高應力軟巖巷道支護技術實踐

崔小波

（山西長治市襄垣縣西營鎮上莊煤業，山西 長治 046000）

近年來隨著科學技術的不斷創新發展，煤礦機械設備也在不斷的升級，實現了礦井的高產高效。每年開拓、掘進的巷道工程量在逐年增加，淺部資源的枯竭，再向深部延伸，生產環境的復雜，地應力的增加，帶來了一系列巷道支護難題。許多專家學者對高地應力軟巖巷道進行了分析研究，并解決了不同地質條件下的支護難題［1-3］。本文在借鑒前人的基礎上，對-500 m水平東大巷破壞原因進行詳細分析，提出了相應的支護解決方案。

1 工程概況

某礦-500 m水平東大巷布置在2#煤層底板中，順層掘進，距離2#煤層20～25 m左右，斷面形式采用直墻半圓拱，巷道掘進斷面面積8.8 m2，寬度3.2 m，墻高1.4 m。巷道揭露圍巖主要為砂質泥巖，圍巖節理裂隙發育。巷道在掘進初期圍巖就發生了大變形，出現了噴層開裂，兩幫鼓出并明顯的離層，3個月內兩幫收斂量達到了300 mm以上，頂板下沉，并和上部圍巖之間出現較大的空隙，錨桿、錨索產生失效。

2 巷道圍巖破壞原因分析

根據巷道圍巖應力環境和圍巖巖性綜合分析，巷道破壞的主要原因有以下幾點：

1）圍巖強度較低，巷道圍巖主要是砂質泥巖，節理裂隙發育。取-500 m水平東大巷巖樣砂質泥巖采用X射線衍射圖譜分析方法進行分析，礦物組成成分見表1。圍巖含有較多的蒙脫石和伊利石，蒙脫石有遇水膨脹的特點，伊利有石遇水崩解的特點。砂質泥巖屬于強度低且遇水膨脹、崩解，是巷道圍巖產生大變形的重要原因。

表1 -500 m水平東大巷圍巖礦物成份

2）地應力的大小。-500 m水平東大巷埋深較深，屬于中深部礦井巷道。由于地表高峰與溝谷并存，導致巷道所處區域的地應力變化較大對巷道掘進期間圍巖應力的重新分布具有很大的影響，巷道圍巖應力釋放迅速，巷道變形嚴重，支護困難。

3）巷道支護方式及參數的選擇。根據-500 m水平東大巷地質及生產條件、巷道變形特點，合理的支護形式及參數是控制巷道圍巖變形的重要途徑。本大巷原設計采用的長度l=1800 mm錨桿支護系統進行支護，沒用采用錨索支護，未采用強有力的U型鋼支護，不能保障巷道圍巖的穩定。

4）施工質量的問題。通過對工作現場的調研，存在生產工人責任心不足的問題，導致施工質量不到位，噴漿層不到位，圍巖密閉不充分，造成巷道失穩的隱患。

3 巷道圍巖支護方式的選擇

針對高應力軟弱圍巖的支護形式，大幅度提高支護系統的初期支護剛度和強度，從而保證巷道圍巖本身的完整性，再充分調動巷道圍巖的深部應力，實現協同支護。依據王衛軍教授提出的“內外承載結構耦合平衡原理”，總結原有支護高應力軟巖的經驗，根據現場地質環境，提出了“錨桿、金屬網、U型鋼拱支架、噴漿、注漿和錨索”的聯合支護方式［4-5］。

第一步巷道開挖以后，采用錨桿、錨網、U型鋼拱支架對巷道圍巖進行支護，利用錨桿系統和U型鋼拱支架聯合作用，通過提高支護剛度，達到控制巷道圍巖淺部巖層的目的；

第二步在第一步的基礎上，通過錨索調動巷道深部圍巖，充分利用深部圍巖應力，提高了支護強度，使得深部圍巖外承載結構和巷道周邊的內承載結構協調作用；

第三步通過噴射混凝土、澆筑巷道底板混凝土和注漿封閉圍巖，控制圍巖遇水軟化和風化，同時也控制高水材料的風化。

通過以上三步驟，使巷道圍巖在松動圈之內形成承載能力高、整體性好的“內、外承載結構”，以期達到良好支護的效果。

4 支護參數的確定及支護效果分析

4.1 支護參數的選擇

依據“內外承載結構耦合平衡原理”，提出了“錨桿、金屬網、U型鋼拱支架、噴漿、注漿和錨索”的聯合支護方式，對支護參數進行了優化。

（1）U型鋼支架規格與參數 采用U29型鋼支架，排距700 mm。

（2）為滿足軟巖巷道支護的特殊要求，選用普通的20MnSi建筑螺紋鋼錨桿，d=20 mm，l=2400 mm，錨桿間排距為600 mm×700 mm，全斷面掛鋼絲網和鋼筋梯子梁，見圖1。

（3）錨索采用Φ15.24 mm×6300 mm單根鋼絞線，頂錨索布置在巷道頂板中部；幫錨索布置在離巷道底板1.4 m處，見圖2。

（4）采用水泥單液注漿，加入水玻璃3%(體積比)。注漿孔長度3.0 m，直徑32～42 mm；注漿管為無縫普通鐵管，外徑20 mm，長1.5 m，見圖3。

圖1 錨桿布置

圖2 錨索布置

圖3 注漿孔布置

4.2 支護效果分析

對-500 m水平東大巷采用“錨桿、金屬網、U型鋼拱支架、噴漿、注漿和錨索”的聯合支護方案以后，利用“十字基線法”對巷道圍巖變形量進行為期三個月的監測，監測情況見圖4。從圖中可以發現在監測初期巷道圍巖變形量較大，隨著監測時間的推移，巷道圍巖變形量減小，且趨于平緩，巷道趨于穩定狀態。監測數據表明支護效果良好，達到了預期目標。

圖4 巷道圍巖變形量

5 結語

1）通過現場調研發現，諸多因素中，圍巖強度較低、節理裂隙發育、地應力的大小、巷道支護方式及參數的選擇、施工質量等因素是-500 m水平東大巷破壞的主要原因。

2）“錨桿、金屬網、U型鋼拱支架、噴漿、注漿和錨索”的聯合支護方式對-500 m水平東大巷的支護效果良好，為本礦其它巷道支護或類似條件礦井巷道支護提供一定的借鑒意義。