高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用

石小磊

（潞安化工集團(tuán)李村煤礦，山西 長治 046699）

引言

目前，隨著采礦深度日益擴(kuò)大，地層壓力也逐步上升，這是煤礦行業(yè)發(fā)展的主要趨勢，實際生產(chǎn)中也造成較多的問題，如給煤礦安全生產(chǎn)造成影響，耽誤工期，導(dǎo)致了巨大的資金耗費，也嚴(yán)重影響了礦井正常生產(chǎn)以及企業(yè)的經(jīng)營發(fā)展等，因此有必要研究高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)。

現(xiàn)階段，由于中國已步入了礦井深部開采的新階段，并在高應(yīng)力軟巖巷道的支護(hù)方面已經(jīng)逐漸積累了大量的實踐經(jīng)驗，同時也在深部采礦方面取得了很大的成績，不過在深井高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)方面還存在較多問題[1-2]，如軟巖巷道巖石硬度較低、圍巖松動范圍大，所以要想確保煤礦正常產(chǎn)出和巷道穩(wěn)定性，就必須采用科學(xué)合理的支護(hù)方案和支護(hù)對策，對各種圍巖特性進(jìn)行適應(yīng)和改善，從而取得經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行的效果。

1 高應(yīng)力軟巖巷道變形特征及原因分析

1.1 高應(yīng)力軟巖概念

在中國整個煤礦行業(yè)中，對軟巖還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，而長期以來，巖石力學(xué)與工程界對軟巖的定義也始終缺乏共識，一般認(rèn)為，高地應(yīng)力區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)在某種特定的巖塊或質(zhì)地構(gòu)造中，在高壓地應(yīng)力環(huán)境下，當(dāng)圍壓強度較低時，巖石中仍存在著較大的硬度和彈性模量[3-4]。當(dāng)圍壓強度較高時，巖石呈現(xiàn)“軟巖”的特性，硬度明顯降低，空隙度大，膠結(jié)性較差，且受構(gòu)造面的剪切和風(fēng)化影響很大，疏松、松散、軟弱的巖石中存在著大量易膨脹黏土礦物，巖石力學(xué)與工程界將這種巖石稱為高應(yīng)力軟巖。

1.2 軟巖巷道的變形特征

76.2 號區(qū)段2 號總回風(fēng)巷巷道現(xiàn)已掘進(jìn)650 m，巷道標(biāo)高為+549.5～+613.5 m，東部為7505 運輸巷出煤巷，西部為7505 放水巷，南部為7505 采空區(qū)，北部為7503 采空區(qū)。巷道設(shè)計為拱形斷面，寬度為5.3 m、高度4.15 m，巷道沿7505 采空區(qū)與7503 采空區(qū)之間煤柱布置，護(hù)巷煤柱為24 m，巷道底板為3 號煤層，煤層上部為泥巖及砂質(zhì)泥巖，平均厚7.5 m，巷道原始支護(hù)方案為樹脂加長錨固強力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，頂板及兩幫錨桿規(guī)格均為Φ22 mm×2 400 mm，頂板間排距為1 000 mm、900 mm，兩幫間排距為1 000 mm、800 mm；巷道頂板錨索長度6.3 m，間距2 m、排距1.0 m，按3-4-3 布置，76.2 號區(qū)段2 號總回風(fēng)巷錨噴支護(hù)斷面圖如圖1 所示。

圖1 76.2 號區(qū)段2 號總回風(fēng)巷錨噴支護(hù)斷面圖（單位：mm）

當(dāng)巷道掘進(jìn)進(jìn)入兩側(cè)采空區(qū)之間后，巷道頂板出現(xiàn)巖石較軟，巷幫較破碎，局部底鼓嚴(yán)重，噴漿層開裂。受兩側(cè)工作面影響，側(cè)向支承壓力顯著，巷道維護(hù)難度大，巷道需要通過反復(fù)維修才能保證正常使用。該巷道變形特點大致分為以下幾個方面[5-6]：首先，支護(hù)圍巖自穩(wěn)持續(xù)時間短，壓力變化快，自穩(wěn)持續(xù)時間僅數(shù)十秒至幾分鐘。如果該巷道的壓力大，必須及時支護(hù)或超前支護(hù)，以確保該巷的支護(hù)巷道圍巖不墜落地面；其次，該巷圍巖變化范圍大、速率快、穩(wěn)定時間長。通常情況下，變化速率為50～100 mm/d，巷道施工后的變化速率為5～10 mm/d，變化持續(xù)時間通常為25～60 d，但有時變化日期延續(xù)了數(shù)月以上仍不穩(wěn)定；最后，圍巖被擠出，底鼓變化明顯。周圍軟巖巷道也被擠出，如果不支護(hù)地板，則支護(hù)結(jié)構(gòu)中將存在薄弱區(qū)域，巷道損壞由從未被支護(hù)的底板開始，向兩側(cè)移動得更近，同時也由于底鼓，基腳不平衡，直到頂板完全落下，將巷道全部破壞。

1.3 軟巖巷道不穩(wěn)定原因分析

通過巷幫鉆孔窺視結(jié)果可得，巷幫淺部0.9 m 范圍內(nèi)裂隙明顯發(fā)育，比較破碎，2.6～4.2 m 巖層裂隙發(fā)育，4.2～9.9 m 巖層基本完整。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，最大水平應(yīng)力22.65 MPa，最小水平主應(yīng)力為12.05 MPa，垂直主應(yīng)力為18.48 MPa。根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)，從量值上判斷，該區(qū)域處于深部高應(yīng)力場區(qū)，該區(qū)域應(yīng)力場由構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)，該巷道掘進(jìn)過程中在一定程度上收到地應(yīng)力影響。

該巷道兩側(cè)的移動以及頂部傾斜都將引起巷道斷面的變化，從底板與圍巖之間的應(yīng)力關(guān)系分析，巷道底板的失穩(wěn)度將直接影響頂板的穩(wěn)定性，現(xiàn)使用的支護(hù)技術(shù)雖然能夠在一定程度上抑制底板的下沉，但是，對底鼓仍缺乏有效的解決辦法。從巖石應(yīng)力分析，由于巷道底板處在無支護(hù)狀況，巖層強度較低，而底板巖石則多為泥巖和碳質(zhì)泥巖，單向抗壓強度也較低，同時，又因為巖層強度逐漸降低，圍巖松散而軟弱，隨著巷道的繼續(xù)施工，原來作用于底層巖石上的內(nèi)應(yīng)力會逐漸下降，而底層巖石也將恢復(fù)韌性，一旦較高內(nèi)應(yīng)力水平大于巖石抗拉強度，在略高于內(nèi)部應(yīng)力水平情況下，圍巖將出現(xiàn)重大變化，無法支護(hù)，巷道也將出現(xiàn)巨大變化[7-8]。

2 高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)存在的問題

2.1 巷道圍巖承受力不足

高應(yīng)力軟巖的特征也決定了該區(qū)域巷道變形所呈現(xiàn)的主要特征，巷道水平收斂速度遠(yuǎn)大于拱頂下沉速度。現(xiàn)階段支護(hù)方法采用錨桿（索）支護(hù)形式，沒有相應(yīng)的加固處理，但由于采用這種支護(hù)方式，巷道支護(hù)圍巖本身的承載力不夠，荷載的承載厚度不夠，如果地質(zhì)條件發(fā)生變化或圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，將對巷道圍巖產(chǎn)生較大的壓力，產(chǎn)生大量的安全隱患。

2.2 支護(hù)方式選取問題

與硬巖巷道相比，軟巖巷道的破壞變形有其自身的特殊性，需要實施與軟巖巷道相一致的支護(hù)模式。由于施工初期圍巖變形較大，難以承受原有支護(hù)結(jié)構(gòu)，特別是在施工后期，由于圍巖變形較大，也阻礙了工程進(jìn)度，對通風(fēng)提出了一定的挑戰(zhàn)，并影響著煤礦的運輸和工人的安全。

2.3 高應(yīng)力的增加

由于巷道深度的日益加深，高應(yīng)力的形成與擴(kuò)大已成為了，目前一種急需解決的主要問題，而根據(jù)高應(yīng)力的影響，變形軟巖巷道產(chǎn)生了相應(yīng)的走向性。軟巖的失水和吸收，在一些意義上也會引起內(nèi)部軟巖的變化、膨脹和泥化，進(jìn)而損傷巷道，所以，對于較深井高應(yīng)力軟巖的軟弱部分，也會出現(xiàn)較大程度的變化或斷裂現(xiàn)象，當(dāng)遭受其他綜合因素的影響后，將逐步擴(kuò)大而形成所謂的破裂部，從而威脅圍巖的承載力[9]。

3 高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)形式的選取和優(yōu)化

3.1 支護(hù)形式選取原則

3.1.1 一次支護(hù)原則

錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)。一方面這是礦井實現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求，需要長期穩(wěn)定不能經(jīng)常維修；另一方面，這是錨桿支護(hù)本身的作用原理決定的，巷道圍巖一旦揭露，立即進(jìn)行支護(hù)效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護(hù)效果會受到影響。

3.1.2 高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則

預(yù)應(yīng)力時錨桿支護(hù)中放入關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護(hù)時被動支護(hù)還是主動支護(hù)的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)才是真正的主動支護(hù)，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力；另一方面，通過托板、托梁等構(gòu)件實現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的作用范圍，提高錨固體的整體剛性和完整性。

3.1.3 “三高一低”原則

即高強度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。在提高錨桿強度（如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度）、剛度（提高錨桿預(yù)應(yīng)力、加長或全長錨固），保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護(hù)密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度。

3.1.4 臨界支護(hù)強度和剛度原則

錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)強度與剛度，如果支護(hù)強度與剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設(shè)計錨桿支護(hù)系統(tǒng)的強度與剛度因大于臨界值。

3.2 支護(hù)形式和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

未確保該巷道的安全，根據(jù)圍巖變形特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件，綜合前期工程實踐情況，針對該巷道的圍巖狀況，確定采用全錨索錨固注漿支護(hù)，對剛開挖的巷道圍巖及時加上強力的邊界條件，使其具有較強的承載能力，充分發(fā)揮連續(xù)巖體自身的主動承載能力，進(jìn)而抵抗應(yīng)力重新分布過程巷道圍巖的變形移動。優(yōu)化后76.2 號區(qū)段2 號總回風(fēng)巷采用拱形斷面，寬×高=5.3 m×4.8 m，采用全錨索+噴漿+注漿支護(hù)，錨網(wǎng)支護(hù)排距為0.9 m。拱頂支護(hù)錨索長度3.3 m，每排9 根，間距900 mm，加固錨索采用Φ22 mm，1×19 股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度6.3 m，按“5-6-5”布置，排距900 mm，76.2 號區(qū)段2 號總回風(fēng)巷全錨索支護(hù)斷面如下頁圖2 所示。

圖2 76.2 號區(qū)段2 號總回風(fēng)巷全錨索支護(hù)斷面圖（單位：mm）

3.3 全錨索的支護(hù)作用

全錨索（長錨索和短錨索組合支護(hù)）作為一種有效的加固手段，適用于該巷道的補強加固。全錨索的支護(hù)作用主要有兩個方面：將錨桿（或短錨索）支護(hù)形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時調(diào)動深部圍巖的承載能力，使更大范圍內(nèi)的巖體共同承載；錨索施加較大預(yù)緊力，提供有效壓應(yīng)力，與錨桿（或短錨索）形成的壓應(yīng)力區(qū)形成骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保持圍巖完整性，減小圍巖強度降低。

4 結(jié)語

高應(yīng)力軟巖巷道有著最突出的特點，尤其是巷道變形。所以，為保證深部礦井的安全穩(wěn)定，施工單位應(yīng)當(dāng)做好軟巖巷道的保護(hù)管理工作，并針對實際具體情況提出科學(xué)合理的支護(hù)方法，選擇科學(xué)、合理、適宜的礦井深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)工藝技術(shù)，不斷完善深部高應(yīng)力軟巖巷道保護(hù)工藝技術(shù)，以保證煤礦開采工程的順利進(jìn)行。