耦合支護在深部巷道穩定性控制中的應用

張 杰

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

太原煤氣化集團華勝煤礦北運輸大巷埋深在790～805m 之間，巷道圍巖以粉砂巖為主，伴有泥巖夾層，也含有少量的菱鐵礦結核。從巷道開挖情況來看，該地層中包含有較多的植物根莖化石，節理發育也相對較多。北運輸大巷原支護采用錨網索支護，錨桿為Φ18mm×1800mm，錨索為Φ17.8mm×4800mm。在北大巷開掘之后，巷道出現明顯變形破壞，雖進行了兩次拓幫、挑頂、挖底修復，但巷道整體仍在較短的時間內出現較大破壞。

2 北運輸大巷變形破壞特征及機理

2.1 變形破壞特征

（1）巷道圍巖整體變形量較大，變形的速度也相對較快。從現場勘查情況來看，巷道掘進之后，其收斂的速度超過了55mm/d。其中，頂板下沉量最大的位置超過了1100mm，底鼓量最大超過了550mm，兩幫整體相對移近明顯，收斂量在1500mm 左右，巷道底板的軌道多數區段已經被掀翻，運輸大巷已經不能使用。巷道變形破壞圖如圖1 所示。

圖1 北運輸大巷變形破壞圖

（2）巷道圍巖遇水膨脹明顯。巷道圍巖出現了明顯的遇水膨脹泥化的情況，分析導致這種情況出現的原因與巷道中包含有較多的菱鐵礦、蒙脫石等膨脹性軟巖成分有關，在遇水的情況下，出現了明顯的泥化、軟化[1]。

（3）巷道原支護構件出現大范圍失效。巷道頂板、兩幫錨桿、錨索出現的外移情況較多，這說明在巷道圍巖變形的過程中，錨桿、錨索支護體已經失去原有的支護效能，隨著巷道變形量的不斷增加，錨桿、錨索被拉斷，應有的支護作用不能有效發揮出來。

2.2 巷道圍巖變形破壞機理分析

（1）圍巖強度相對較低，整體自穩能力較差。通過從現場取樣，在實驗室選擇使用panalytical 多功能粉末X 射線衍射儀對本次采樣的巖樣進行了分析，得到了粉砂巖、泥巖、粉細砂巖中主要成分以石英為主，同時，菱鐵礦、蒙脫石、鈉長石、斜長石等黏土礦物所含的比例相對較高，遇水容易出現明顯的膨脹，產生的膨脹壓力進一步加劇了巷道的變形破壞[2]。節理與裂隙發育明顯，導致圍巖整體呈現出松散破壞，極限承載能力較低。

（2）周邊工作面采動影響明顯存在，北運輸大巷所處的應力環境較為復雜。從工作面分布情況來看，距離北運輸大巷較近的煤層有9#、10#、11#煤層，這些煤層群的開采，再加上北運輸大巷周邊的硐室、聯絡巷、石門交叉點等開掘，形成非常復雜的應力場，導致北運輸大巷在開掘和使用的過程中出現應力集中的情況。

（3）支護參數設計不夠合理。從原支護方式來看，錨桿支護長度為1.8m，錨索支護長度為4.8m。而通過現場使用圍巖松動圈探測儀測量得到巷道圍巖松動圈的范圍已經平均超過了5m，這說明錨桿支護并不能有效在巷道的淺部形成一個完整的支護結構，錨索支護也沒有將深部穩定圍巖對淺部圍巖的懸吊作用發揮出來。同時，巷道底板未進行支護，導致底板成為了巷道應力釋放的空間，底板的大變形破壞也直接影響到巷道兩幫、頂板的穩定性。從現場勘查情況來看，巷道底板也存在涌水的情況，進一步降低了巷道底板及兩幫圍巖的極限承載能力。

3 巷道返修支護

3.1 返修支護方案設計

設計選擇使用“錨網索+U型鋼+關鍵位置注漿”的耦合支護方式。

（1）錨網索支護。針對原支護方式中錨桿、錨索支護并沒有真正發揮作用的實際，本次返修選擇使用錨桿Φ22mm×2800mm，錨索Φ22mm×6300mm，進行掛網噴漿，確保在巷道淺層形成“錨桿+金屬網+噴漿”初次支護結構，限定巷道圍巖變形，充分調動淺層圍巖的自穩能力。錨索長度的加長更好調動深部穩定巷道對淺層巷道的穩定作用，實現對巷道淺層圍巖的有效懸吊。此外，考慮到巷道底板底鼓明顯的情況，選擇使用錨桿進行針對性的補強[3-4]。

（2）考慮到北運輸大巷所處位置整體應力場較為復雜的實際，設計選用U36 型鋼組成一個外部支護結構。各個鋼支架之間選擇使用鋼條帶連接，更好提升支護體的整體支護效能。隨著巷道變形的不斷增加，U 型鋼支架實現“高阻讓壓”的效果，與錨網索噴之間和巷道圍巖自承載之間形成明顯的強度和剛度的耦合，實現對巷道整體變形的有效控制。

（3）考慮到巷道底板涌水給巷道圍巖穩定性帶來的影響，設計選用注漿錨桿對巷道底板進行注漿加固，實現對巷道底板及兩幫圍巖下部裂隙的有效封堵，更好提升巷道底板和兩幫圍巖的極限承載能力[5]。

具體支護示意圖如圖2 所示。

圖2 巷道返修支護示意圖

3.2 返修支護效果

采用“十字交叉法”對北運輸大巷返修后的巷道穩定情況進行了監測，得到了巷道變形情況，如圖3 所示。

圖3 巷道返修后變形監測圖

從圖3 可知，巷道整體變形得到了較好的控制，在返修后巷道頂底板相對移近量在120mm 左右，巷道兩幫的收斂量在60mm 左右，表明返修支護方案實現了對巷道圍巖穩定性的有效控制。

4 結 語

（1）深部巷道支護相對于傳統的淺部巷道支護表現出較大的不同，傳統支護設計理念已經不能滿足深部巷道支護需求。在深部巷道支護時，需充分考慮各個支護體之間的耦合性，全面提升支護結構之間的整體性才能更好滿足深部巷道支護需求。

（2）在深部巷道支護時，整體的應力場較為復雜，水平主應力已經成為了多數巷道的主應力，在支護設計時，需盡量保持巷道走向與主應力方向一致，這對于降低巷道支護難度非常有利。