復雜應力下穿層軟巖巷道變形原因及支護技術

王貴平

（1.冀中能源邯礦集團 礦山管理分公司，河北 邯鄲 056105；2.山西通洲集團 安神煤業，山西 長治 046500）

0 引言

山西通洲集團安神煤業開采過程中，地質條件十分復雜，主要表現為在區域水平擠壓運動的整體作用下，井田內地質構造密集發育，尤其以斷層、褶曲構造等為主，整個井田內，在開采過程中實際揭露的斷層約1 500 多個，每平方公里范圍內，平均發育26 個斷層地質構造。斷層導致煤層重復、缺失、增厚、變薄，甚至不可采，極大地影響了工作面回采巷道的布置、支護和安全回采。根據礦井實測，安神煤業24 采區自重應力為10.74 MPa，南北方向水平應力17.25 MPa，沿東西方向水平應力達到28.7 MPa，分別為自重應力的1.7 倍和2.8 倍。由于煤田整體受到的水平構造應力大，造成水平方向作用的力較大，對于巷道頂板、底板受水平擠壓產生的彎曲破壞，和兩幫受水平擠壓產生的鼓出變形破壞，較為嚴重，現有支護技術無法有效解決此種類型條件巷道變形控制問題。煤層底板巖性為泥巖—泥質砂巖，含有大量蒙脫石等，膨脹性極強。由于地層傾斜，水平布置的開拓巷道均需要穿越多個地層，形成穿層巷道，造成巷道圍巖巖性發生較大幅度的變化。同時，在地層中分布有各種斷裂、褶曲構造，且圍巖中含有煤線、炭質泥巖等夾層，水平構造應力較高，圍巖軟弱具有吸水膨脹性等，造成巖巷大多存在穩定時間短、破壞嚴重、多次返修的狀況，巷道安全、穩定性差，造成準備時間長、采掘接續緊張、多次返修導致大量人力物力損耗，對煤礦支護安全造成威脅。目前礦井巖巷支護形式有U 型鋼架棚支護、金屬錨桿錨索網聯合支護，以及支架和錨網索聯合支護等支護方式，無論是哪一種支護形式均不能有效解決該礦在穿層中掘進巷道的支護問題，支護效果較差，出現了前掘后修，反反復復維護的被動局面，不僅造成了工期嚴重滯后，資金損失，還占用了大量的人員，整體支護效率不高，極軟圍巖條件下巷道支護問題仍未得到有效地解決。因此，針對復雜應力條件下穿層軟巖巷道在復雜地質條件下的支護難題，本文在實踐基礎上提出了采用錨桿支護的擴容—穩定理論及高強高剛高預應力支護體進行一次支護，用高性能錨桿、錨索材料有效解決復雜應力穿層軟巖條件下巷道支護難題，為礦井的正常生產服務，同時也為我國類似條件下軟巖巷道支護問題提供有益的參考。

1 概況

1.1 巷道布置情況

2410 底板道位于礦井西翼24 采區，掘進層位位于四煤層底板下20～30 m 左右。該巷主要為2410 底板巷道提升服務，兼顧通風、行人之用，巷道設計服務年限為20 a，設計長度360.5 m。

巷道四鄰采掘關系，北東為24 區保護層軌道下山；北西為24 區保護層總回風下山下段；南東為+300 四號石門南西段。巷道上部四煤層還未回采。

2410 底板道提升運輸巷井下標高為+263.3—+338.8 m，地面標高為+809.5—+1 003.5 m，對應地表為山區斜坡地形。巷道埋深為546.2～664.7 m。巷道頂板、底板、兩幫均為巖石，巷道在掘進過程中穿越的巖層主要有黏土巖、泥質頁巖、泥質砂巖、炭質泥巖、薄層煤線等巖層，主要為軟巖類巖石，硬度低至f=2～4。

2410 底板道采用直墻半圓拱形斷面，巷道凈寬3.8 m，巷道凈高3.5 m。

1.2 地質條件

（1）地應力條件。經過采用水壓致裂法測試地應力水平，所獲結果顯示，該礦井田主要呈現以高水平應力為主的地應力類型，其中最大水平主應力值為20.5 MPa，垂直應力值為15.8 MPa。最大水平主應力方位為N84°W，最小水平主應力方位為N69°W，垂直應力方位為N48°W。礦井整體地應力水平為中等偏應力。

（2）圍巖強度。頂板以上0～3.1 m 為粘土巖，3.1～6.2 m 為砂質泥巖，6.2～10.0 m 為粘土巖。其中砂質泥巖自然抗壓強度為37.1 MPa，飽和抗壓強度為16.1 MPa，軟化系數為0.43，抗拉強度為2.83 MPa；而粘土巖強度更低，其自然抗壓強度為4.4 MPa，飽和抗壓強度為1.56 MPa，軟化系數為0.34，抗拉強度為0.05 MPa。巖性強度低，遇水容易軟化。煤的單軸抗壓強度為13.78 MPa，抗拉強度為1.89 MPa，煤的強度較低。

（3）底板巖體中黏土礦物占到64.7%～77.8%，平均69.8%。黏土中含有伊蒙混層遇水膨脹成分和高嶺石、綠泥石類遇水泥化成分，其中以高嶺石、綠泥石類為主，黏土易發生泥化。

（4）地質構造分布情況。巷道在掘進過程中，實際揭露了較多斷層，造成巷道圍巖被構造節理切割，圍巖整體破碎，節理裂隙發育。

（5）水文條件。該巷上賦煤層均未開采，無老空區積水和鄰近巷道積水的影響，構造也未導通含水層，整體無水的影響，水文條件簡單。

綜上所述，巷道圍巖整體處高水平應力區域，受構造應力影響顯著，巷道圍巖強度較低、結構破碎，巖體中含有遇水膨脹、泥化的成分，給巷道支護帶來很大困難。

2 礦壓顯現特征及原因分析

2.1 現有支護參數

2410 底板巷道采用錨桿錨索支護，巷道表面噴射混凝土進行封閉。錨桿規格為φ20 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿，間距750 mm，排距750 mm，垂直巷道表面布置，單根錨桿采用1 卷Z2360 樹脂藥卷錨固，錨固力不小于70 kN，錨桿預緊力扭矩150 N·M。錨桿托盤采用150 mm×150 mm×8 mm普通鋼材質蝶形托盤，未使用減摩墊圈和調心球墊，錨桿支護受力狀態較差。圍巖護表構件采用鋼筋網，規格為φ6.5 mm 鋼筋，鋼筋采用點焊，網孔150 mm×150 mm，單個網片尺寸為1.5 m×2 m。錨索采用φ15.24 mm×6 300 m，排距2.0 m，間距1.5 m，單根錨索采用2 卷Z2860 樹脂藥卷錨固。在錨桿索施工完畢后，對巷道圍巖實施噴漿封閉，封閉厚度100 mm，采用砂子、水泥、水混合按一定配比，混凝土標號為C20。2410 底板道支護參數如圖1 所示。

圖1 2410 底板巷支護斷面示意Fig.1 Section of 2410 floor roadway support

2.2 巷道變形特征

（1）變形速度快，持續性強。2410 底板巷道掘出2 個月后隨即發生變形，巷道進行加固后，很快又發生變形。

（2）全斷面變形。巷道全斷面發生變形，主要以頂底板變形和兩肩變形為主，其中顯著的特征是頂板下沉、尖頂、兩肩破壞和底鼓。底鼓已發展到接近腰線位置，約750 mm 底鼓量。

2.3 巷道變形原因分析

（1）構造復雜、斷層切割嚴重。地質構造復雜，揭露斷層多達1 500 余條，巷道受斷層切割嚴重，巖性變化大，巷道整體結構發生變化，造成穩定性降低。

（2）構造應力影響。當巷道受到較高的水平構造應力作用時，由于頂板和底板均為沉積巖層，在水平力作用下會發生向下和向上的撓曲變形，導致頂板向下彎曲離層，底板向上鼓起離層。同時，水平應力還會在頂底板中產生水平剪切錯動作用，導致頂板和底板同時發生撓曲離層作用和剪切錯動作用，巖層由巷道表面逐漸失穩向深部巖層發展，隨著變形破壞由淺部向深部發生，水平應力釋放，向深部集中，引起深部巖層進一步離層和錯動，最終導致頂板下沉和底板鼓起現象。另外，兩幫部在高水平應力作用下，在巷道中部產生顯著的拉應力集中，導致幫部發生破壞，鼓幫現象嚴重。因此，高水平應力作用下，巷道會發生明顯的頂板下沉、底板鼓起、兩幫鼓出現象，是造成圍巖破壞的重要原因之一。

（3）圍巖巖性軟弱。巷道所穿過的巖層為粘土巖、砂質泥巖、泥巖、頁巖、煤線等軟弱巖體，其中砂質泥巖遇水后的抗壓強度出現較大幅度下降，由干燥狀態下的43 MPa 下降為15 MPa，下降65%。黏土巖遇水后的抗壓強度出現下降幅度更大，由干燥狀態下的43 MPa 下降為14 MPa，下降73%。巖石強度低，遇水易軟化。泥巖中粘土礦物占到69.8%。黏土中含有伊蒙混層遇水膨脹成分和高嶺石、綠泥石類遇水泥化成分，其中以高嶺石、綠泥石類為主，黏土易發生泥化。強度低、遇水軟化、泥化且具有一定膨脹性是巷道圍巖的特點，這對巷道的穩定造成不利影響。

（4）施工質量難以保證。施工工藝造成兩幫下部錨桿施工有滯后，錨索施工幾乎全部滯后。錨桿、錨索三徑不匹配。兩幫錨桿鉆孔太深，部分錨固劑無法得到攪拌，有效錨固長度過小，且現場錨固劑包裝袋過厚，不利于攪拌錨固。錨桿托盤與鋼筋網孔尺寸相同，造成護表能力差，另外由于巖面不平，鋼筋網剛度大，錨桿托盤無法密貼巖面，不能有效護表。施工現場無有效的錨桿預緊裝置，造成錨桿預緊力偏低。

（5）支護材料不匹配。井下鋼筋網網孔偏大，錨桿托盤無法起到有效的護表作用，更不能實現預緊力的擴散。錨桿構件無調心球墊和減摩墊片，無法適應巖面的變化和實現預緊扭矩的轉化。錨固劑包裝袋為硬質塑料包裝，攪拌過程中可能存在攪拌不均勻的情況，影響錨固效果。

3 支護對策及設計

（1）對松軟破碎類圍巖噴射混凝土，封閉圍巖，防止風化。

（2）增加支護強度、提高支護剛度，抑制離層發展。

（3）提高預應力，增加剛性構件，實現預應力擴散。

（4）進行巷道圍巖分類，實行分類指導設計。

（5）提高支護系統與圍巖系統的協調性，發揮支護與圍巖同承載。

（6）保護、提升圍巖強度，提升圍巖發揮自承載的能力。

（7）進行合理的錨桿索材料的選型，選擇合理的施工工藝。

4 支護設計

（1）拱頂支護。半圓拱部分錨桿采用BHRB500 材質鋼材，桿體為左旋無縱筋螺紋鋼材質，錨桿規格為M24-φ22 mm×2 400 mm，錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，共布置7 根錨桿。單根錨桿采用1 卷MSK2335 和1 卷MSZ2360 樹脂錨固劑，錨固長度設計為1.675 m，采取加長錨固形式。錨桿托盤采用150 mm×150 mm×10 mm，Q235 鋼材質托盤，每個托盤配套使用1010 尼龍減摩墊圈，配套使用一個高強球形墊。錨桿預緊扭矩設計為400 N·M，最大不超過500 N·M。錨固力要求不低于190 kN。錨桿鉆頭使用28 mm 三翼巖石鉆頭。每個錨桿配套使用W 鋼護板，以擴展預應力，增加支護的剛度，鋼護板規格為280 mm×450 mm×5 mm。

采用兩層菱形金屬網，編制網的鐵絲為12 號鐵絲，網孔尺寸50 mm×50 mm，單片網片的尺寸6 200 mm×1 100 mm。

錨索采用1860 型21.8 mm 直徑，1×19 股鋼絞線，錨索長5.3 m，配套使用高強錨具。排距2.0 m，間距1.2 m，沿巷道中間呈2-1-2 布置，單根錨索采用1 卷MSK2335 和2 卷MSZ2360 樹脂藥卷錨固，錨固長度不低于2.733 m，錨索沿巷道周邊圍巖垂直打設，采用28 mm 三翼巖石鉆頭。錨索托盤采用300 mm×300 mm×16 mm，采用Q235 鋼材制作，托盤承載力不低于550 kN，拱形托盤，配套球形墊。錨索錨固力不低于490 kN，錨索初始預緊力不低于290 kN，最終預緊力不低于250 kN。

（2）直墻支護。直墻部分錨桿采用BHRB500材質鋼材，桿體為左旋無縱筋螺紋鋼材質，錨桿規格為M24-φ22 mm×2 400 mm，錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，共布置2 根錨桿。單根錨桿采用1 卷MSK2335 和1 卷MSZ2360 樹脂錨固劑，錨固長度設計為1.675 m，采取加長錨固形式。錨桿托盤采用150 mm×150 mm×10 mm，Q235 鋼材質托盤，每個托盤配套使用1010 尼龍減摩墊圈，配套使用一個高強球形墊。錨桿預緊扭矩設計為400 N·M，最大不超過500 N·M。錨固力要求不低于190 kN。錨桿鉆頭使用28 mm 三翼巖石鉆頭。每個錨桿配套使用W 鋼護板，以擴展預應力，增加支護的剛度，鋼護板規格為280 mm×450 mm×5 mm。

采用兩層菱形金屬網，編制網的鐵絲為12 號鐵絲，網孔尺寸50 mm×50 mm，單片網片的尺寸6 200 mm×1 100 mm。

錨索采用1860 型φ21.8 mm，1×19 股鋼絞線，錨索長3.3 m，配套使用高強錨具。在直墻和拱交接處和距離底板500 mm 處分別打設1 根，每幫2 根，共4 根，呈2-2 平行布置，單根錨索采用1 卷MSK2335 和2 卷MSZ2360 樹脂藥卷錨固，錨固長度不低于2.733 m，錨索沿巷道周邊圍巖垂直打設，采用28 mm 三翼巖石鉆頭。錨索托盤采用300 mm×300 mm×16 mm，采用Q235 鋼材制作，托盤承載力不低于550 kN，拱形托盤，配套球形墊。錨索錨固力不低于490 kN，錨索初始預緊力不低于290 kN，最終預緊力不低于250 kN。巷道斷面布置如圖2 所示。

圖2 新支護設計斷面示意Fig.2 Section of new support design

5 應用效果

在試驗階段對新支護技術應用段，進行了表面位移和錨桿索受力觀測，如圖3 所示。

圖3 表面位移觀測結果Fig.3 Results of surface displacement observation

（1）表面位移觀測。對巷道表面位移進行20 d 連續監測。在開挖后剛開始的0～10 d，巷道圍巖表面位移發生大幅度增長，增長速率較快，而在第10 d 以后，巷道圍巖變形增長速度明顯降低，整體的圍巖變形量呈現穩定趨勢，20 d 以后，巷道圍巖變形不在增加，圍巖變形穩定，其中頂板最大下沉變形量穩定在109 mm，兩幫移近變形量穩定在212 mm，巷道變形量較小，圍巖破壞得到有效控制。

（2）錨桿索受力。通過對巷道斷面上的錨桿受預緊力進行監測，結果發現，周邊錨桿按照從左側底部起至右側底部止的順序，錨桿預緊后的受力荷載分別為29.9、56.4、41、31.2、67.6、101.6、55.3、60.3、49.6 kN，均值為55.8 kN，其中最大受力值為101.6 kN。預緊力較大的4、5、7、8、9、10 錨桿受力與初始預緊后的受力未有大的變化，反映了高預緊力下錨桿支護剛度較大，圍巖發揮了自承支護作用。而2、3 號錨桿，由于初期預緊力不足，支護時相應的受力增長較快，反映了預緊力較小時，剛度小，圍巖支撐作用小，荷載有向錨桿轉移的趨勢，不利于圍巖支護作用的發揮。

通過對巷道斷面上的錨索受預緊力進行監測，結果發現，2、3、4、5、6 號錨索受力分別為121、139.4、164.1、153.1、140.3 kN。預緊力較大的4、5 錨索受力與初始預緊后的受力未有大的變化，反映了高預緊力下錨索支護剛度較大，圍巖發揮了自承支護作用。

錨桿索支護系統采用了高強度、高剛度、高預應力的材料規格時，支護體能夠通過高預應力提供高剛度支護作用，圍巖由二維應力狀態變為三維應力狀態，提升圍巖承載強度，配合高剛度的護表構件使用，可實現巷道圍巖初期變形、離層、裂隙擴展的強力抑制作用，支護體和圍巖均能發揮較好的支護作用，有利于實現協同承載。該支護理念，顯示了在復雜應力條件下軟巖巷道圍巖變形控制的良好性能，能夠實現一次支護，避免了巷道圍巖二次支護和返修，實際使用效果顯示，圍巖變形較小，巷道穩定時間段，穩定后不再發生變形增長，實際觀測結果顯示，頂板下沉最大值109 mm，幫部收縮變形最大值212 mm。

6 結論

（1）水平主應力值高，巷道穿層，完整性差，圍巖強度低，遇水易軟化；軟弱巖層在高量值水平主應力作用下發生大范圍、持續性的破壞和變形是導致巷道圍巖破壞難以控制的主要原因。

（2）復雜應力條件下穿層軟巖巷道支護關鍵在于巷道開挖后及時主動對圍巖施加變形抗力，抑制圍巖裂隙的張開和擴展，避免圍巖發生不連續變形，維持圍巖完整性，通過發揮圍巖的自承能力來實現圍巖穩定。

（3）錨桿索具有高強、高剛、高預應力是初始支護的關鍵，高預應力和高剛度，在巷道圍巖變形的初始階段便可以對圍巖施加較大的變形抗力，抑制圍巖裂隙的發展，保護圍巖自身支護作用，發揮圍巖的自承能力，從而實現較好的支護效果。