高应力软岩条件下巷道支护失稳机理及稳定性控制分析

吴振芳

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 沁水 048200）

1 工程概况

玉溪煤矿1盘区中央辅运大巷承担本矿井的运输任务，设计长度为1560m，设计服务年限为40.1a，埋深在433.9～883.3m之间，平均埋深659m，所在层位主要为粉砂岩。巷道围岩裂隙发育较为明显，含有钙质结核、黄铁矿，同时有厚度为0.25m左右的泥岩夹矸，容易破碎。巷道原支护设计采用的是锚梁网索支护，见图1。巷道在支护之后，围岩出现了严重的明显破坏，先后进行了三次拓帮挑底作业，但是仍旧不能满足巷道正常使用需求，给矿井生产的连续性、安全性带来了较大的影响。

2 大巷变形破坏特征及机理分析

为准确掌握中央辅运大巷变形破坏特征，采取针对性的围岩控制措施，对中央辅运大巷变形破坏特征及机理进行了现场勘查和分析。

2.1 变形破坏特征

根据现场勘查发现，中央辅运大巷出现了全断面变形破坏。巷道底板鼓起量在1.4～1.7m之间，巷道顶板下沉量在1.1～1.3m之间，顶底板平均相对移近量在2.5～2.9m之间，巷道两帮相对移近量接近2.2m。同时，在现场勘查时发现，巷道下部有明显的涌水情况，两帮围岩出现了显著的遇水软化特征，且巷道原支护体上形成了较多网兜，巷道的两帮和顶板处出现了较多的锚杆整体外移的情况。这表明巷道锚杆支护已经失效，支护体已经被拉断。巷道在变形前后的断面图见图2所示。

图1 中央辅运大巷原支护设计图

图2 变形前后巷道断面对比图

2.2 变形破坏机理

（1）巷道埋深较大

中央辅运大巷埋深平均659m，整体的垂直应力较大。对现场巷道所处位置地应力的测试表明，垂直主应力为29.6MPa，最大水平主应力为31.8MPa，最小水平主应力为17.8MPa，侧压系数达到1.7。巷道围岩虽然为强度较高的粉砂岩，但在较大的地应力作用下，导致虽然对巷道进行了三次返修，但是仍旧出现了明显的变形破坏。

（2）巷道松动圈范围较大

为了掌握巷道围岩的变形范围，在本次勘查时，选择使用围岩松动圈测试仪对中央辅运大巷3个断面9个测点的巷道围岩的松动圈的范围进行了测试，对巷道内部围岩变形破坏情况进行了研究。松动圈具体的勘查见表1所示。

表1 中央辅运大巷巷道松动圈测试结果

通过表1可知，中央辅运大巷巷道整体松动圈的范围较大，多数地点均接近或超过了1.8m，属于大松动圈范围。而在原支护中，巷道顶帮锚杆支护的范围最大为2.4m，再加上施工中存在锚杆锚索支护不到位的情况，导致很多锚杆应有的支护效用不能发挥出来，这也是在现场勘查中得到很多锚杆被拉伸出来的原因，这说明原设计中锚杆支护已经失效。

（3）巷道围岩性质影响

中央辅运大巷所处的层位是粉砂岩，从地质资料和现场勘查情况来看，围岩裂隙发育明显，其中含有厚度为0.25m的泥岩夹层，强度较低，遇水膨胀。在这种情况下，巷道围岩整体的承载性能较差，在高地应力的作用下，非常容易出现变形破坏。

（4）巷道原支护方式的影响

从中央辅运大巷原有支护设计来看，巷道设计采用的是普通锚梁网索支护。这种支护方式在浅层的巷道围岩支护中能够取得较好的支护效果，但在深部围岩支护中，已经表现出较强的不适应性。主要是这种支护没有给深部高应力软岩留有充足的释放能量的空间，属于“刚性支护”。这种刚性支护方式在高地应力作用下，非常容易出现支护失效的情况，再加上巷道原支护中没有对巷道底板进行支护，导致底板成为了深部高应力释放的主要空间，这也是本次巷道底板出现变形破坏较大的原因。

（5）地下水影响明显

从现场勘查情况来看，巷道下部有明显的水体侵蚀的影响，特别是底板围岩在长期与水接触的情况下，自身的承载能力与强度会明显降低，特别是围岩中的膨胀性软岩成分，在水体的作用下出现崩解，加剧了巷道围岩变形。

3 大巷返修支护设计

结合中央辅运大巷出现的变形破坏特征及具体机理，本次返修设计采用“锚网索+U型钢闭合环+底板注浆”联合支护方案。

3.1 返修方案支护机理

（1）U型钢闭合环设计采用4节U型钢组合形成一个完整的U型钢支护闭合体。这4节U型钢的接口位置，设置使用卡缆，目的是实现支架可缩量的自动调节。这对于支架更好适应巷道围岩变形，在巷道围岩变形过程中仍旧给予巷道高支护力是非常关键的。中央辅运大巷巷道整体围岩变形量较大，选择使用U型钢支护闭合体可以为巷道支护提供较高的支护承载能力。随着支架变形量的增加，其支护阻力也随着增加，实现“高阻让压”支护，这对于深部巷道支护是非常关键的，有效避免了传统刚性支护的弊端。

（2）锚网索支护是在巷道的顶底板及两帮实施高强度锚杆、锚索支护，对锚索、锚杆施加高强度预紧力，最大限度地提升对巷道表层围岩的预紧压缩效果，实现对巷道浅层围岩的变形限制。设计在巷道两帮打设长度为4200mm、直径为17.8mm的预应力锚索，更好发挥锚索对巷道两帮围岩的支护作用，调动巷道两帮深部稳定围岩对浅部围岩变形的限制作用，从而在巷道浅层形成锚杆+锚索+钢筋网+托盘+巷道围岩为一体支护结构，充分调动巷道浅部围岩、中深部围岩对巷道整体变形的限制作用。

（3）巷道底板注浆支护。考虑到中央辅运大巷下部有涌水的情况，设计在巷道底板打钻注浆，对巷道底板及巷道两帮下部裂隙实现有效封堵，提升巷道底板的承载能力，限制巷道底板及两帮围岩变形。

3.2 支护方案设计

（1）U型钢闭合环支护设计。本次U型钢闭合环设计采用U28型钢，设计的有效压缩量为400mm，4节U型钢搭接而成，每节的长度为4400mm。见图3所示。

图3 U型钢闭合环支护体支护示意图

（2）锚网索支护设计。锚杆支护设计参数为：Φ22mm×2400mm，间排距为800mm×800mm。帮锚索支护参数为：Φ17.8mm×4200mm，位置在距离底板1200mm处，对称布置两根。顶板锚索使用Φ17.8mm×8000mm，对称布置三根，间排距为1600mm×1600mm。其中设计锚杆的预紧力均为65kN，锚索的预紧力均为75kN。

（3）底板注浆参数设计。对称布置三个注浆孔，注浆压力控制在5MPa左右，注浆角度设计外摆15°，间排距设计为1800mm×1800mm。

巷道锚网索支护和底板注浆支护设计见图4所示。

4 支护效果

使用十字布点法对巷道围岩变形情况进行了监测分析，通过观测，得到了巷道围岩变形曲线，见图5所示。

图4 巷道锚网索+注浆支护示意图

图5 返修后巷道围岩变形曲线

从图5可看出，巷道在选择使用新支护方案后，整体的巷道围岩稳定性得到了较好的控制，顶底板最大的移近量接近250mm，两帮的相对移近量接近200mm。这说明新支护方案在控制巷道围岩稳定方面取得了较好的效果。