軟巖巷道失穩及高強全錨注支護分析

董明明

(大同煤礦集團設計研究有限責任公司， 山西 大同 037003)

伴隨著我國煤炭產業的持續發展，數十年高強度的煤炭開采作業，使得國內各大礦區淺部煤炭資源日益枯竭，深部開采已成為所有礦區下一步發展的必然趨勢。而在深部回采中，井下巷道處于有別于淺部巷道的應力環境，因此巷道支護工藝的改進更新必不可少。A 礦井下三水平回風上山巷道埋藏深度接近750 m，在該巷道的掘進作業中巷道圍巖表現出礦壓顯現顯著、巖體破碎性強、巷道易變性等特征，屬于典型的深部軟巖巷道。這使得常規的“錨網帶+錨索”支護、“錨網索+U 型鋼”支護等支護工藝無法對巷道圍巖變形破化進行有效控制，極大的威脅到井下生產安全開展和礦井綜合效益的獲得[1]。有鑒于此，針對A 礦三水平回風上山巷道地質力學特點，設計針對性的高強全錨注支護工藝，從而實現對圍巖的有效控制意義重大。

1 圍巖變形破壞原因分析

1.1 埋藏深度大高

A 礦三水平回風上山巷道埋深深度接近800 m，覆巖密度均值按照每立方米2.6 t 計算，覆巖垂直應力超過20 MPa，加之可能存在的構造應力疊加影響，巷道掘進中實際地應力水平往往會高出預估值。因此，為有效了解井下實際地應力狀況，運用鉆孔套芯應力解除法針對巷道地應力實況進行測定。通過井下實測，上山巷道原巖應力場中第一主應力為水平應力，側壓系數介于1.23～1.70 之間，最大水平應力優勢方向為南東—北西方向，最大值介于30.2～39.1 MPa，方位角280°～340°；同時，回風上山巷道方位角為160°～195°，主應力最大值方位角與巷道軸呈大角度斜交，由此根據最大水平應力相關理論，上山巷道圍巖所處原始應力狀態對于圍巖穩定性有著顯著的負面影響，這使得巷道掘設過程中誘發的高地應力容易同低圍壓產生沖突，導致圍巖破壞速度增大，進而促使圍巖破裂深度增加，誘發巷道出現嚴重變形。圖1 所示即為地應力測定布置與水平應力方位示意圖。

圖1 為地應力測定布置與水平應力方位示意圖（m）

1.2 圍巖強度低且整體松散破碎

依照分析礦井初期地質勘探數據，井下上山巷道圍巖以砂質泥巖為主，巖層呈中厚層狀，鈣質膠結現象較為突出，同時巖體內部存在斜層理和交錯層理，圍巖強度低、破碎性強，屬于典型軟巖巖層。此外，在高應力影響下，巷道圍巖中的堅硬巖體同樣呈現出工程軟巖相關特征[2]。

1.3 巷道斷面大

回風上山巷道掘進施工選用臺階式爆破施工工藝，在掘進施工時對圍巖擾動破壞嚴重；回風上山巷道設計斷面較大（寬6 300 mm，高5 000 mm），因此其對應的等效園半徑較大。通過有關力學理論研究表明，井下巷道圍巖的軸向應力聚集程度與巷道斷面積呈正相關性。此外，底板巖體的軟弱使得其在搞水平應力影響下，極易發生底鼓變形。

1.4 原支護方案支護效果不佳

A 礦三水平回風上山巷道原支護選用“兩錨兩注”工藝，其施工流程為：一次錨網索噴→一次淺孔注漿→二次錨網噴→二次淺孔注漿。井下支護時主要支護材料及參數如下：支護錨桿選用直徑22 mm，長3 000 mm 的左旋高強度樹脂莫干，布設排間距為800 mm×800 mm；支護錨索使用直徑21.6 mm，長8 000 mm 的19 絲鋼絞絲錨索，布設排間距為1 600 mm×1 600 mm。一次注漿時，鉆孔深度2 500 mm，注漿管使用直徑20 mm，長1 000 mm 的鋼管；二次注漿時，鉆孔深度4 000 mm，注漿管使用直徑20 mm，長2 000 mm 的鋼管，兩次注漿鉆孔布設排間距均為1 500 mm×1 500 mm。同時，巷道表面應鋪設網格間距為80 mm×80 mm 的鋼筋網，其搭接長度不低于100 mm。

上述支護工藝不僅施工工序繁瑣，而且高密度的支護作業所需支護成本極高，加之各個作業工序間無法平行作業，進行勞動強度較大，施工速度較慢，不利于巷道圍巖第一時間的快速有效支護，圍巖控制效果較差。

2 巷道穩定性控制分析

2.1 支護設計原則

1）為有效規避最大水平應力直接作用于回風上山巷道頂板巖層，從而導致頂板出現剪切破壞，引起圍巖的持續性膨脹變形破壞，這就需要針對巷道頂板巖體開展有效的深層次、大區域錨固注漿加固，以實現對錨固體橫縱向抗剪切能力的最大程度增加。

2）選用高強中空錨索進行全錨注支護，從而實現巷道圍巖破碎巖體的有效固結，以確保錨索實現全長錨固的同時實現對圍巖的深孔注漿加固，全面提升圍巖強度和完整性，使得其自身承載性能大幅增強。

3）由于深部軟巖巷道頂底板同巷幫圍巖間屬于相互作用的統一體，因此圍巖的失穩破壞通常會引起強烈的巷道底鼓現象，其底鼓類型多為強度—應力型底鼓，需要在支護設計時將底板控制作為關鍵要點進行針對性設計。

2.2 高強全錨注支護技術參數

針對A 礦三水平回風上山巷道原支護存在的不足，改用高強錨注支護工藝，借由高強度的“注漿錨索+注漿錨桿”針對圍巖開展梯次性注漿，同時配合鋼帶和鋼筋網開展聯合支護[3,4]。注漿時所用漿液為“42.5R 水泥+8%專用錨注添加劑”，水灰比為1∶2。圖2 所示即為錨注支護布設斷面示意圖，其支護參數如表1 所示。

圖2 高強全錨注支護布設斷面示意圖（mm）

表1 高強全錨注支護參數統計表

2.3 高強全錨注支護效果評價

1）巷道表面位移測試分析。A 礦三水平回風上山巷道錨注支護約800 m，通過對礦壓測試觀測三個月內巷道表面僅僅位移了30 mm，三個月后，各觀測點位移基本為零，巷道變形得到了很好的控制。

2）對巷道內部進行位移測試。在錨注支護巷道中，每隔60 m 布設一個觀測斷面，每個斷面3 個觀測孔，孔深為8 m，觀測孔內每隔1 m 深設一固定觀測點。三個月后對巷道兩幫變形進行觀測，觀測結果各觀測點位移量基本為零，說明巷道兩幫變形得到了很好的控制。

3）采用全錨注支護施工簡單，井下工人勞動強度小，巷道掘進的速度有了很大的提高，巷道維修量也明顯減少。

4）對原支護方式與全錨注支護方式支護費用進行比較分析，全錨注支護費用僅僅是錨噴網支護費用的一半，而且支護效果優于原支護方式，巷道的返修率更低[5，6]。

3 結語

深部回采作業作為煤礦發展的必然趨勢，確保深部巷道支護的有效性，是實現深部回采作業有效、安全開展的必要前提。礦井管理者必須關注相關問題，在生產實際中多組織專業技術人員，立足礦井生產實際，總結具有針對性的深部巷道圍巖控制技術，實現對深部巷道圍巖穩定性的有效控制，全面提升其強度，為礦井的持續發展奠定基礎。