深部高應力軟巖巷道圍巖穩定性控制研究

張士杰

(河南能源焦煤公司趙固二礦，河南 新鄉 453600)

1 工程概況

趙固二礦西膠帶大巷埋深740～820 m，屬于深部埋深巷道，巷道圍巖的性質主要是砂質泥巖、炭質泥巖及泥質膠結等，表現出松軟破碎特點，整體呈現出承載性能較差的特點。巷道原支護采用的是錨網索噴支護，巷道多數地段在施工不到15 d均出現了明顯的變形，在很多部位變形量超過了1 400 mm，給巷道維護工作帶來了較大的難度，在嚴重影響到巷道整體使用的地段進行了多次返修，返修后巷道仍舊處于不穩定狀態，給礦井西部煤炭資源的開采帶來了較大的影響。

2 西膠帶大巷圍巖變形破壞特征

為了更為精準地掌握西膠帶大巷變形破壞機理，對巷道變形破壞情況進行了現場勘查，得到了巷道變形破壞特征如下。

2.1 巷道全斷面破壞嚴重

從西膠帶大巷現場開拓情況來看，在巷道掘進過程中，出現了明顯的整體破壞情況，頂板破裂的圍巖受到自身重力的作用，大面積垮塌的情況明顯，如圖1所示。

圖1 巷道整體變形破壞嚴重

2.2 巷道頂板下沉明顯

通過現場勘查來看，雖然部分巷道未出現巷道整體坍塌的情況，但是頂板下沉量非常大，根據勘查表明，巷道頂板下沉量平均達到了320 mm，最大的位置超過了500 mm，且表現出明顯的蠕變變形，巷道整體圍巖變形持續時間非常長。巷道頂板下沉如圖2所示。

2.3 巷道底板鼓起量較大

巷道底板鼓起量較大是西膠帶大巷又一明顯特點，通過現場勘查，巷道底板鼓起量平均超過了400 mm，最大位置超過了620 mm，巷道底板鋪設的軌道在很多地段整體被掀翻，已經不能正常使用。同時，通過現場勘查發現，巷道兩幫的下部和底板兩個底角的位置，出現了明顯的雨水膨脹的情況，進一步加劇了巷道底板的變形，如圖3所示。

圖2 巷道頂板下沉明顯

圖3 巷道底板隆起明顯

2.4 巷道兩幫收斂量較大

巷道兩幫整體出現了明顯收斂，根據現場勘查發現，巷道兩幫整體的收斂量平均超過了350 mm，最大收斂量接近500 mm，兩幫嚴重的內擠，不僅影響到巷道正常的通行，同時也給巷道通風等方面帶來了較大的影響，如圖4所示。

圖4 巷道兩幫收斂明顯

此外，從現場勘查情況來看，巷道錨桿、錨索外移的情況較多，這表明錨桿、錨索在圍巖變形過程中出現了被拉斷的情況，整體的支護已經失效，如圖5所示。

圖5 錨桿支護失效圖

3 西膠帶大巷變形破壞機理分析

3.1 巷道圍巖成分分析

為了更加深入地掌握圍巖變形破壞的原因，選擇使用X射線衍射的方式對現場圍巖取得的巖樣進行分析，選擇使用的儀器是D/Max-3A型X射線衍射儀，具體分析結果如表1所示。

從巷道圍巖巖性定量分析情況來看，巷道整體包含的膨脹型軟巖成分較高，且從巖石整體的組成情況來看，巷道圍巖整體巖性較差，承載強度極限強度較低，容易出現大變形破壞的情況。

表1 巷道圍巖巖性成分分析 單位：%

3.2 巷道所處位置地應力分析

根據西膠帶大巷所處位置的地質資料表明，巷道埋深平均達到了780 m，整體的垂直應力非常大，且通過現場對巷道所處位置地應力進行測試表明，垂直主應力為28.5 MPa，最大水平主應力為30.8 MPa，最小水平主應力為18.2 MPa，測壓系數達到1.4，巷道整體所受的地應力非常大。在如此大的地應力作用下，巷道圍巖巖性又相對較差，在高應力作用下，已經表現出明顯的高應力軟巖的特征。

3.3 巷道圍巖松動圈測試

為了掌握巷道圍巖整體變形破壞的范圍，設計使用聲波法對巷道2個位置的圍巖松動圈的厚度進行了測定，如圖6所示。

圖6 巷道圍巖松動圈范圍

從圖6可知，巷道圍巖整體的松動圈的范圍較大，為1.8～2.5 m，按照巷道圍巖松動圈的范圍來分析，屬于大松動圈巷道。

4 西膠帶大巷返修支護

4.1 巷道返修支護分析

通過對巷道變形破壞特征和導致變形破壞的機理進行分析，本次返修設計提出了巷道初次支護采用柔性“固”，在此基礎上給巷道一定的變形破壞的空間，引導巷道釋放內部積聚的高能量；最后，采用高強度“抗”的方式，形成“剛柔并濟、耦合支護”的總體返修支護方案。

首先，設計采用“錨網索噴”支護的方式，在巷道內形成第一道主動支護結構，對巷道圍巖的力學性能進行完善與加固，最大限度保證巷道圍巖的完整性，將圍巖的自承能力發揮到最佳，在經過了初期的加固之后，給巷道留有一定變形空間，允許巷道有一定的變形，實現有效讓壓，釋放巷道內部高能量。最后，實現對巷道變形整體的“抗”，通過在巷道內形成高剛度、高強度鋼筋混凝土殼體結構的形式全面實現對巷道變形的整體限制，確保巷道穩定。

4.2 具體返修支護方案設計

1)初期錨網索噴支護設計方案。錨桿支護設計參數為：φ22 mm×2 500 mm，間排距為700 mm。幫錨索支護參數為：φ17.8 mm×4 300 mm，間排距為1 400 mm。其中設計錨桿的預緊力均為65 kN，錨索的預緊力均為75 kN。鋼筋網參數為φ6 mm，網格大小為100 mm×100 mm，初噴設計為C20混凝土，厚度控制在50 mm左右，復噴仍采用C20混凝土，厚度控制在60 mm左右。

2)中期預留變形量設計。本次支護留設的給巷道變形的空間為200 mm左右。

3)全斷面封閉格柵拱架鋼筋混凝土支護設計。格柵拱架的斷面為350 mm×200 mm，間距為700 mm，主筋為縱筋，根數為6根，參數為φ22 mm。箍筋選擇使用為圓鋼，參數為φ12 mm，間距設計為200 mm。在拱架架設好之后，進行鋼筋網全面鋪網，通過使用鋼絲進行全面的綁扎，形成一個支護整體。在全部工作完成后，進行混凝土澆筑，通過泵送的方式進入澆筑，混凝土澆筑的厚度在400 mm左右，強度等級可達到C50。具體支護結構如圖7所示。

圖7 返修支護方案效果圖

4.3 返修支護效果分析

為了驗證本次返修后支護效果，選擇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，如圖8所示。

圖8 返修后巷道圍巖變形曲線圖

從圖8可以看出，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120 mm，兩幫的相對移近量接近80 mm。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。

5 結語

大量深部煤炭資源開采實踐表明，在深部巷道支護時，其相對于傳統巷道支護方式已經發生了較大的變化，通過設計預留變形空間的方式，可取得較好的泄壓承載效果。影響深部巷道圍巖穩定性的因素相對較為復雜，在進行巷道支護時，須綜合考慮，實現對巷道圍巖穩定的整體性控制。