深部高應力條件下官地礦中四區軌道巷返修支護措施分析

孫 樂

(山西焦煤集團官地礦，山西 太原 030022)

1 工程概況

官地礦中四區軌道巷位于正前巷道3 150 m，主要為正前巷道中四采區運輸人員及物料。中四區軌道巷沿8#煤層，老頂為泥巖，直接頂石灰巖，直接底8#煤，老底細粒砂巖，瓦斯絕對涌出量0.5 m3/min，煤(礦)塵爆炸指數23.17%，煤層自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，巷道埋深在820 m～836 m。從巷道掘進情況來看，巷道所處地段的地質條件較為多變，設計采用錨網索支護，巷道在原支護條件下，出現了較為明顯的變形破壞問題，嚴重影響到巷道使用效果。

2 中四區軌道巷變形破壞特征

從現場勘查情況來看，巷道主要變形特征為：

首先，巷道頂板和兩幫變形較為嚴重。在已經掘進完成的巷道中礦壓顯現非常劇烈，多數巷道在掘進完成之后的兩周內，頂板下沉量均超過400 mm，兩幫收斂量超過500 mm，巷道呈現出“Ω”形，全斷面變形破壞明顯。

其次，巷道變形持續時間較長。不論是已經掘進了較長時間的巷道還是剛剛掘進的巷道，巷道蠕變就長期存在，且蠕變速度表現出較大的波動性，“時快時慢”的特點較為明顯。

第三，底鼓問題非常突出。因為在原支護的初期，忽略了對巷道底板的支護，導致多數地段的底鼓量超過了800 mm，底板噴層出現了非常嚴重的撕裂，幾乎所有噴漿層均沿著底角或者中軸線抬起，由于底鼓量較大，導致巷道局部斷面出現了明顯的收縮。

3 中四區軌道巷變形破壞機理

3.1 巷道所處地段的地應力復雜

在巷道內設置了3個測點對巷道所處地段的地應力進行量測。得到的測試結果見表1所示。通過表1可知，水平應力為最大主應力，最大值達到了33.25 MPa，與深部開采實踐相符合，水平應力已經成為深部圍巖的最大主應力； 測壓系數平均值達到了1.34，測壓系數較高，巷道所處的地應力環境較為復雜；垂直應力平均值達到24.41 MPa，與根據上覆巖層容重與厚度計算的垂直應力基本相同。從地應力測試結果來看，巷道屬于較為典型的深部高應力巷道，在高應力作用下，很多本身較為堅硬的巖石，也表現出軟巖的特性，也就是“工程軟巖”，給巷道支護提出了更高的要求[1-3]。

表1 原巖應力量測結果 MPa

3.2 圍巖內部變形情況與圍巖特性研究

選擇使用X射線衍射儀對巷道圍巖礦物成分進行研究，得到巷道圍巖中包含有較多的云母、高嶺石等膨脹性軟巖成分，這類礦物成分容易出現膨脹風化、泥化軟化的問題，給巷道穩定性帶來的威脅較為明顯。同時，對巷道開展了窺視孔試驗，試驗結果表明，在兩幫孔口到孔內的65 cm～85 cm范圍內，巖體較為完整；在65 cm～145 cm范圍內巖體極為破碎；在100 cm～300 cm范圍內巖石較為破碎；在300 cm～420 cm范圍內巖體有明顯的裂隙；超過了420 cm后，巖體整體較為完整。通過鉆孔窺探，表明巷道松動圈的范圍在4 m左右。

3.3 原支護方式分析

從深部巷道支護實踐來看，若巷道處于泥巖等地質條件下，在巷道開挖后，會產生較為劇烈的應力重新分布，若不能提供出足夠的徑向支護強度，巷道通常情況下會出現較大范圍的變形破壞，在原支護條件下，錨網索支護所能夠提供的支護強度非常有限，圍巖應力峰值位置較為深入，導致巷道圍巖處于較為不利的二次應力分布狀態，再加上巷道圍巖強度相對偏低，在高應力作用下，極易達到圍巖屈服極限，導致應力重新分布的范圍逐步向圍巖深部拓展，裂隙進入到持續發育狀態，圍巖松動圈的范圍更大，原支護條件下的錨固效果逐步下降甚至錨固失效。因此，巷道原支護設計不夠科學是導致巷道出現大面積變形破壞的主要原因之一[4-7]。

4 中四區軌道巷變形破壞返修支護分析

4.1 返修支護機理

從當前巷道穩定性控制實踐來看，對于受到高應力環境、支護設計條件、圍巖形式等方面因素而影響到巷道穩定性的巷道，特別是對于底板鼓起量較大的巷道圍巖，在進行返修支護時，主要可采取圍巖卸壓、優化支護等方式。結合本次巷道出現的變形破壞問題，本次提出“錨網索噴+局部注漿加強+局部卸壓”復合返修支護方案，主要支護機理[8]為：

首先，在頂板打設錨索，通過錨索作用，充分發揮深部穩定圍巖對淺部圍巖的限制作用，形成淺部頂板圍巖和深部頂板圍巖相互協同的變形體系，不僅有助于限制頂板淺部圍巖的變形破壞，同時，對于淺部圍巖所處的應力環境也能夠有效改善，從單軸應力狀態轉變為三軸應力狀態，推動淺部圍巖所承受的高應力向深部轉移，有效保證淺部圍巖的穩定性。

其次，在頂板與兩幫仍舊打設錨桿，更好提升淺部圍巖和錨桿所形成的支護結構的支護范圍，頂板錨桿與錨索形成深淺兩個支護殼體，有效改善頂板圍巖所處的應力條件，增強頂板支護效果。巷道兩幫錨桿長度也從原有支護條件下的2 000 mm增加到2 400 mm，更好發揮錨桿對兩幫的支護限制作用。

第三，在巷道兩底角打設注漿錨桿。考慮到巷道底板中包含有較多的膨脹性軟巖成分，同時也受到了底板水的影響而給巷道整體穩定性帶來較大的威脅。返修設計在巷道兩底角打設注漿錨桿，通過注漿的方式，實現對底板圍巖出現的變形破壞裂縫有效封堵，提升巷道底板圍巖的整體性，增強底板圍巖的極限承載能力。此外，通過在兩底角打設錨桿的方式，也有助于在底板形成一個“錨桿+注漿液+底板圍巖”的復合支護結構，共同抵抗高應力對巷道底板帶來的威脅。

第四，在底板開展局部卸壓。通過設計卸壓槽的方式，為巷道圍巖底板變形預留出一定的變形空間，將底板的高應力有效釋放，在巷道底板形成“弱結構”，這個“弱結構”可實現對底板有控制的應力釋放，圍巖變形量也可得到有效吸收，對圍巖應力場分布情況實現有效改善，推動巷道底板應力峰值向深部圍巖轉移，讓巷道底板處于應力降低的區域內，實現對巷道底板的有效保護。

4.2 返修支護方案設計

結合巷道實際情況，對巷道進行了重新設計，具體見圖1所示。

圖1 巷道返修支護方案(mm)

4.3 返修效果分析

在返修支護方案實施后，選擇使用“十字交叉法”對巷道變形位移情況進行了觀察，得到巷道位移曲線見圖2所示。從圖2可知，巷道整體圍巖得到了較好控制，圍巖總體變形量相對于返修之前有了明顯下降，這表明，返修支護方案較好滿足了巷道穩定性控制要求。

圖2 大巷返修后圍巖位移曲線

5 結語

1) 深部巷道在“三高一擾動”的影響下，表現出相對于淺部巷道不同的力學響應機制，在深部巷道支護過程中，需充分結合深部巷道所處地質條件，對支護設計方案進行優化。

2) 在深部巷道支護過程中，應結合巷道地質條件，對敏感位置、關鍵部位進行強化支護，不僅有助于提升支護效果，還有助于控制巷道支護成本。