深井軟弱圍巖采區回風巷卸壓支護技術研究

周 瑞

（霍州煤電金能煤業有限公司，山西 靜樂 031500）

1 工程背景

金能煤業一采區回風巷位于2#煤層中，平均埋深為900～1000m。巷道所在煤層的直接頂為4.5m左右的泥巖與砂質泥巖，基本頂為平均厚度在6.5m左右的粗粒砂巖，煤層底板向下直接底為2.55m左右的泥巖，基本底為平均厚度在8.3m左右的細砂巖。一采區回風巷道采用煤層沿底板掘進方式，走向長1306m，為矩形斷面巷道，采用錨桿加U形鋼聯合支護的形式。

一采區回風巷為采區的主要大巷，其圍巖變形量需要嚴格控制在一定范圍內。結合巷道所處區域的工程地質條件及對其現場圍巖變形觀測可知，一采區回風巷埋深大，圍巖處于高應力狀態，在高頂壓和測壓作用下，巷道圍巖容易出現大的變形，平均每半年就需要維修一次，成本高昂。巷道頂板最大下沉量高達200～300mm，平均變形速率為1.2～1.6mm/d，后期變形速率更高，需進行二次支護。

2 巷道圍巖破壞失穩原因分析

（1）一采區回風巷圍巖屬于塑性圍巖，力學性質與工程特性較差，巖體松散破碎，裂隙節理發育。巷道直接頂巖層抗壓強度為20～60MPa，圍巖具有易風化、遇水軟化崩解等性質，導致強度變低。而且在地應力不變情況下隨時間的增長出現變形不斷增大和圍巖強度降低的現象，表現出較強的流變特性。

（2）由于一采區回風巷埋深較大和圍巖松散破碎，巷道周邊應力較為集中導致頂底板及兩幫變形較大。巷道原支護方式及后期翻修控制方案主要以加強巷道支護強度為主，通過強化巷道圍巖支護強度以控制圍巖變形。但采區巷道服務年限較長，反復進行巷道整修，勢必會增加巷道支護成本，經濟壓力較大。

因此，想要從根本上解決高應力大變形問題，最好的辦法就是改善巷道所處環境的應力狀態，通過挖槽卸壓將巷道放于低應力區，從而達到控制軟巖巷道大變形，提高穩定性的目的。

3 軟巖巷道卸壓模擬分析

由于一采區回風巷底板卸壓槽參數包括寬度和深度，卸壓以后直接影響到圍巖中新的裂隙產生和發育程度，最終影響到圍巖注漿參數和注漿效果。利用數值計算軟件UDEC模擬研究卸壓前后巷道圍巖應力場的變化，為現場施工提供直接參考具有重要的現實意義。

3.1 計算模型建立

根據巷道所處區域的工程地質條件，采用數值軟件UDEC建立如圖1所示的力學模型。在模型頂板施加均布載荷模擬上覆巖層的重量，q=∑γh=13.25MPa。根據地應力測量結果可知，該地區水平側壓系數λ為1.8，則模型上部邊界水平應力23.85MPa。模型中底板卸壓槽寬度為800mm、深度為1800mm，模型計算平衡后，對圍巖的應力場及位移場變化進行分析，從而對卸壓效果的好壞進行分析研究。

圖1 力學模型

3.2 開挖卸壓槽前后巷道圍巖應力變化規律

為了研究卸壓槽對圍巖應力的影響，在巷道頂底板中線、兩幫墻高的水平線位置，分別設置長度12m的觀測線。在UDEC數值模擬計算的基礎上，整理出開挖卸壓槽前后巷道圍巖不同觀測線上測點的應力變化規律，如圖2所示。

從圖2中可知，卸壓后距巷幫0～3m范圍內兩幫支承壓力明顯減小。卸壓前兩幫支承壓力在距巷幫2m處達到最大值17.2MPa，而卸壓后兩幫支承壓力在距巷幫4m處達到最大值17.05MPa，卸壓后巷道兩幫支撐壓力峰值向圍巖深部轉2m并降低0.15MPa。卸壓前后距巷幫4～12m范圍內巷道兩幫支承壓力都趨于穩定，且都為16.6MPa。卸壓前頂板垂直應力在距頂板8m處達到最大值16.09MPa，卸壓后頂板垂直應力在距頂板9m處達到最大值16.16MPa。卸壓后頂板峰值應力增加0.07MPa，且向圍巖深部轉移1m。

圖2 卸壓前后兩幫和頂板圍巖支承壓力

圖3 卸壓前后底板垂直應力和兩幫圍巖水平應力

從圖3中知，距底板0～12m范圍內，距底板相同位置處卸壓后底板垂直應力明顯小于卸壓前，較卸壓前平均減小46.8%。距底板0～2m 范圍內，卸壓后底板垂直應力基本為0MPa，且距底板 0～5m范圍內，卸壓后底板垂直應力均小于3MPa，與卸壓前相比底板5m范圍內平均減小89.1%。兩幫圍巖水平應力距巷幫0～12m范圍內一直增加，卸壓后兩幫0～1m范圍內水平應力為0MPa，且距巷幫相同距離處卸壓后水平應力比卸壓前小，較卸壓前平均減小29.7%。

圖4 卸壓前后頂板和底板水平應力

從圖4中可知，卸壓前頂板水平應力在距頂板6m處到達峰值47.77MPa，卸壓后水平應力在距頂板7m處到達峰值45.22MPa。卸壓后頂板水平應力峰值減小2.55MPa，且向圍巖深部轉移1m。卸壓前底板水平應力在距底板8m處達到最大值38.15MPa，而卸壓后底板水平應力在監測的距離內還未達到最大值，高應力向底板深部轉移。

綜上所述，底板開挖卸壓槽后，巷道兩幫和底板圍巖支承壓力和水平應力具有較明顯卸壓作用，而巷道頂板圍巖的應力基本保持不變。開挖卸壓槽以后，頂板下沉量非常小，頂板保持不動，而兩幫位移量和底板底臌量較明顯。

4 巷道卸壓支護方案設計與施工

4.1 卸壓支護方案設計

由于一采區回風巷地壓大，所以在支護前先在底板開挖卸壓槽進行卸壓，卸壓槽參數采用寬度×深度=800mm×1800mm，卸壓槽長度為硐室長度。金能煤業所采2#煤層硬度較小，周邊圍巖強度較低，屬于軟巖性質，穩定性相對較差，針對此類型的巷道需要加大巷道的支護強度，因此提出對巷道采用錨注支護方式，通過注漿將圍巖內部的裂隙封堵，防止巷道受到淋水影響而穩定性發生變化。即在底板卸壓槽開挖完成后，沿巷道全斷面施工樹脂錨桿，掛網后噴射混凝土，同時在巷道頂板及兩幫布置注漿錨桿。最終的支護示意圖如圖5所示。

圖5 卸壓支護斷面設計圖

4.2 現場實施及工藝要求

4.2.1 現場實施

刷出毛斷面→實施第一層次噴漿（80mm）→打第一層次錨桿→第一層次掛鋼絲繩→第二層次噴漿（100mm）→打第二層次錨桿→第二層次掛鋼絲繩→第三層次噴漿（80mm）→打第一層次注漿錨桿→按腰線臥底與開挖卸壓槽→第一層次注漿→根據觀測監控數據打第二層次注漿錨桿→第四層次噴漿（60mm）→第二次注漿。

4.2.2 工藝要求

（1）鋼絲繩搭接長度不小于錨桿間距，即不小于700mm，以搭接相鄰的兩個錨桿為準；中間加密的繩徑為單股繩；鋼絲繩間距第一層次為主繩間排距700mm×700mm，中間穿1股單股鋼絲繩，使第一層次支護的鋼絲繩間排距為350mm×350mm；第二層次為700mm×700mm，中間穿2股單股鋼絲繩，使第二層次支護的鋼絲繩間排距為230mm×230mm；鋼絲繩要貼緊噴層面，錨桿托盤要壓緊壓實，嚴禁托盤懸空。

（2）錨桿錨固力不小于80kN，預緊力不得小于150N·m；外露螺帽長度30～50mm。

（3）巷道表面混凝土噴層要噴射均勻，保證噴射后的巷道表面無出露的鋼筋網及矸石。

（4）根據標定的巷道腰線進行臥底，做到底板平整，坡度一致。

（5）各區段施工完畢后，必須將巷道內的爛雜物及時清理干凈，做到工完、料凈、現場清，達到驗收標準。

4.3 結果分析

一采區回風巷施工后，在巷道內建立圍巖變形觀測站，對巷道圍巖變形進行30d的觀測，繪制曲線如圖6所示。開挖卸壓槽進行錨注支護后，變形主要集中在前期1～10d內，10～20d內變形逐漸變緩，20d后變形趨于穩定。最終巷道頂板下沉量為141mm，頂底板及兩幫累計位移量分別為190mm、136mm，圍巖變形處于可控范圍。

圖6 巷道圍巖位移曲線

5 結論

（1）針對一采區回風巷變形量大的問題，通過UDEC數值模擬對比卸壓前后巷道周圍應力的變化，發現卸壓槽對軟巖巷道周邊應力轉移具有較好的效果，有利于充分發揮深部圍巖的承載能力，減少淺部圍壓的支護阻力，降低巷道的支護難度。

（2）對巷道采取卸壓及錨注支護后，最終巷道頂板下沉量為141mm，頂底板及兩幫累計位移量分別為190mm、136mm，圍巖變形處于可控范圍，實現了安全生產。