深井軟巖巷道破壞機理及支護技術研究

孫志國

（山西汾西礦業集團水峪煤業， 山西 孝義 032300）

1 工程概況及圍巖破壞分析

1.1 巷道地質概況

某礦由于埋深大、地溫高、圍巖抗壓強度低等原因，熱力耦合作用顯著，通過對其進行支護實驗，解決深部熱力耦合軟巖巷道支護問題。試驗巷道選擇在該礦西翼軌道大巷，該巷道第一層巖性為細砂巖，灰色、淺灰色，夾粉砂巖:其分層厚度為4.0 m。第二層巖性為泥巖，灰黑色，泥質結構；其分層厚度為1.9 m。第三分層為細砂巖，灰色、淺灰色，細砂粒狀結構，以砂巖為主，夾粉砂巖，見植物碎片化石；其分層厚度為2.8 m；累計厚度8.7 m。

1.2 巷道圍巖變形破壞情況

該礦-900 m水平井底車場的巷道和硐室、西翼軌道大巷圍巖主要為泥巖、細砂巖，巷道圍巖硬度、剛度都較小，巷道開挖后圍巖變現出松散、破碎，巷道成型差，支護難度較大，整體性不強，承載能力較低。圍巖頂板、兩幫遇水或吸濕后，表現出明顯的軟化和泥化現象，通過對西翼軌道原巖應力的檢測，得出圍巖水平構造應力較大。巷道圍巖松軟破碎、水平構造應力大等特點嚴重影響了巷道的穩定性，原有的支護方式也不能滿足巷道支護強度的要求；特別是巷道受高應力和熱應力相互耦合的作用，造成巷道的兩幫明顯內擠，兩幫向內錯動，拱肩受切向應力的作用造成噴體開裂，巷道底角失穩，底板發生底鼓現象，底鼓量較大，造成巷道復修率增加。

2 支護方案設計

針對巷道治理中出現的圍巖大變形問題，根據理論分析、礦壓監控對巷道技術預案進行設計，提出具體的穩定控制技術方案和參數，充分運用錨噴、錨索和錨注支護技術（“三錨”支護），并根據圍巖穩定特點，適時實施不同的支護措施。據現有資料分析，西翼軌道大巷預計將穿過DF43斜交正斷層，巷道揭露位置落差為0～5 m，斷層附近附生斷層較發育，圍巖強度較低，對巷道施工影響較大[1-6]。

西翼軌道大巷設計采用錨網索噴一次支護+錨注二次支護。

1）噴漿封閉圍巖。巷道開挖后，采用初噴作為臨時支護，混凝土噴射厚度為30 ～50 mm，通過初噴的方式可以達到封閉破碎圍巖，允許巷道圍巖發生一定的變形，進行讓壓；然后再進行金屬網安裝和錨桿的打設，錨桿預緊力達到要求后再進行復噴。巷道全斷面支護完成之后，打設注漿錨索進行注漿，再進行噴漿。

2）全斷面錨網支護。開挖巷道初噴后，在巷道圍巖上打眼安裝高強預應力左旋無縱筋螺紋鋼錨桿和掛網，進行全斷面高強錨桿與金屬網支護。

錨桿:高強預應力左旋無縱筋螺紋鋼制作，規格Φ20 mm×2 400 mm，間排距800 mm×700 mm，錨桿安設預緊力不低于4 t，安裝扭矩不低于300 N·m，錨索設計錨固力20 t，與內注漿錨桿間隔布置。

錨索:規格Φ17.8 mm×63 000 mm，每斷面布置7根，間排距1 600 mm×2 100 mm，設計錨索錨固力20 t，安設預緊力不低于8 ～10 t。

3）壁后注漿。巷道全斷面支護完成后，打設注漿錨桿，通過注漿錨桿可以使水泥漿滲入內部破碎圍巖，凝固后內部破碎圍巖整體性加強，承載能力增大；為加強錨桿的支護能力，可由端頭錨固改為全長錨固。注漿錨桿:采用無縫鋼管制作，規格Φ25×2 200 mm，間排距1 600 mm×1 400 mm；內注漿錨桿的最終錨固力不低于60 kN，預緊力不低于10 kN，與高強錨桿隔排布置。

3 礦壓監測分析

3.1 監測方案

1）巷道圍巖表面位移。為了能直觀的表達巷道開挖后的巷道變形特點，對巷道表面位移變化進行監測。在所選實驗巷道內設定3個監測斷面:BC-1、BC-2、BC-3（BC-1設置在緊靠掘進工作面迎頭，BC-2、BC-3監測斷面與BC-1斷面依次相距50 m、100 m）。

2）巷道深部圍巖位移。為更直觀的了解巷道開挖后深部位移變化的情況，進行現場監測。位移監測方法采用多點位移計，試驗巷道設置3個監測斷面:SC-l、SC-2、SC-3（SC監測斷面與BC斷面緊鄰），在監測斷面的拱頂和兩幫施工3個測孔，在每個測孔布置5個測點，各測點與圍巖表面相離依次為1 m、3 m、5 m、7 m 和 10 m。

3.2 礦壓監測結果分析

3.2.1 圍巖表面位移變化及分析

位移的時效應，巷道圍巖表面位移變化（見圖1），變化過程可分為三個階段:

圖1 巷道圍巖表面收斂位移與時間關系曲線

由圖1分析可知，BC-1斷面靠近工作面迎頭，受采掘活動影響較大，底鼓量最大，底板下沉最多，前10 d內的平均變形速率約為8.6 mm/d；BC-2斷面與BC-1斷面相比:底鼓量減小，頂板下沉量減小，兩幫收斂位移減小；BC-3斷面與之前兩個斷面比較:底鼓量、頂板下沉量、兩幫最大收斂位移最小，巷道開挖60 d以后，應變速率在1 mm/d以下，巷道變形基本穩定。

圖1表明3個監測斷面的圍巖表面收斂位移都是底板底鼓變形嚴重，拱頂下沉量大于兩幫收斂量，呈現“巷道底鼓量大于拱頂下沉量大于兩幫收斂變形量”的分布規律。

由此可見，巷道失穩最主要的破壞因素是底板變形底鼓，由于底板位置的特殊性，決定了巷道底板的支護往往滯后，且支護強度相對較低，故底板圍巖因應力集中而產生顯著的剪切滑移，由于底板受水浸泡，底板巖石泥化，造成底鼓更加嚴重。對于深部熱力耦合巷道，底鼓嚴重，持續時間長，如果一直落底，會造成巷道頂板和兩幫的失穩，最終將導致巷道整體變形量較大或失穩破壞。因此分析第一個BC-1斷面巷道變形規律，根據巷道的變形特點，對巷道底板進行加固支護，采用反底拱+底角高強錨桿+底角注漿錨桿聯合控制底板底鼓，增強了底板圍巖的強度，底板圍巖抗剪能力增加，有助于抵抗巷道底角處的應力集中，有效地控制了底鼓。第二個BC-2斷面和第三個BC-3斷面的監測結果均表明，巷道底鼓得到了有效控制，底鼓量較小。

3.2.2 深部圍巖位移監測及分析

巷道圍巖表面位移反映的是巷道表面兩點之間的相對位移，然而多點位移計不但可以測量內部圍巖位移，也可以更好的反應巷道的礦壓活動規律，對于檢驗巷道的支護方式的合理性有重要作用。各測點處深部絕對位移隨時間的變化曲線，如下頁圖2～圖4所示。

圖2 SC-1監測斷面圍巖深部絕對位移與時間關系曲線

圖3 SC-2監測斷面圍巖深部絕對位移與時間關系曲線

圖4 SC-3監測斷面圍巖深部絕對位移與時間關系曲線

3.2.2.1 深部位移的時效應

巷道開挖后，圍巖會發生變形，由于應力的變化及重新分布，深部巷道各點處的位移也會發生變化。大體上，巷道深部圍巖位移隨時間的增長呈衰減變化趨勢，位移發展變化過程可分為三個階段:

1）第一階段為劇烈變形階段:巷道開挖后3～21 d左右，巷道深部圍巖各點位移隨時間的變化變化明顯，拱頂處最大變形速率約為6.1 mm/d，左幫最大變形速率約為4.0 mm/d，右幫=最大變形速率約為3.1 mm/d。

2）第二階段為波動變形階段:巷道開挖后21～62 d左右，隨著迎頭向前施工，錨噴網+反底拱+錨注聯合支護作用不斷發揮，巷道圍巖穩定性增強。圖3、4表明，當迎頭距離監測斷面59 d，監測斷面處的巷道圈巖基本上不受采掘擾動，圍巖變形速率變小。巷道開挖45 d左右時，圍巖內部測點都發生不同程度的位移，巷道變形量大，主要是受西翼膠帶大巷的采動影響。

3）第三階段為穩定變形階段:巷道開挖59 d后，經過圍巖應力平衡之后巷道變形達到穩定狀態，應變速率小于1.2 mm/d，變形趨于穩定，通過觀測數據分析得錨注聯合支護的方式可以維持巷道穩定。

3.2.2.2 位移分布規律分析

由圖3分析可知，SC-1斷面靠近施工巷道迎頭，受巷道開采擾動的影響比較大，拱頂測孔距孔口1 m位置的總共位移量、左幫的位移量、右幫的位移量比較大:SC-2測斷面監測數據，拱頂測孔距孔口1 m位置的總共位移量、左幫位移量、右幫位移量都比SC-l測斷面監測數據要小；SC-3監測斷面監測數據與其他兩組比較，拱頂測孔距孔lm位置的總共位移量、左幫位移量、右幫位移量最小。靠近圍巖表面位移大，離圍巖表面越遠位移越小。

分析三個斷面監測結果得出表明:內部圍巖受工作面開挖擾動的影響較大。由于深部熱力耦合巷道開挖后圍巖受集中應力的影響，特別是斷層、褶曲等構造應力較大，且構造出圍巖破碎，整體性差，導致巷道圍巖的應力擾動區和塑性區的范圍較大，圍巖破壞從圍巖表面向內部圍巖發展。

圖2 ～圖4表明，支護條件相同，三個斷面的圍巖深部位移均呈現“拱頂下沉量大于左幫圍巖變形量大于右幫圍巖變形量”的分布規律。由于巷道左幫受相鄰采掘巷道的影響，對巷道產生擾動，左幫圍巖發生大的變形量和變形速率；巷道的開挖引起應力場的疊加，對巷道頂板圍巖影響較大，頂板下沉量最大。

4 結語

西翼軌道大巷破壞嚴重主要原因在于頂板為泥巖、粉砂巖，巖石節理教發育，巷道開挖后成型差，頂板易破碎。由于支護滯后的原因，造成巷道頂板發生變形破壞，巷道兩幫壓力大時，造成頂板應力集中，導致圍巖頂板破壞嚴重，底板底鼓嚴重。提出了深井熱力耦合軟巖巷道的控制對策，針對深部熱力耦合軟巖巷道支護存在的問題，采用了以錨桿錨索錨注“三錨”為主的聯合支護體系，通過現場礦壓監測驗證了“三錨”聯合支護方案的合理性與支護效果。