深井軟巖巷道支護的應用研究

戚彥貴

（淮南礦業集團 朱集礦井建設項目部，安徽 淮南232001）

0 引言

隨著工業生產對能源需求的不斷增加，煤炭采掘作業已由地表淺部向深部轉移。煤礦開采深度的不斷增加，井下巷道將處于更高的地應力環境中。尤其在地質構造復雜的地區，殘余構造應力比較大，巖石的力學性質也發生了變化，給煤礦巷道支護及穩定性帶來了很大的難度，從而成為制約煤礦企業向深部開采的瓶頸。因此，研究高地應力軟巖環境下巷道科學的支護方式是保證礦井安全采掘深部煤層的關鍵之一，以朱集煤礦深井軟巖巷道為研究對象，對其支護方式進行了研究與實踐，朱集煤礦-906m 水平巷道的頂板以泥質砂巖為主,底板則主要是泥巖,或者巷道賦存與泥、泥砂巖互層中。-906m 西翼回風大巷（北）為軟巖段，由于地壓大，原有的錨網索噴支護條件下出現了嚴重的底鼓現象，由實地觀察，最大的底鼓量達到1m，嚴重影響了巷道掘進的進程。

1 深井軟巖巷道的特征

在高地應力區經常遇到一類特殊巖體，當其處于地表淺部或低地應力條件下，巖體顯示出較堅硬的特征；處于高地應力環境時，當圍壓較低時, 巖體尚具有較高的強度和彈性模量，當圍壓較高時，巖體則表現出軟巖特征。煤礦深井軟巖巷道的變形特征主要有下面幾點：

（1）圍巖變形量大。高應力軟巖自身特征決定了該區域的巷道變形量大的特點, 其中巷道的水平收斂量要比拱頂下沉量要大得多。一般為幾厘米至數十厘米, 表現形式有兩幫內移、尖頂和底鼓。

（2）初期變形速率大。由于水平構造壓應力大于垂直應力, 巷道在掘進時卸載迅速, 來壓快, 表現為巷道的初期變形速率大。

（3）巷道變形具有時效性。巷道圍巖具有顯著的流變性, 表現為明顯的時效性。當巖體流變所產生的圍巖變形過大, 使得巷道支護體無法適應而失效, 圍巖再次惡化并劇烈變形。

由此分析，深部軟巖巷道具有四周來壓、整體收斂、變形強烈等特點，而且初期變形速度通常都在10 mm/d 以上，圍巖劇烈破壞、常常造成支護體失效。因此深井軟巖巷道掘進初期巨大的膨脹變形能必須以某種形式釋放。大斷面預留變形量的U 型鋼可縮性支架支護深部巷道取得了一定的支護效果，但預留變形空間有限、不能充分釋放圍巖變形能，不適應深部軟巖巷道大變形。目前，我國廣泛采用的錨桿支護對于埋深小于800m 的巷道維護效果較好，不能有效支護埋深大于900m 的軟巖巷道。

2 深井軟巖巷道支護原理

根據目前所掌握的有關軟巖力學屬性、 變形力學機制, 以及現場所觀察到巷道大變形、大地壓、難支護的特點，可以認為軟巖巷道圍巖并非具有單一的變形力學機制, 而是同時具有多種變形力學機制的復合變形力學機制。而且認為由于本構關系的不同, 軟巖巷道的支護原理和硬巖巷道支護原理也是截然不同的。對于硬巖巷道的支護不允許圍巖進入塑性狀態, 而進入塑性狀態的硬巖將喪失承載能力。軟巖巷道開挖后, 其巨大的塑性能必須以某種形式釋放出來, 同時, 處于塑性狀態后其圍巖仍具有一定的承載能力。假設巷道開挖后使圍巖向臨空區運動各種力的合力為PT，則軟巖巷道支護原理可表示為：

式中：PT 表示巷道開挖后使圍巖向臨空區運動的合力(包括重力、水作用力、膨脹力、構造應力和工程偏應力等), PD 表示以變形的形式轉化的工程力(可以包括： 彈塑性轉化(與時間無關), 粘彈塑性轉化(與時間有關), 膨脹力的轉化(與時間有關)。對于軟巖來講, 主要是以塑性能變形的方式釋放),PR 表示圍巖自撐力,PS 表示工程支護力。巷道開挖后引起的圍巖向臨空區運動的合力PT 并不是純粹由工程支護力PS全部承擔，而是由PD，PR 和PS 3 個部分共同分擔。因為軟巖巷道支護時軟巖進入塑性狀態不可避免, 而且其巨大的塑性能必須釋放出來,所以軟巖支護設計時必須提供足夠的變形能釋放時間和釋放空間。

3 朱集煤礦深井軟巖巷道的應用研究

朱集煤礦-906m 西翼回風大巷（北），如圖1，開口位于-906m 西翼回風大巷（南）道內。該巷道設計長度280m 其中回風聯巷長度為46.65m，4.66‰坡度施工；該巷道斷面均為錨網索噴支護。

圖1 -906m 西翼回風大巷（北）架棚示意圖

（1）錨網索噴的支護參數及施工流程

-906m 西翼回風大巷（北）采用錨網索噴，巷道凈斷面為寬×高=5000mm×4100mm，超高強錨桿Ф22×2500mm，金屬網Ф6.5×1750×930 mm，錨固劑頂Z2350 每眼2 根、幫Z2850 每眼2 根，噴射混凝土厚度120mm、強度C20，錨桿間排距800×800m，錨索Φ22×6300mm，錨索間排距1500×2000mm，每排3 根。而錨網噴索施工工藝流程為初噴—錨桿施工、掛網—復噴—錨索施工。

（2）架棚澆筑支護參數及施工工藝

錨網噴巷道采用一掘一噴一錨網，每循環進尺1.8m，如遇巖性差時，每循環進尺為1.5m。在圍巖條件好的情況下，可對拱部先進行錨網噴（初噴）支護，錨網噴至拱基線處，幫部支護滯后，滯后距離為30m～40m，待停頭釘道移耙矸機時集中進行復噴和幫部支護（成巷）。在圍巖較破碎或易風化的情況下，必須全斷面一次完成錨網噴支護，且初噴厚度不得小于50mm。掘進與成巷平行作業時：耙矸機前先初噴50mm，停頭釘好道，待耙矸機挪移至迎頭后（移耙矸機前必須把耙矸機機身位置按成巷標準噴好），迎頭掘進與耙矸機后成巷平行作業，待下次停頭釘道之前必須將耙矸機后尾（30～40m）按設計要求成巷。

通過加強支護,有效地控制了底臌的發生,使巷道處于穩定狀態。

4 結語

在深井高應力軟巖環境下，巷道的支護問題已成為煤礦企業向深部煤層發展的第一難點。由于單一的錨網索噴聯合支護在深井軟巖巷道中,雖然可以在短期內適應巷道的變形和壓力變化,但很難在長期的使用中保持穩定。而使用錨網索噴、架棚注漿聯合支護在高應力軟巖巷道、硐室的特殊工程段,能大大改善聯合支護的效果。采用錨網索噴、架棚注漿聯合支護控制巷道變形效果顯著,避免了二次或多次修復,節省了工期,加快了掘進速度,并創造了可觀的經濟效益。朱集煤礦采取的先錨網索噴，再架棚、注漿的支護方式，已經在實際的生產實踐中證明了它的優越性，屬于該條件下巷道的最佳支護方式，可為同類巷道的支護和維護所借鑒。

［1］何滿潮,彭濤,陳宜金.軟巖工程中的大變形及研究方法[J].水文地質工程地質,1994(5)：5-8.

［2］陸家梁.軟巖巷道支護技術[M].長春：吉林科學技術出版社,1995：21-25.

［3］林育梁.軟巖工程力學若干理論問題探討[J].巖石力學與工程學報,1999,18(6)：690-693.

［4］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,2000,19(6)：726-730.