高應力軟巖條件下巷道支護失穩機理及穩定性控制分析

吳振芳

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 沁水 048200）

1 工程概況

玉溪煤礦1盤區中央輔運大巷承擔本礦井的運輸任務，設計長度為1560m，設計服務年限為40.1a，埋深在433.9～883.3m之間，平均埋深659m，所在層位主要為粉砂巖。巷道圍巖裂隙發育較為明顯，含有鈣質結核、黃鐵礦，同時有厚度為0.25m左右的泥巖夾矸，容易破碎。巷道原支護設計采用的是錨梁網索支護，見圖1。巷道在支護之后，圍巖出現了嚴重的明顯破壞，先后進行了三次拓幫挑底作業，但是仍舊不能滿足巷道正常使用需求，給礦井生產的連續性、安全性帶來了較大的影響。

2 大巷變形破壞特征及機理分析

為準確掌握中央輔運大巷變形破壞特征，采取針對性的圍巖控制措施，對中央輔運大巷變形破壞特征及機理進行了現場勘查和分析。

2.1 變形破壞特征

根據現場勘查發現，中央輔運大巷出現了全斷面變形破壞。巷道底板鼓起量在1.4～1.7m之間，巷道頂板下沉量在1.1～1.3m之間，頂底板平均相對移近量在2.5～2.9m之間，巷道兩幫相對移近量接近2.2m。同時，在現場勘查時發現，巷道下部有明顯的涌水情況，兩幫圍巖出現了顯著的遇水軟化特征，且巷道原支護體上形成了較多網兜，巷道的兩幫和頂板處出現了較多的錨桿整體外移的情況。這表明巷道錨桿支護已經失效，支護體已經被拉斷。巷道在變形前后的斷面圖見圖2所示。

圖1 中央輔運大巷原支護設計圖

圖2 變形前后巷道斷面對比圖

2.2 變形破壞機理

（1）巷道埋深較大

中央輔運大巷埋深平均659m，整體的垂直應力較大。對現場巷道所處位置地應力的測試表明，垂直主應力為29.6MPa，最大水平主應力為31.8MPa，最小水平主應力為17.8MPa，側壓系數達到1.7。巷道圍巖雖然為強度較高的粉砂巖，但在較大的地應力作用下，導致雖然對巷道進行了三次返修，但是仍舊出現了明顯的變形破壞。

（2）巷道松動圈范圍較大

為了掌握巷道圍巖的變形范圍，在本次勘查時，選擇使用圍巖松動圈測試儀對中央輔運大巷3個斷面9個測點的巷道圍巖的松動圈的范圍進行了測試，對巷道內部圍巖變形破壞情況進行了研究。松動圈具體的勘查見表1所示。

表1 中央輔運大巷巷道松動圈測試結果

通過表1可知，中央輔運大巷巷道整體松動圈的范圍較大，多數地點均接近或超過了1.8m，屬于大松動圈范圍。而在原支護中，巷道頂幫錨桿支護的范圍最大為2.4m，再加上施工中存在錨桿錨索支護不到位的情況，導致很多錨桿應有的支護效用不能發揮出來，這也是在現場勘查中得到很多錨桿被拉伸出來的原因，這說明原設計中錨桿支護已經失效。

（3）巷道圍巖性質影響

中央輔運大巷所處的層位是粉砂巖，從地質資料和現場勘查情況來看，圍巖裂隙發育明顯，其中含有厚度為0.25m的泥巖夾層，強度較低，遇水膨脹。在這種情況下，巷道圍巖整體的承載性能較差，在高地應力的作用下，非常容易出現變形破壞。

（4）巷道原支護方式的影響

從中央輔運大巷原有支護設計來看，巷道設計采用的是普通錨梁網索支護。這種支護方式在淺層的巷道圍巖支護中能夠取得較好的支護效果，但在深部圍巖支護中，已經表現出較強的不適應性。主要是這種支護沒有給深部高應力軟巖留有充足的釋放能量的空間，屬于“剛性支護”。這種剛性支護方式在高地應力作用下，非常容易出現支護失效的情況，再加上巷道原支護中沒有對巷道底板進行支護，導致底板成為了深部高應力釋放的主要空間，這也是本次巷道底板出現變形破壞較大的原因。

（5）地下水影響明顯

從現場勘查情況來看，巷道下部有明顯的水體侵蝕的影響，特別是底板圍巖在長期與水接觸的情況下，自身的承載能力與強度會明顯降低，特別是圍巖中的膨脹性軟巖成分，在水體的作用下出現崩解，加劇了巷道圍巖變形。

3 大巷返修支護設計

結合中央輔運大巷出現的變形破壞特征及具體機理，本次返修設計采用“錨網索+U型鋼閉合環+底板注漿”聯合支護方案。

3.1 返修方案支護機理

（1）U型鋼閉合環設計采用4節U型鋼組合形成一個完整的U型鋼支護閉合體。這4節U型鋼的接口位置，設置使用卡纜，目的是實現支架可縮量的自動調節。這對于支架更好適應巷道圍巖變形，在巷道圍巖變形過程中仍舊給予巷道高支護力是非常關鍵的。中央輔運大巷巷道整體圍巖變形量較大，選擇使用U型鋼支護閉合體可以為巷道支護提供較高的支護承載能力。隨著支架變形量的增加，其支護阻力也隨著增加，實現“高阻讓壓”支護，這對于深部巷道支護是非常關鍵的，有效避免了傳統剛性支護的弊端。

（2）錨網索支護是在巷道的頂底板及兩幫實施高強度錨桿、錨索支護，對錨索、錨桿施加高強度預緊力，最大限度地提升對巷道表層圍巖的預緊壓縮效果，實現對巷道淺層圍巖的變形限制。設計在巷道兩幫打設長度為4200mm、直徑為17.8mm的預應力錨索，更好發揮錨索對巷道兩幫圍巖的支護作用，調動巷道兩幫深部穩定圍巖對淺部圍巖變形的限制作用，從而在巷道淺層形成錨桿+錨索+鋼筋網+托盤+巷道圍巖為一體支護結構，充分調動巷道淺部圍巖、中深部圍巖對巷道整體變形的限制作用。

（3）巷道底板注漿支護。考慮到中央輔運大巷下部有涌水的情況，設計在巷道底板打鉆注漿，對巷道底板及巷道兩幫下部裂隙實現有效封堵，提升巷道底板的承載能力，限制巷道底板及兩幫圍巖變形。

3.2 支護方案設計

（1）U型鋼閉合環支護設計。本次U型鋼閉合環設計采用U28型鋼，設計的有效壓縮量為400mm，4節U型鋼搭接而成，每節的長度為4400mm。見圖3所示。

圖3 U型鋼閉合環支護體支護示意圖

（2）錨網索支護設計。錨桿支護設計參數為：Φ22mm×2400mm，間排距為800mm×800mm。幫錨索支護參數為：Φ17.8mm×4200mm，位置在距離底板1200mm處，對稱布置兩根。頂板錨索使用Φ17.8mm×8000mm，對稱布置三根，間排距為1600mm×1600mm。其中設計錨桿的預緊力均為65kN，錨索的預緊力均為75kN。

（3）底板注漿參數設計。對稱布置三個注漿孔，注漿壓力控制在5MPa左右，注漿角度設計外擺15°，間排距設計為1800mm×1800mm。

巷道錨網索支護和底板注漿支護設計見圖4所示。

4 支護效果

使用十字布點法對巷道圍巖變形情況進行了監測分析，通過觀測，得到了巷道圍巖變形曲線，見圖5所示。

圖4 巷道錨網索+注漿支護示意圖

圖5 返修后巷道圍巖變形曲線

從圖5可看出，巷道在選擇使用新支護方案后，整體的巷道圍巖穩定性得到了較好的控制，頂底板最大的移近量接近250mm，兩幫的相對移近量接近200mm。這說明新支護方案在控制巷道圍巖穩定方面取得了較好的效果。