深部开采软岩巷道围岩失稳控制技术研究

高威力

（山西焦煤汾西矿业两渡煤业公司， 山西 灵石 031302）

0 引言

软岩巷道围岩控制难度高，同时随着矿井采掘深度增加，软岩巷道数量不断增加，传统的支护方式已无法维持软岩巷道围岩稳定[1-2]。深部开采软岩巷道在高地应力、围岩承载能力差等因素影响下呈现出变形速度快、支护体系容易失效等问题[3]。为此，众多的学者及工程技术人员对软岩巷道围岩控制技术展开研究，并提出围岩注浆、砌碹支护、架棚支护、全锚索支护等措施，现场应用也取得一定效果[4-6]。但是在支护松软破碎、高地应力且围岩泥化严重的巷道时，常规的软岩支护效果不佳。本文就以某矿3500 运输上山巷掘进为工程背景，提出综合使用“锚网索+U 型钢架棚+灌浆”方式支护围岩，现场应用取得较好围岩控制效果。

1 3500 运输上山巷概况

1.1 地质概况

3500 运输上山巷位于35 采区，巷道埋深均值为850 m，巷道与上覆11 号煤层间距23 m、与下覆13号煤层间距32 m。3500 运输上山巷服务于35 采区，预计使用时间超过10 年，设计断面为直墙半圆拱型，设计掘进长度1 560 m，采用综掘机掘进，掘进区域内断层、褶曲等地质构造发育，巷道围岩以粉砂质泥岩、泥岩、细砂岩等承载能力差、遇水容易膨胀的软岩为主。

3500 运输上山巷原设计采用锚网索喷支护方式，采用的锚杆为Φ20 mm×2 200 mm 螺纹钢，按照700 mm、700 mm 间排距布置，施加扭矩为150 N·m；支护用锚索为Φ17.8 mm×4 200 mm 钢绞线，按照1 200 mm、1 200 mm 间排距布置；护表用网孔100 mm×100 mm 金属网，规格为1 800 mm×860 mm。在巷道顶部及巷帮均喷射厚度200 mm、强度C20 混凝土。

1.2 巷道围岩变形特征

在3500 运输上山巷支护完成后对围岩变形情况进行分析，具体围岩变形有下述特征：

1）顶板及巷帮围岩变形严重，现场实测发现顶板、巷帮最大位移量分别可达到1 200 mm、850 mm，局部位置出现冒落征兆，给巷道正常使用带来一定安全威胁。

2）巷道围岩变形速度快，变形持续时间长。巷道支护完成后，围岩持续变形，监测发现初期变形量最快可达到20 mm/d，后期变形速度虽然有所降低，但是也达到4 mm/d；围岩变形量持续增加，巷道在后续使用期间需频繁修整。

3）部分位置支护结构失效。随着运输上山巷围岩变形量增加，巷道频繁修整，巷道原有支护体系在大变形、高应力等因素影响下出现锚杆（索）托盘锚空、金属网兜甚至金属网撕裂等问题，容易引起冒顶事故。

3500 运输上山巷现有的围岩支护措施难以满足巷道长时间使用需要，须针对运输上山围岩特征、变形特点等采取针对性围岩控制措施，确保围岩稳定并为后续使用创造良好条件。

2 软岩巷道围岩支护技术

3500 运输上山巷围岩以粉砂质泥岩、泥岩、细砂岩等为主，岩层中含有一定量的黏土性矿物，遇水容易膨胀变形。巷道在掘进扰动、高地应力等综合作用下容易出现持续变形，同时采用的围岩支护体系强度较低，无法适用深度高地应力软岩围岩控制需要。依据现场条件，采用“拱部长锚索+锚杆+钢架棚+灌浆”结合方式进行支护，通过长锚索+高预紧力提高围岩控制能力及悬吊效果，通过钢架棚+灌浆提高巷道表面支护强度。

2.1 围岩控制机理

对于承受较大地应力的软岩巷道，控制软岩变形的关键在于给巷道提供较高的支撑力并强化巷道浅部围岩支护。结合3500 运输上山巷掘进区域内围岩特性、变形特征等，提出的长锚索+钢架棚+灌浆围岩控制原理为[7-8]：

1）采用可伸缩钢架棚对巷道围岩提供较大的作用力。当巷道围岩较大时，U 型钢接头处会出现一定收缩，支护作用力也随之增大，从而在释放围岩应力的同时限制围岩变形。

2）巷道顶部采用长锚索+高预紧力，使得锚索锚固端位于顶板较为稳定岩层中，高预紧力可给顶板一定的作用力，在提高锚索悬吊效果基础上降低顶部围岩变形量；巷帮及顶部全断面布置锚杆可控制浅部岩层变形，并与锚索相互耦合，达到控制软岩变形目的。

3）在巷道表面进行高压灌浆，在高压作用下浆液通过巷道表面裂隙深入围岩中，达到提升围岩稳定性、承载能力目的；同时浆液也可封堵围岩导水裂隙，避免淋水时围岩崩解、软化，达到提升巷道围岩自身承载能力效果。巷道底板灌浆可有效提升底板强度，避免底鼓问题。

2.2 围岩支护参数

3500 运输上山巷断面为直墙半圆拱型，巷道失稳变形主要出现在支护薄弱环节，具体在巷道肩角、肩窝以及底角位置，将巷道断面由直墙半圆拱型优化为马蹄型，不仅可避免巷道支护出现薄弱点，而且通过强化底板支护，达到控制底板底鼓目的。

根据现场实测发现，3500 运输巷表面1 850 mm范围内岩体破碎，为提高围岩锚杆支护效果，支护使用的锚杆规格为Φ20 mm×2 400 mm，锚杆锚固端位于相对稳定的岩层中，可提升锚杆支护效果；巷道断面按照800 mm、800 mm 间排距布置15 根锚杆，每根锚杆采用3 支型号K2350 树脂锚固剂锚固；在巷道底角位置布置2 根锚杆。在巷道顶部布置5 根规格Φ17.8 mm×8 000 mm 长锚索，锚索锚固端位于顶板相对稳定的砂岩层中，锚索间排距为1200mm、1200mm，采用4 支型号K2350 树脂锚固剂锚固。

3500 运输上山巷掘进区域内地质构造复杂，部分位置围岩破碎且受高地应力影响，巷道长时间使用后容易变形量大，因此给巷道表面提供较高的支护作用力并提升浅部围岩承载能力，达到维持巷道围岩稳定目的。在巷道完成锚杆、锚索施工后，沿着巷道表面按照500 mm 棚距架设第一层U 型钢架棚，架棚紧贴巷道断面，各U 型钢连接位置采用3 副卡缆固定，卡缆间距为170 mm；第一层U 型钢架棚施工完成后首先对底板进行灌浆，厚度500 mm，随后按照巷道断面架设第二层U型钢架棚，两层U型钢架棚间距为500mm；在第二层U 型钢架棚上绑扎钢筋、铺设柔模，并进行灌浆，灌浆材质为水泥、砂石，质量配比为1∶2.5。为改善灌浆浆液性质，在浆液中添加水泥用量的3%～5%速凝剂。灌浆时压力控制在0.15～0.18 MPa。具体3500 运输上山巷支护断面如图1 所示。

图1 巷道支护断面（单位：mm）

3 围岩控制效果

3500 运输上山巷采用“拱部长锚索+锚杆+钢架棚+灌浆”方式支护围岩后，布置测点对围岩变形进行持续360 d 监测，具体围岩变形监测曲线如图2所示。从图2 监测结果看出，巷道顶部、底部及巷帮最大收敛量分别为51 mm、36 mm、42 mm，围岩变形量整体较小，可满足3500 运输上山巷软岩控制以及后续长时间使用需要。

图2 围岩变形监测曲线

4 结语

在分析3500 运输上山巷围岩变形量特性以及现场地质条件基础上，判定导致运输上山巷围岩变形量大的主要原因为原有支护参数不合理、围岩为承载能力差的软岩、巷道所在区域地质构造复杂（部分位置围岩破碎）以及巷道埋深较大（受高地应力影响）。为此，提出以强化支护强度、控制巷道围岩薄弱位置的支护方案，具体采用“拱部长锚索+锚杆+钢架棚+灌浆”方式支护围岩。

在拱部采用长锚索可提高锚索悬吊效果，降低拱部变形；全断面锚杆可提高浅部岩体变形控制效果；钢架棚+灌浆可给巷道表面提供较强的支撑力，并与锚杆、锚索一起控制围岩变形。现场应用后，3500 运输上山巷围岩变形量得以较好控制，可满足巷道长时间使用需要。