d后進行。

最終支護斷面圖，見圖3所示。

圖3 巷道圍巖返修支護方案示意圖

4.2 支護效果分析

為檢驗返修方案的合理性，選擇使用了十字布點法對運輸大巷返修情況進行了測量，得到了運輸大巷圍巖的變形曲線，見圖4所示。

分析圖4可知，在對運輸大巷進行返修后，巷道兩幫的最大移近量為60mm，頂底板的相對移近量為40mm，這表明返修方案實現了對巷道圍巖穩定性的有效控制。

圖4 巷道返修后變形曲線

5 結語

（1）基于“先抗后讓再抗”的支護理念，設計采用錨網索噴注聯合支護方案，實現了對巷道圍巖的有效控制，對于類似巷道支護有一定的借鑒意義。

（2）深部巷道圍巖控制相對于淺層巷道圍巖控制有著較大的不同，為設計出更為合理的支護方案，在進行設計時，從多方面對巷道圍巖變形情況進行分析，掌握影響巷道圍巖變形破壞的關鍵因素，對于提升巷道圍巖支護設計的合理性是較為關鍵的。