高应力膨胀性井巷支护技术研究

吴晓伟

（同煤集团永定庄煤业公司，山西 大同 037003）

大同煤矿集团永定庄煤业主采煤层上部顶板、伪顶多层状强度较低的泥岩、页岩、砂质泥岩，节理和裂隙发育，约45%的巷道受到层状破碎及其他散体结构等不良地质条件影响。软岩以泥质矿物为主，其中泥岩黏土矿物占比为75～78%之间。开采煤层主要位于垂深400m以下，地应力较高。煤层围岩多呈现出可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性等特点。二水平整体埋藏深度在400～450m之间，井下车场、各运输大巷总长超过5000m，巷道在完成一次和二次支护后有57%巷道出现不同程度破坏。因此，研究深井高应力软岩巷道的支护非常必要。

1 软岩井巷变形分析

1.1 变形特征

根据对高应力软岩围岩稳定性和变形机理的特征研究，其表现形式为以下几个方面：

（1）围岩变形量。全煤巷软岩围岩井巷的破坏主要出现在顶底板以及两帮，破坏程度十分明显，巷道断面收缩率能超过80%以上，顶板垮落、严重底鼓和大面积片帮发生几率也较高。

（2）围岩变形速率。均质的煤体围岩所受到的构造应力，水平方向大于垂直方向，因此即使表面的井巷平衡后，流变趋势仍然存在，因此该类围岩变形速度大。

（3）围岩变形时效。由于软岩的流变性，其不可能达到稳定性状态，围岩各个方向上的变形随着时间缓慢变化，明显的变形需要构造应力在时间上积累到一定的程度，所以说软岩的变形具有时效性。

1.2 软岩平衡拱机理

实际井巷开凿过程中围岩发生塑性变形和断裂后，承压状态下仍然保持承载能力，围岩变形、片帮和冒落到一定程度会与垂直应力平衡，围岩呈现自稳状况，称为“自稳平衡现象”。井巷的顶板应力会随井巷的开凿而重新分布，垂直方向受到地应力会逐步减弱至零甚至出现相反悬拉应力，水平方向也会随挤压应力转化为局部拉应力。井巷顶板受到的挤压应力会在围岩中形成“拱状承载结构”，这种平衡状态被称为“自稳平衡拱”，这种理论被称为“自稳平衡拱理论”。在此理论中，根据井巷的岩体受力状态，由于在垂直方向受到拉应力可能存在冒落危险，水平方向受到剪应力的岩体单元体可能存在片帮等危险，根据危害程度分为稳定区、挤压受压区、易冒落区，见图1所示。

图1 岩体稳定性分区

岩体的破坏状态以及应变随应力变化趋势，岩体随应力作用当达到残余强度时出现细小裂纹，当应力继续增加达到屈服强度时会发生不可逆的塑性变形，岩体塑性破坏阶段的承载力会随变形而下降，但还会具有承载能力，当到达破碎的强度极限会直接发生岩体破碎。

2 支护方案设计

永定庄煤业二水平各车场及主要巷道施工一次支护主要采用锚网喷，二次支护锚网喷以及钢筋混凝土砌碹。整体支护效果不理想，仍有巷道处在变形、收帮、底鼓等现象，并且围岩初期变形速率较高，变形持续且不易稳定。分析后认为存在以下问题：一次支护支护强度设计值较低；施工过程中锚固剂效果、喷浆配比、施工厚度等施工的细节控制不当；支护方式仍然采用硬岩的“先让后抗”，不适于软岩支护。

通过分析，决定对其进行修改。先将支护方式更改为：一次支护仍采用锚网喷支护，但提高了支护强度，改为强力锚网喷支护；二次支护改为锚注支护；同时在易出现底鼓现象的巷道设置底板反拱。

2.1 支护方案优化

（1）一次支护。一次支护所采用的加强锚网喷支护，将螺纹钢树脂锚杆由直径20mm改变成22mm，同时使用全长锚固，锚杆整体长2.5m，预紧力124Nm，锚杆间距600×600mm。金属锚固网选择网孔大小100×100mm的10mm圆钢网。巷道喷涂100mm厚的C30混凝土浆，凝固后一次支护完成，并且及时设置巷道变形监测站，监测围岩矿压变化情况，当变形速率满足预留变形量要求的范围后，即小于150mm/d且趋于稳定后可开始下步操作，通常情况下为25～30d后正式开始二次支护。根据现场矿压监测站监测数据显示，最大变形速率315mm/d，15d变形稳定后18～20mm/d。

（2）二次支护。相对原来二次支护方式调整为锚注方式，锚杆调整为直径27mm的钢管，锚杆长度2.4m，间距250×250mm，注浆材料为超高水材料，材料以铝土、石膏、石灰以及缓凝剂等组分组成，实际使用过程中注浆材料为a、b料两种，注浆前混合使用。注浆孔深度为巷道直接顶高度，一般取2m，注浆渗透扩散半径通常为3m左右，所以锚杆间距范围在2.5～3.5m，锚杆与底板角度呈45°。注浆压力选择5～6MPa，注浆应完全充满围岩周边裂隙为止，由于围岩性质为破碎性较高的软岩，实际操作过程中浆液可能会从相邻锚杆、附近围岩裂隙流出。锚注支护主要特点为内注外锚，有效改善有节理、裂隙发育的松散软岩结构，封闭围岩裂隙，提高粘结力，同时防止裂隙水对矿体围岩的侵蚀。

（3）底板反拱设计。为防治软岩巷道严重底鼓，首先应调整巷道宽度，设计过程中应将预留变形量增加至15%，同时根据巷道情况设置必要的底板反拱。

高应力-膨胀性软岩围岩具有变形量大、围岩易破碎等特点，同时底板易出现较大变形量，易底鼓突出，严重时可到达600～700mm。下山巷道断面跨度为3500mm，服务周期长，围岩性质底鼓明显、两帮偏移严重。顶板沉降破坏是由两帮松动造成的，针对不同岩性结构的井巷，需要采取不同的技术处理措施：对于较好岩性的砂岩巷道，可只调整锚杆支护参数，强化对围岩两帮、底板的控制措施，避免改变井巷断面设计参数；而岩性较差的软岩巷道，应尽量调整断面尺寸，从而提高巷道稳定性。下山巷道尽量保持原设计尺寸，在一、二次支护的作用下控制井巷顶板、两帮。其次对底板采取反拱设计，设计深度600mm，同时采用锚网喷封闭，喷涂厚度也应达到100mm。

2.2 支护效果

通过优化支护，加强了对巷道顶板与两帮的控制；通过反拱设计，控制了底鼓突出现象。方案实施后，没有再出现大范围的巷道破坏和碎裂现象，也没有出现底鼓影响巷道使用的现象，安全性得到了提高。另外，由于巷道围岩稳定性得到控制，减少了对巷道维护的工作量，节省了维护费用。

3 结论

在分析软岩巷道围岩变形特点的基础上，对一次支护、二次支护方式进行优化，针对底鼓现象提出了底板反拱设计。方案实施后，没有再出现巷道大范围破碎和底鼓现象，说明该方案可以提高巷道稳定性。