軟巖巷道圍巖變形規律及支護方案研究

尚偉鵬

（鄭州中興集團鄭興煤業有限公司，河南 鄭州 452370）

軟巖巷道圍巖強度低、結構完整性差，圍巖易風化，在軟巖巷道開挖后圍巖變形速率快，變形量大，且隨時間變化變形量會持續增加[1]，大大提高了礦井生產成本，增加安全隱患。許多學者針對不同情況下巷道圍巖的破壞進行了穩定性研究[2-4]。本文以鄭興煤礦為研究背景，通過對馬頭門處巷道圍巖變形進行觀測分析，研究軟巖巷道變形規律，確定合理的支護方案。

1 工程背景

鄭興煤業地層區劃屬華北地層區豫西地層分區之嵩箕小區，區域主要地層為奧陶系、石炭系上統、二疊系和第四系，其中石炭系和二疊系為主要含煤地層。構造位置為華北板塊南部、嵩箕構造區北部的嵩山背斜北翼。礦區位于偃龍煤田上莊井田西端淺部，處于嵩箕構造區嵩山大背斜的北翼。偃龍煤田構造特點以高角度正斷層為主，局部伴有小型褶曲；地層走向東西，傾角4°～18°；太原組菱鐵質泥巖至砂鍋窯砂巖底為主要含煤段；中下部由灰黑色泥巖、深灰色細粒砂巖及煤層組成，砂巖以硅泥質膠結為主，層理較發育，層面含大量白云母片和炭質；主要可采煤層為賦存于山西組下部的二1煤層（厚煤層）；頂部以淺灰色含紫斑或暗斑的泥巖為主，夾砂質泥巖和砂巖。

鄭興礦巷道圍巖均為軟巖，支護較為困難。軟巖具有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性的特點，在壓力的作用下，會產生不可逆的塑性形變，導致圍巖強度較低，變形較大。因此，合理的支護方案對礦井安全生產、提高經濟效益尤為重要。

2 試驗概況

2.1 試樣制備

為測試巷道圍巖的力學特征，通過在巷道頂底板采取能夠代表巖石特征的巖樣，并在實驗室制取成標準規格的巖石試樣，其規格為兩種：（1）細粒砂巖和砂質泥巖試樣形狀為圓柱體，制作成兩種規格：Φ50 mm×100 mm、Φ50 mm×50 mm；（2）泥巖試樣制作為立方體：50 mm×50 mm×100 mm、50 mm×50 mm×50 mm。

2.2 試驗過程

圍巖的基本力學參數是巖石分類的重要依據，是進行井巷工程支護設計的重要參數。因此，施工前進行圍巖穩定性判定、巷道和采場支護設計必須先行獲取圍巖的基本力學參數，進行巖石分類。本次通過利用巖石力學伺服試驗系統對試樣進行單軸壓縮、全應力-應變壓縮、三軸壓縮等試驗，得到巖石的詳細力學特征。

2.2.1 抗壓強度測定

巖石抗壓強度是巖石力學最常用的參數之一，本試驗采用位移控制法進行單軸壓縮試驗。巖石抗壓程度的指標用巖石的堅固性系數f 來表示，即單軸抗壓強度除以10。經過試驗測定（如圖1），該礦井的巖石試樣的單軸抗壓強度最大為28 MPa，最低為16 MPa，固其堅固性系數最大為2.8，最小為1.6，堅固性系數平均值為2.2。根據試驗結果可知巖石試樣均屬軟巖。

巖石受壓縮時的變形特征通常用彈性模量和變形模量等巖石變形參數來表示。從單軸壓縮試驗全應力-應變曲線可看出巖石應力和應變關系并非完全的線性關系，因此在不同階段應用不同的參數進行表述。曲線直線段的斜率即為彈性模量，原點50%抗壓強度點連線的斜率為變形模量。彈性模量Eτ、變形模量E50以及泊松比μ 之間的關系如下式：

式中：Eτ為彈性模量；E50為變形模量；Δ σ、Δ ε 為應力、應變增量；σ50為0.5 倍抗壓強度處的應力值；ε50為σ50處的軸應變值；Δ σP、Δ εP為曲線上直線段應力、應變均值。

根據試驗結果并將其代入上式可得，巖石試樣的彈性模量平均值為11.7 GPa，變形模量平均值為8.6 GPa，泊松比平均值為0.26。

2.2.2 內聚力和內摩擦角測定

由于僅有巷道表面存在處于雙向或者受力的情況，而深部巖體則均處于三軸受力狀態，故本次試驗須對巖石試樣的三軸應力狀態進行研究，采用普通三軸試驗。由試驗結果可知，在低圍壓條件下，其強度包絡線近似為直線。試驗采用位移控制法，圍壓加載速率為0.1 MPa，先加載圍壓直至達到預定值再加載軸壓。部分試樣莫爾應力圓參數如圖2，經過計算巖石試樣的內聚力約為12.72 MPa，內摩擦角約為29.3°。物理力學參數試驗結果見表1。

圖1 巖石單軸壓縮試驗

表1 物理力學參數試驗結果匯總

3 現場工業試驗及支護方案驗證

為監測巷道圍巖表面收斂量，確定巷道變形特征，選擇合理的支護方式，驗證支護方案的可行性。設置觀測點對巷道變形量進行監測，根據巷道圍巖條件及其力學特征[5]，巷道支護方式采用“錨網索噴+鋼筋混凝土砌襯”支護。一次支護采用錨網索噴聯合支護，噴射砼強度C20，厚80 mm；二次支護采用雙層鋼筋混凝土支護，壁厚500 mm。采用左螺旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，規格Φ22 mm×2400 mm，托板150 mm×150 mm×10 mm，間排距800 mm×800 mm。 采 用Φ21.6 mm×8300 mm 的 高強度預應力鋼絞線錨索，間排距為1600 mm×800 mm。

在巷道斷面布置5 個測點并布置5 個測線用于研究圍巖內部變形情況，測點位置如圖3，并將激光測距儀安置在1 測點至5 測點進行測距。

圖2 莫爾—應力圓參數

圖3 巷道圍巖變形監測點和測線布置圖

由圖4 可知：（1）巷道圍巖變形特征表現為明顯的非對稱、非均勻性。如在距巷道表面0 m 處，測線2、測線4 以及測線5 變形量均達到最大值，分別為26.2 mm、12.7 mm、18.8 mm；（2）隨著距巷道表面距離的增大，巷道圍巖變形量也在逐步減小。以測線1 為例，在距巷道表面0～3 m 左右，巷道圍巖位移量由24.4 mm 急劇降低到6.67 mm，遞減率平均5.91 mm/m；而在距巷道表面3 m 之后，其巷道圍巖位移量逐漸趨于穩定。可見，巷道開挖對于淺部圍巖的擾動要明顯高于深部圍巖。

圖4 巷道圍巖深部變形曲線圖

支護完成后在巷道設置5 個測點，對巷道進行長期連續監測。由圖5 中巷道斷面收斂量可得到巷道圍巖變形量及支護效果：

（1）在初期支護施工后，由于圍巖內部應力及塑性變形得到釋放，其圍巖收斂位移量較大，變形速率可達0.41 mm/d；在觀測40 d 之后，其變形速率開始逐漸降低；而在80～140 d 左右，巷道圍巖收斂量雖略有增幅，但已基本趨于穩定。

（2）在馬頭門拱部收斂位移量要明顯高于其他部位，測線5-3 收斂量最大可達20.5 mm，測線1-5則為19 mm，而測線1-4 僅為12 mm，其減小分別為8.5 mm、7 mm，減小率分別為31%、28.6%，相對收斂量均小于預警值，可見該支護方案能夠有效控制巷道圍巖變形，防止巷道頂底板及兩幫破壞。

圖5 監測斷面收斂位移

4 結論

該礦巷道圍巖屬軟巖，巷道圍巖易變形，圍巖強度低，圍巖在長期應力作用下具有蠕變性，導致支護困難。通過研究分析得到巷道圍巖變形規律，確定了錨網索噴的聯合支護方案。根據監測數據，經過綜合分析得到：

（1）巷道圍巖變形特征表現為明顯的非對稱、非均勻性，隨著距巷道表面距離的增大，巷道圍巖變形量也在逐步減小；

（2）在初期支護施工后，由于圍巖內部應力及塑性變形得到釋放，其圍巖收斂位移量較大，后期變形速率不斷減小并趨于穩定；

（3）采用“錨網索噴”聯合支護的方式巷道圍巖完整性較好，可使巷道圍巖變形量得到有效控制。采用該支護方式可以有效減少巷道變形，增加巷道服務年限。