高應力軟巖大巷高強穩定性支護研究

牛永剛

(中煤科工集團 重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

淮北某礦南一采區先期采用條帶式開采，南翼主要開拓和準備巷道布置在主采煤層10煤的頂板巖層中。南翼軌道巷在掘進過程中及10煤開采前，巷道支護狀況較好。10煤回采后，南翼軌道巷受10煤多個工作面的采動影響，巷道變形嚴重，因巷道布置和煤柱留設等因素，南翼軌道巷仍將長期承受護巷煤柱引起的支承壓力影響，巷道變形會持續擴大。因此，有必要分析南翼軌道巷變形破壞機理，針對性開展高應力軟巖巷道圍巖控制的試驗研究，以改善軌道大巷的維護狀況，減少巷道失修率，為礦井的安全高效生產奠定基礎。

1 試驗巷道地質條件

南翼軌道大巷是南翼采區通風、運輸和行人的咽喉通道，試驗段巷道位于兩個工作面之間，采用錨網索噴支護，由于受兩次工作面回采引起的采動影響，該段巷道變形嚴重。

南翼軌道巷布置在10煤頂板巖層中，試驗段巷道在G28—G31測點之間，巷道地質素描見圖1. 通過G28測點后巷道圍巖巖性由黑色泥巖逐漸過渡到巖漿巖，而通過G29測點后巷道圍巖巖性又由巖漿巖逐漸過渡至泥巖，通過G30測點后巷道全斷面處于泥巖中。從其物理力學性質測試結果看，巷道圍巖強度較低，圍巖性質軟弱；從巷道圍巖的組分分析上看，圍巖具有一定的膨脹性。

圖1 南翼軌道巷試驗段地質素描圖

2 巷道變形破壞原因分析

根據南翼采區實際地質采礦條件、巷道圍巖變形破壞特征及現有開拓巷道錨網支護失效形式，結合理論分析結果可知，高應力軟巖巷道圍巖強烈變形的主要原因有以下幾個方面：

1) 巷道圍巖體強度較低。

南翼軌道大巷布置在10煤頂板巖層中，巷道所處巖性大多以泥巖或巖漿巖為主，由于圍巖的物理力學性質較差，且巖體中節理裂隙較為發育，圍巖強度不足以支撐較強的應力變化。

2) 工作面回采造成應力集中。

軌道大巷經受兩次動壓影響，圍巖應力增幅較大，且長期承受護巷煤柱引起的支承壓力影響，圍巖發生應變軟化，相應的圍巖松動圈范圍較大，極易失穩破壞[1-2].

3) 支護措施不合理。

南翼軌道巷為直墻半圓拱形巷道，巷道設計凈斷面尺寸為4.0 m×3.6 m，巷道采用錨網索支護，局部破碎區域采用注漿加固。在松軟破碎圍巖中，圍巖本身的可錨性差，高強樹脂錨桿的錨固性能難以發揮，特別是在圍巖松動范圍大、頂板圍巖松散破碎的情況下，圍巖本身的自穩能力較差，允許空頂時間較短，完全使用錨桿支護的效果并不好。

4) 底板無控底措施。

作為一個支護承載體，由于巷道未采取控底措施，高應力作用下底板先成為巷道變形、破壞的突破口，進一步加劇巷道頂板和兩幫的變形。

因此，有必要針對南翼軌道大巷的支護工藝開展系統研究。根據巷道形態，針對性制定聯合支護設計，從根本上改變巷道支護狀況，改善圍巖應力環境，保障軌道大巷的圍巖穩定性，為巷道的長期使用營造良好條件。

3 南翼軌道巷支護設計思路

針對南翼軌道巷圍巖體強度較低，長期受護巷煤柱引起的支承壓力影響的特點，采用二次錨網索支護，在一次錨網索支護后，允許巷道有一定的讓壓空間，然后再實施高強度結構穩定型二次錨網索支護，利用較高的錨網支護強度控制圍巖的塑性變形[3-4]. 同時施工底板錨網索控制底鼓，達到幫底互控的巷道圍巖控制效果[5].

根據南翼軌道巷多次修復，巷道圍巖松散破碎的特點，在錨網索支護的同時對圍巖實施注漿加固，對松散破碎巖體實施膠結，以提高巷道圍巖體的完整性及強度，有效控制此類巷道圍巖的強烈變形。

4 南翼軌道大巷支護方案

針對原有錨網整體支護強度偏低的特點，為滿足巷道使用斷面要求，按要求擴巷后，采用錨網索二次支護技術進行施工，具體技術參數如下：

一次錨網索支護：選用d20 mm×3 000 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，所有錨桿尾部螺紋應使用滾絲機加工，減小錨桿強度損失。每個錨桿孔錨固長度1.5 m以上；采用電阻焊技術加工的自連網；沿巷道徑向布置鋼筋梯子梁，進一步提高護表效果和發揮錨網支護中錨桿的整體支護效果；為提高錨網支護承載結構的結構穩定性，采用小孔徑高強預應力錨索實施結構補償，不僅提高錨網基本支護形成組合拱結構的抗變形能力，提高淺部圍巖的穩定性，而且能夠有效發揮深部穩定巖體的承載能力；錨索選用d17.8 mm×6 500 mm 1860鋼絞線，每個錨索孔錨固長度不小于2 m.

為提高巷道破碎圍巖體的完整性及強度，同時為二次高強錨網支護順利實施提供保障，一次錨網支護后，對圍巖實施注漿加固。注漿錨桿間排距1.5 m×1.5 m，注漿材料水灰比以0.7左右為宜。

在一次錨網索支護基礎上，根據巷道支護情況和現場施工條件，適時進行二次支護。如巷道出現片頂、片幫、漿皮炸開、網拉開、鋼筋梯子梁內凸等礦壓顯現時，應及時進行二次支護，保證巷道的長期穩定，依據經驗，可在擴巷迎頭30 m后直接進行二次支護[6].

二次支護錨桿規格與一次支護錨桿相同；二次支護用鋼帶替換鋼筋梯子梁，沿巷道軸向布置；二次支護斷面和一次支護斷面應錯開半個排距。南翼軌道大巷錨網索支護布置圖見圖2.

圖2 二次錨網索支護布置圖

采用底板錨網索支護不僅能夠有效控制層狀巖體的強烈底鼓，而且減小臥底工程量。考慮到底板錨網索支護結構的穩定性，采用兩種支護斷面，即斷面A和斷面B相間布置。在底板錨網索支護方案中根據南翼軌道巷的跨度，在兩排枕木之間布置底板錨桿(圖3斷面A)，同時采用底板錨索(圖3斷面B)進行結構補償。

圖3 南翼軌道巷底板錨網索支護方案圖

5 支護效果考察

為檢驗支護效果，試驗巷道內建立了多個觀測站，對不同位置巷道圍巖穩定性及支護承載性能進行了跟蹤觀測，1#測站表面位移與巷道修護時間的關系見圖4.

由圖4可以看出，在巷道二次加固結束后的50 d內，巷道表面位移逐步增加。此后隨著修護影響的減弱，巷道兩幫移近量增幅逐漸減小，然后趨于穩定。在巷道二次加固施工結束后50～140 d內對該段內約60 m巷道底板進行了治理，巷道底板加固結束前底鼓量仍然有較大幅度增加，但隨著巷道底板加固結束，巷道底鼓量增幅明顯降低，并逐步趨于穩定。

圖4 1號測站表面位移變化圖

巷道二次加固結束后67 d內，兩幫移近量為109 mm，底鼓量為203 mm；隨后對巷道底板進行了治理，至底板治理結束75 d，巷道兩幫移近量增加73 mm，底鼓量增大109 mm. 后續觀測結果表明，隨著臥底影響的結束，巷道兩幫位移量和底鼓量增幅均逐漸減緩，巷道兩幫和底板逐步趨于穩定，采用結構穩定型底板錨網索支護技術后，底鼓和兩幫內移均得到了有效控制。

6 結 論

現場工業性試驗結果表明，采用高強穩定型支護方案修護后，隨著時間的推移，頂底板和兩幫圍巖變形逐漸減小并趨于穩定，圍巖移動變形得到有效控制。采用新型支護技術，有效保障了巷道使用斷面，避免巷道進行多次擴修，實現礦井正常的采掘接替平衡，社會效益顯著。