高應力軟巖巷道圍巖控制技術研究

王其洲 謝文兵，2 祖夢柯

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221000；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221000；3.河南省許昌新龍礦業有限責任公司，河南省禹州市，461670）

高應力軟巖巷道圍巖控制技術研究

王其洲1謝文兵1，2祖夢柯3

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221000；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221000；3.河南省許昌新龍礦業有限責任公司，河南省禹州市，461670）

以鄭州礦區某礦地質條件為基礎，針對該礦的高應力軟巖巷道變形破壞特征進行分析，總結了該類巷道變形破壞原因，提出了高應力軟巖巷道圍巖控制技術，并進行了現場工業性試驗，試驗結果表明，該項技術能夠有效控制高應力軟巖巷道圍巖變形。

高應力 軟巖巷道 巷道支護 U型鋼 結構穩定性

煤礦開采深度逐漸增加，地下井巷工程將位于更高地應力環境之中，尤其構造活動強烈地區，巷道在原巖應力、構造應力和人為擾動的共同影響下，巷道變形破壞嚴重。為了控制巷道圍巖的強烈變形，現階段大部分礦井主要使用U型鋼棚支護、U型鋼＋注漿、U型鋼棚＋錨桿支護等聯合支護技術，但無法有效地控制此類巷道圍巖變形。

1 巷道概況

1.1 地質概況

某礦－15東翼帶式輸送機運輸大巷服務年限較長，巷道地面標高＋245.5～＋247.5m。老頂巖性主要是中細粒砂巖，直接頂是砂質泥巖，直接底為泥巖及砂質泥巖，老底以L7－8灰巖為主，煤層傾角大約20°。掘進過程中揭露的地質構造為單斜構造，巷道穿過的3條斷層落差均在10m以上，并且巷道上部殘存著3＃煤層的煤柱形成的固定支承壓力對巷道的圍巖穩定性影響較大。

1.2 巷道破壞原因

1.2.1 巷道變形破壞特征

運輸大巷采用直墻半圓拱斷面，巷道凈寬為4200mm，凈高3200mm，采用U29型鋼棚支護，棚距為800mm，菱形鐵絲網配合椽子護幫頂，每棚椽子30根，在巷道頂部和兩幫還設有拉桿，柱窩深度100mm。但運輸大巷掘出后不久就嚴重變形，3個月后不得不進行擴修，巷道變形破壞特征如下：

（1）頂板下沉量大。剛擴修過的巷道，U型鋼支架拱部已經出現部分壓平現象。

（2）頂梁向下滑移使下部卡纜拉斷。頂梁與柱體接觸處下部叉開推動下部卡纜向上滑移，上部卡纜與中部卡纜滑移到一起。

（3）肩窩出現不對稱變形。部分支架左幫肩窩壓平，右幫肩窩處出現U型鋼壓彎內凸的現象。

（4）巷道兩幫都強烈內移，內移量達到500 mm以上。

（5）巷道強烈底臌，部分區域底臌量達到300mm。

現場調查表明，現有U型鋼支架難以控制巷道圍巖強烈變形，為此礦方投入大量人力、物力多次進行修復，每次修復后不久巷道又強烈變形，難以保證巷道的使用斷面要求，甚至出現了前修后壞的情況，嚴重影響礦井的正常安全生產。

1.2.2 巷道變形破壞原因分析

（1）巷道圍巖巖性較差。運輸大巷圍巖以泥巖、砂質泥巖為主，不僅巖塊強度較低，而且巖體結構面極為發育，巖體整體強度較低，同時還受斷層構造影響，斷層破碎帶附近巷道圍巖更加破碎，原有節理、裂隙擴展，新的節理、裂隙產生，巷道圍巖整體強度進一步降低。在構造應力作用下，巷道圍巖的穩定性差，巷道圍巖應力水平遠高于圍巖體自身的強度。

大巷中段上部存在3＃煤層的斷層保護煤柱造成巷道上方應力集中。該煤柱距離大巷不足10m，在其形成的集中應力的作用下，巷道圍巖強烈變形，一般的支護難以控制巷道圍巖的強烈變形。在高構造應力和固定支承壓力共同作用下，巷道淺部破碎巖體極易產生強烈剪脹變形。巷道掘出后，巷道圍巖產生強烈流變，整體變形嚴重，單純U型鋼支架或錨網索支護難以控制巷道圍巖的強烈變形。

（2）支護結構穩定性較差。現有的直墻半圓拱形巷道U型鋼支架抗側壓能力較差，理論分析結果表明，頂部拱結構的承載能力遠高于幫部的梁結構，而且頂部拱結構的承載能力受兩幫梁結構的制約，一旦兩幫梁結構產生破壞，頂部拱結構的承載能力隨之急劇降低。以U29型鋼支架為例說明被動支護的實際承載分布，大量工程實踐表明，受巷道掘進爆破質量影響，支架與圍巖相互作用關系較差，支架實際承載分布不均勻，支架實際承載能力僅為理論承載能力的1／3～1／5。

（3）支護圍巖相互作用關系差。U型鋼支架與圍巖作用關系差，使得支架大多局部承載，很容易產生扭曲和滑移，支架容易出現“尖頂”型破壞和支架肩窩處出現“平頂”型破壞。

（4）無控底措施。由于未采取控底措施，巷道底板往往成為巷道變形和破壞的突破口。反復臥底使得巷道圍巖松動圈發育范圍進一步擴大，導致支護承載結構穩定性進一步降低。

2 巷道支護技術方案

2.1 支護技術核心

理論分析可知，不同結構補償形式下U29型鋼支架彎矩分布狀況如圖1所示。

圖1 不同支護組合U型鋼支架實際承載分布圖

由圖1可知，采取U型鋼支架＋注漿等措施控制幫腳的內移，提高幫部結構穩定性，能夠有效改善支護圍巖相互作用關系，實現支架均勻承載，減小支架截面最大彎矩，防止出現局部失穩造成的整體失穩破壞，從而提高巷道支護承載結構整體的穩定性。

針對運輸大巷受斷層構造影響，圍巖極為松散破碎的特點，考慮到該大巷受上覆保護煤柱集中應力影響，采用U29型鋼支架作為基本支護，采用壁后注漿改善圍巖狀態和支護圍巖相互作用關系，并根據巷道圍巖變形特征和U型鋼支架的整體穩定性，采用小孔徑高強預應力錨索再合理實施結構補償，提高U型鋼支架的結構穩定性及其承載能力，并采取措施控制底臌，從而有效控制此類巷道圍巖的強烈變形。

2.2 支護技術方案

（1）巷道頂板及幫部支護方案。根據運輸大巷的使用斷面要求，設計的U29型鋼支架見圖2，U型鋼支架的棚距500mm，支架拱部與直腿搭接距離500mm，棚腳埋深200mm，同時棚腿外扎角5°。搭接處采用3副雙槽夾板卡纜來固定，即：一副上限位、一副下限位和一副普通雙槽夾板卡纜，同時中間普通雙槽夾板卡纜位于搭接處中部偏下的位置。

由圖2可知，U29型鋼支架作為巷道的基本支護，可防止巷道頂板冒落和兩幫強烈內移，U型鋼支架架好后，首先沿U型鋼棚外側（即槽口側）均勻鋪滿一圈菱形金屬網背板，金屬網掛好后用椽子腰幫接頂，使支架與圍巖緊密接觸。

由前面分析可知，巷道頂板拱結構承載能力強于幫部梁結構，因此采用小孔徑預應力錨索對幫部實施結構補償，見圖3，錨索型號?18.9mm×5000 mm，材質為1860鋼絞線，每根錨索采用4支K2350樹脂錨固劑，錨具采用鎖芯為兩半的鎖具。錨索托梁材質為12＃工字鋼梁，采用兩錨索帶一梁、一梁壓三棚的補償方式，具體布置參數見圖4。同時采用注漿加固技術提高巖體的自身強度，注漿孔深度為1200mm，間排距為1200mm×1500mm，漿液采用水泥漿，水灰比為0.6∶1～0.7∶1。

（2）巷道底板支護方案。采用金屬網＋鋼筋梯子梁＋錨桿＋錨索聯合支護控制巷道底臌，見圖5。首先將底板下落到要求的標高，采用高強度鋼筋網護表，鋼筋網表面鋪設鋼筋梯子梁，鋼筋梯子梁排距1000mm，鋼筋梯子梁的長度4200mm，錨桿采用?22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每個錨桿采用2支K2350樹脂藥卷，錨桿托盤采用120mm×120mm×10mm鼓形托盤；錨索使用?18.9mm×5000mm的1860鋼絞線，每根錨索采用4支K2350樹脂藥卷，錨索托盤采用400 mm×180mm 18＃槽鋼，槽鋼梁軸向與鋼筋梯子梁軸向平行布置。

3 試驗效果

該巷道加固過后，課題組對東翼運輸大巷的巷道圍巖變形量進行長期跟蹤觀測，經過近180d的觀測，兩幫相對移近量為53mm，兩幫內移速度0.3mm／d，頂底板相對移近量在30mm左右，頂底板移近速度0.17mm／d，巷道的表面位移量在60d左右圍巖變形基本趨于穩定。采用新型支護技術后，圍巖總體變形量較小，巷道圍巖變形得到有效控制，保證巷道斷面滿足使用要求。

4 結論

針對鄭州礦區某礦的地質條件和巷道變形破壞特征，深入研究分析了高應力軟巖巷道破壞原因，研究提出U型鋼支架＋錨索＋壁后注漿聯合支護技術，通過現場工業性試驗得出以下結論：

（1）U型鋼支架本身具有高承載能力和適應大變形的特點，能夠適應高應力軟巖巷道圍巖應力狀態和變形特點。

（2）小孔徑高強預應力錨索有效改善支架實際承載分布，提高支護體兩幫結構穩定性和承載能力，發揮支護體整體承載能力。

（3）采用壁后注漿明顯改善了巷道圍巖狀態，增強軟巖巷道圍巖本身強度，改善支護—圍巖相互作用關系。

[1] 陸士良，姜耀東.巷道底臌的機理和防治[J].中國煤炭，1995（8）

[2] 劉高，聶德新，韓文峰.高應力軟巖巷道圍巖變形破壞研究[J].巖石力學與工程學報，2000（6）

[3] 荊升國.高應力破碎軟巖巷道棚－索協同支護圍巖控制機理研究[D].徐州：中國礦業大學，2009

Study on surrounding rock control technology of high stress and soft rock roadway

Wang Qizhou1，Xie Wenbing1，2，Zu Mengke3

（1.School of Mine，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Xinlong Mining Limited Liability Company of Henan Xuchang，Yuzhou，Henan 461670，China）

The paper is based on the geological condition of the coal mine in Zhengzhou mining area.The basic deformation and failure characteristic of high stress and soft rock roadway is discussed and analyzed.Meanwhile the paper summarizes the reason of deformation and failure characteristic on roadway by theoretical analysis.Then the paper proffers the surrounding rock control technology of high stress and soft rock roadway.After the field experiment，the result proves that the technology can effectively control the surrounding rock deformation of high stress and soft rock roadway.

high stress，soft rock roadway，shaft and drift supporting，U steel，structure stability

TD353

A

王其洲（1986－），男，山東青州人，畢業于中國礦業大學采礦工程專業，現為中國礦業大學在讀研究生，主要研究方向為巷道支護。

（責任編輯 張毅玲）