深部大斷面軟巖巷道的圍巖穩定性控制研究

陳璋林 侯明明 儲丹東

（濟寧礦業集團有限公司霄云煤礦，山東 濟寧 272213）

1 工程概況

1.1 巷道布置

霄云煤礦西翼軌道下山為西翼開拓工程的一部分，用于滿足三采區通風、運輸和行人的需求。巷道斷面為直墻半圓拱形，凈寬5.0 m，凈高4.15 m，其中墻高1.65 m，拱高2.5 m；荒寬5.3 m，荒高4.45 m，其中墻高1.8 m，拱高2.65 m。巷道頂板主要為細砂巖與粉砂巖，巖石硬度系數f=4～6。

1.2 原支護方案

在西翼軌道下山掘進過程中，隨著埋深的不斷增加，巖層的應力狀態發生變化，形成圍巖變形、破壞等現象，威脅巷道的安全性。巷道原支護方案為“錨網索梁+噴漿”聯合支護，如圖1。

圖1 西翼軌道下山原支護方案（mm）

采用MG500 - Φ22 mm × 2400 mm 高強預應力讓壓錨桿，拱頂錨桿間距為800 mm，幫部錨桿間距為750 mm，錨桿排距為1000 mm，預緊力矩300 N·m。沿巷道掘進方向在巷道中心線及兩側各偏2000 mm 施工錨索，按照“1-2-1”邁步式布置。錨索梁采用12#槽鋼加工，長3000 mm，分別距兩端各500 mm 割一錨索孔，孔間距為2000 mm，錨索預緊力設計值為150 kN。

1.3 問題簡述

礦區地應力分布以水平構造應力為主，最大主應力方向近北東-南西，與巷道軸線夾角最大為70°。受水平應力的影響，巷道幫部圍巖變形較大，同時出現明顯的底鼓特征，掘進的巷道在施工半年后便需采取修復工作。當前的支護方案不足以維持巷道在服務年限內的穩定性，需采取優化設計[1-4]。

2 支護優化方案

2.1 錨桿錨索長度與間排距

在錨桿-錨索支護系統中，錨桿的作用主要為在巷道圍巖中形成組合梁或組合拱結構，錨索將錨桿加固拱向巖層深部拖拽，表現為深層懸吊作用。在軟巖巷道的圍巖穩定性控制中，錨桿的作用降低，主要靠錨索發揮作用。結合現有支護材料并考慮一定的富余系數，巷道選取錨桿長度為2.6 m，錨索長度為6.5 m。

錨桿間排距計算采用加固拱，在錨桿錨固力作用下，每根錨桿周圍形成一個錐形壓縮區，各壓縮區彼此聯成一個具有一定厚度的加固拱。依據《煤礦巷道錨桿支護技術規范》（GB/T 35056-2018），計算并選取巷道拱部錨桿間排距為800 mm× 1000 mm，錨索間排距2000 mm× 2000 mm。巷幫錨桿間距取800～1000 mm，排距取1000 mm；錨索間距取1600～2000 mm，排距取2000 mm。

2.2 預緊力設計

為有效控制巷道圍巖的變形和離層，錨桿（索）必須給圍巖可靠的支護阻力。當錨桿材質一定時，支護阻力的大小與桿（索）體半徑的平方成正比。不同型號錨桿的力學性能見表1、表2。

表1 不同材質錨桿拉斷載荷

表2 不同材質錨桿屈服載荷

1）Ф22 mm×2400 mm 錨桿預緊力計算分析。軟巖大巷建議采用MSGLW-22-500 左旋螺紋鋼高強度錨桿，屈服載荷190.1 kN，破斷載荷254.7 kN。根據《煤礦巷道錨桿支護技術規范》（GB/T 35056-2018）中的要求，軟巖巷道宜采用高預應力（大于錨桿屈服力的30%）、高強度（桿體屈服強度大于500 MPa）螺紋鋼樹脂錨桿。現場預應力取錨桿屈服力的35%，即65 kN。

2）Ф21.8 mm×6500 mm 錨索預緊力計算分析。現場大量的工程實踐表明，錨索安裝后多存在預應力損失，原因在：① 錨索鋼絞線在地應力作用下會發生變形，從而產生松弛損失，此為材質源應力損失；② 錨具都存在夾片回縮問題，其中QM、YM、OVM 型錨具鋼絞線的回縮量約為6 mm，由錨具等構件造成的錨索預應力損失可稱為結構預應力損失；③ 巖體本身具備非均質、不連續性和各向異性，圍巖承載過程中往往出現蠕變、流變大變形等，此為蠕變預應力損失；④ 錨索的張拉系統包括油泵、油表、油管和千斤頂等部分，張拉系統的摩擦損失為2%～4%，此為施工工藝預應力損失。

采用Ф21.8 mm 的錨索，其工程使用強度為454 kN，其預應力取工程使用強度的30%，即135 kN。考慮到錨索的預應力損失，本次按照70%，錨索預應力設計為200 kN。

3）錨固參數設計。錨桿采用1 支MSK2550 錨固劑，對應錨固長度為1042 mm；錨索采用2 支MSK2550 錨固劑，對應錨固長度為2024 mm。

2.3 巷道支護優化

采用數值模擬方法對巷道圍巖應力分布狀態進行分析，結果如圖2、圖3。應力集中區主要有向拱頂和底板內部圍巖延伸的趨勢，巷道拱頂和底板塑性區的范圍較大。

圖2 圍巖最大主應力

根據圍巖的應力分布特征，在原支護方案的基礎上增加幫部、底角錨索并采取反底拱，以加固巷道圍巖并防止底鼓情況的加重。新增錨索長度為4500 mm，幫部錨索位于拱基線位置兩根錨桿中間，鉆孔垂直于巷道表面；底角錨索鉆孔位于底角兩根錨桿之間，下扎10°～30°，具體位置和方向以滿足現場施工可行性為宜。新增錨索與拱頂錨索形成五花布置，如圖4。

2.4 支護應力場分布特征

以錨桿預緊力50 kN、間排距1000 mm×1000 mm 為例，單根錨桿在圍巖表面形成的有效支護應力平均為0.05 MPa，故以圍巖中支護應力達到該值時作為有效支護應力場。上述支護方案的應力場分布特征如圖5。

圖5 圍巖有效支護應力場

支護應力場主要分布在錨桿支護圈內，錨索錨固端形成小范圍有效支護應力區，錨索托盤端支護應力最大，達到0.5 MPa。在研究錨桿、錨索預應力場的基礎上，得出所設計的優化支護方案在巷道圍巖中形成可靠的支護圈層，其范圍超出圍巖塑性區的發育區間，可以維持巷道圍巖的穩定。

2.5 應用效果

采取優化支護方案優化后，采用十字布點法對巷道變形進行監測，結果如圖6。原支護方案條件下頂底板最大移近量達到500 mm，兩幫移近量為350 mm。采取優化方案后圍巖的持續變形時間段明顯下降，巷道位移量不超過180 mm。現場觀察結論驗證了優化方案的安全性、有效性和穩定性。

圖6 巷道位移監測

3 結論

針對霄云煤礦深部大斷面軟巖巷道的圍巖穩定性控制難題，以當前階段正在掘進的西翼軌道下山為例，分析了巷道圍巖的應力場和屈服特征，提出了對應的優化支護方案和參數。實踐檢驗證明，所采取的控制策略合理有效。