千米深井大斷面軟巖巷道聯合控制技術

張廣超 謝國強 楊軍輝 龐茂瑜 張興娜 李二鵬

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.冀中能源股份有限公司邢東礦，河北省邢臺市，054000）

冀中能源股份有限公司邢東礦－980 m大巷埋深達千米以上，圍巖呈現軟巖特性，巷道使用過程中發生持續變形，支護系統損毀嚴重，多次擴刷整修，仍未能有效控制巷道大范圍變形。本文在分析軟巖巷道變形機制的基礎上，結合現場實踐條件，提出了 “錨網梁＋U型鋼支架＋噴漿、壁后注漿”的聯合支護技術，成功解決了－980 m軟巖巷道大變形問題，并為深部軟巖巷道支護提供了技術支撐。

1 工程概況

冀中能源股份有限公司邢東礦位于邢臺市東北約4 km處，井田面積14.5113 km2，地層平緩，傾角一般在10～15°之間。采深600～1300 m，分－760 m和－980 m兩水平開拓，是華北地區煤層賦存最深的礦井之一。－980 m大巷于2006年掘成，半圓拱形斷面，寬4.5 m，高3.5 m，斷面面積為15.75 m2，是邢東礦二水平主要軌道運輸及進風的永久性大巷。巷道埋深1040 m，依次穿過野青灰巖，主采2＃煤層以下45 m左右為灰色和深灰色、含植物化石碎片。

巷道原有支護形式為錨網噴支護，使用不到一年，巷道便出現大變形，頂板下沉量達159 mm，兩幫移近量404 mm，底臌量達132 mm，變形后巷道斷面面積僅為5.58 m2，且變形仍以2.2 mm／d的速度增長，需要不停地進行臥底、刷幫、補強等整修工作，有時還需要處理冒頂。巷道支護系統嚴重破壞，肩、幫部大面積的開裂片幫，多處出現網兜，噴漿層多處開裂，局部甚至出現斷錨索、斷錨桿、斷槽鋼現象。針對邢東礦－980 m大巷破壞特征，需結合軟巖巷道變形機制和支護特征確定相應的控制對策。

2 深井軟巖巷道維護特點及控制對策

2.1 深井軟巖巷道變形機制及支護要點

2.1.1 深井軟巖巷道變形機制

巷道開挖后原巖應力重新分布，在巷道邊緣一定范圍內產生數倍于原巖應力的集中應力，當集中應力超過圍巖強度極限時，圍巖將出現塑性變形，從巷道邊緣到深部一定范圍內出現塑性變形區，同時集中應力向圍巖深部移動。塑性變形區內部分圍巖強度明顯削弱，出現松動破壞，稱為不穩定塑性區；未出現松動性破壞的區域稱為穩定塑性區。在各向等壓條件下，圓形巷道塑性區半徑R與周邊位移u的計算式為：

式中：P——原巖應力，MPa；

Pi——支護阻力，MPa；

r0——巷道半徑，m；

φ——巖石內摩擦角，（°）；

C——巖石內聚力，MPa；

G——巖石剪切彈性模量，GPa。

由式（1）、式（2）可知巷道塑性區半徑與周邊位移主要取決于原巖應力P、反應圍巖強度性質的內摩擦角φ以及巖石內聚力C。與淺部地層相比，深部地層地應力高、巖體松軟、強度低、自穩能力極差，P取值大，C、φ取值較小，因此軟巖巷道塑性區范圍和周邊位移都將劇增，表現為巷道頂板下沉量大，兩幫收斂明顯。此外，軟巖巷道變形具有明顯的時間效應，一般呈現蠕變變形三階段的規律，初始變形速度較大，變形量大，變形穩定后仍以較大速度產生流變，持續時間較長。

2.1.2 深井軟巖巷道支護機理

軟巖巷道淺部圍巖出現塑性變形是不可避免的，其支護關鍵在于充分發揮穩定塑性區圍巖的塑性承載能力。針對初期來壓快、變形大、速度快的特點，應選用同時具備適宜剛度和一定可縮性的柔性支架及時支護，一方面允許巷道出現變形，以便圍巖中形成承載結構，達到塑性區最大承載能力；另一方面又要限制圍巖變形，以免變形過大圍巖破壞而喪失承載能力。針對軟巖巷道后期表現出的較強流變特性，要保證巷道較長時間的穩定和服務期的安全，需選用具有較高支護阻力的支護結構對巷道進行二次支護，二次支護應在初次支護尚未失效，圍巖移近速度已經很小的適當時間進行。此外，軟巖巷道變形破壞是個漸變過程，巷道環向非對稱受壓，往往在兩幫、頂底角等薄弱部位首先出現破壞，繼而引發整個支護結構的破壞失穩，需對薄弱部位加強支護。

2.2 深井軟巖巷道變形控制對策

2.2.1 巷道破壞原因分析

根據上述深井軟巖巷道變形機制及支護機理的分析，綜合－980 m大巷地質生產條件及相關區域巷道破壞特征，認為造成巷道圍巖持續變形的主要因素有：

（1）高地應力是巷道變形失穩的主要原因。－980 m大巷埋深1040 m，地應力高達25 MPa，開挖引起的集中應力系數2～3，圍巖一直處于高應力狀態。

（2）構造應力復雜。巷道為穿層巷道，穿過數個地質層位，且中小斷層發育，地質條件、構造應力復雜。

（3）圍巖強度低、承載能力差。－980 m大巷軟巖特征明顯，屬V類不穩定巖層，圍巖單軸抗壓強度小于20 MPa，圍巖承載能力差，極易發生塑性破壞。

（4）巷道底板未進行有效支護成為圍巖壓力釋放的突破口，引起大面積底臌，進而引發兩幫頂板破壞，導致支護體系承載結構破壞。

（5）支護參數不合理。－980 m大巷圍巖松散軟弱加之多次修復擾動影響，圍巖松動范圍大，錨桿不能錨固在松動圈以外的穩定巖層中，錨固力衰減甚至喪失，難以控制圍巖塑性圈的發展。

2.2.2 千米深井軟巖巷道聯合控制對策

結合邢東礦－980 m大巷地質生產條件，以深井軟巖巷道圍巖控制理論為基礎，提出了 “錨網梁＋U型鋼支架＋噴漿、壁后注漿”的聯合支護方案。該技術方案將錨網梁主動支護和U型鋼可縮型支架初撐力高、支護強度大的優點有機結合，此外壁后注漿又充分提高了圍巖強度，使得支護體系與圍巖相互作用形成共同承載體系，充分發揮圍巖塑性區承載能力，保持圍巖的穩定。其原理分析如下：

（1）錨網梁支護結構具有薄、柔，與圍巖緊貼和早強的特性，是理想的初始支護方案。軟巖巷道開挖后，選擇具有合適預緊力的高強錨桿及時支護，使圍巖封閉處于三向受力狀態，避免錨固區內圍巖離層、滑動和擴容，改善圍巖力學性能，強化圍巖強度，提高塑性區圍巖承載能力；同時支護結構具有一定可縮性，允許圍巖在巷道安全的條件下出現一定量變形，釋放變性能。

（2）待一次支護巷道變形穩定后，選用U型鋼可縮性環形支架進行二次支護，其較高的初撐力和支護強度可以增大圍巖壓力，限制圍巖變形，提高圍巖強度，給巷道提供最終支護強度和剛度；在U型鋼支架和錨網梁間充填袋裝碎渣，可將圍巖壓力均勻作用在環形支架上，改善支架受力狀態，提高圍巖強度，同時實現對兩幫、頂角等薄弱部位的加強支護。

（3）在圍巖表面噴漿封堵了圍巖裂隙，隔絕了空氣，防止圍巖受水以及風化作用的影響而降低本身的強度；低壓力注漿改善了巖體弱面的力學性能，增大巖體內部各結構面的相對位移阻力，提高圍巖強度，改善圍巖狀態，同時加強了錨網梁支護的整體性和協調性。

（4）錨網梁、U型鋼可縮性環形支架、壁后注漿3種支護方式有機結合形成一個多層有效組合拱，即噴網組合拱、環形支架支護拱、錨桿壓縮區組合拱、噴層薄拱及漿液擴散加固拱，多層組合拱共同作用擴大了支護結構的有效承載范圍，提高了支護結構的整體性和承載能力，從而可以對圍巖提供更高的支護阻力，控制圍巖塑性區的持續發展。

3 支護方案及工程效果

3.1 支護方案

綜合理論分析、數值模擬及工程類比法確定－980 m大巷支護方案，巷道支護斷面如圖1所示?，F場擴刷斷面后及時對巷道斷面進行噴漿，噴漿厚度為30 mm，然后進行錨網梁支護，鋼筋梯子梁選用?14 mm雙筋焊接而成，規格為4500 mm×50 mm（長×寬），頂網為金屬編織網，規格為1100 mm×1100 mm（長×寬）；錨桿選用?22 mm×3000 mm螺紋鋼超強錨桿，間排距為800 mm×800 mm，外露長度為10～50 mm，每孔使用S2360和Z2360樹脂錨固劑各一卷；頂板采用?21.8 mm×8500 mm鋼絞線錨索加強支護，間排距為2000 mm×800 mm，外露長度為200～300 mm，每孔使用1卷S2360和2卷Z2360樹脂錨固劑。

圖1 －980 m大巷支護斷面圖

一次支護后，在巷道表面設置測站，監測巷道表面位移，待巷道變形趨于穩定時，采用36U環形鋼支架進行二次支護，支架搭接長度450 mm，搭接段用兩道卡纜擰緊，卡纜間距80 mm，支架間距800 mm，兩架之間用扁鋼連桿連住，每架3根，支架安裝完畢后，在幫、頂處鋪金屬網片，網片上用編織袋裝碎渣充填，支架空幫、空頂處必須充填密實。用道渣、碎石充填巷道底部至規定高度，并在巷道表面噴射混凝土50 mm，及時進行灑水保養。同時在巷道表面布置注漿孔，注漿孔分為3個層次，間排距為1500 mm×3200 mm，深淺孔交錯布置，每排8根，注漿孔深度分別為1 m、2 m、8 m，注漿管長度分別為600 mm、1200 mm、2000 mm，如圖2所示。注漿材料選用42.5＃普通硅酸鹽水泥、水玻璃，水泥漿的水灰比控制在（0.7～1）∶1，水泥漿與水玻璃之比應控制在1∶（0.1～0.3）；設計淺孔注漿壓力第一次為 1.0 MPa，第二次為2.5 MPa，深孔注漿壓力為6 MPa。

圖2 －980 m大巷注漿孔布置圖

3.2 工程效果分析

二次支護注漿后，再次在－980 m巷道表面布置測站，監測巷道表面位移，監測結果如圖3所示。從圖3中可以看出巷道變形在62 d后基本趨于平穩，頂板累計下沉量為88 mm，兩幫累計變形量為207 mm，底板底臌量為92 mm。觀測數據分析表明，采用 “錨網梁＋U型鋼支架＋噴漿、壁后注漿”支護技術后，巷道圍巖強度極大改善，巷道變形得到有效控制，巷道支護體系穩定性和完整性得到提高。

圖3 －980 m大巷圍巖變形曲線

4 結論

（1）冀中能源股份有限公司邢東礦－980 m大巷發生變形失穩是多種因素綜合作用的結果。地應力高、構造應力復雜、圍巖松軟易破壞是其變形失穩的內在原因，支護方式和支護參數不合理是其破壞的外在原因。

（2）深井軟巖巷道變形具有變形量大、速度快、流變性、自穩時間長的特點，軟巖巷道支護的關鍵在于選用合理支護方式實現支架與圍巖相互作用，以充分發揮塑性區圍巖的承載能力。

（3）深井軟巖聯合支護技術即 “錨網梁支護＋U型鋼環形支架＋噴漿、壁后注漿”3種支護方式有機結合，可以提高支護體系的承載能力和整體性，增強塑性區圍巖的承載能力，能夠有效控制軟巖巷道變形，解決了－980 m大巷的支護難題，保證了礦井安全生產，是控制軟巖巷道變形失穩的一種有效方法。

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