復雜圍巖災變環境下巷道修復技術研究

趙長紅，呂兆海，張藝耘，岳曉軍，胥海東

(1.寧夏煤炭基本建設有限公司，寧夏 銀川 750004；2.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏 銀川 750011)

我國煤礦回采巷道受復雜圍巖應力影響，巷道整體呈現出非對稱變形破壞特征，國內外學者對復雜圍巖應力條件下回采巷道的變形失穩及控制進行了大量研究，孫志勇等[1]認為頂板支護不及時，支護剛度和強度不足，導致淺部圍巖進一步發生離層和裂隙擴展等有害擴容變形，錨索錨固區域過小，未穿過軟弱層理面，整體范圍內未形成穩定承載結構是導致發生冒頂事故的根本原因；周志利等[2]提出巷道寬度對頂板的變形和破壞影響較顯著，巷道寬度越大，巷道變形破壞越嚴重，而且巷道寬度存在臨界值；趙洪亮等[3]提出大斷面巷道采用普通錨桿(索)支護，錨固力得不到保證，錨桿(索)不能很好地阻擋錨固區內破碎煤層巖體的切向滑移，且錨固巖梁承受的拉應力和剪應力基本不會降低，錨固區內煤層巖體難以形成穩定結構，錨固煤層巖體容易發生整體垮落而發生頂板冒頂事故；杜華溢等[4]指出非均勻應力打破了巷道頂板的均勻破壞，使失穩冒落的時間提前，冒頂的范圍擴大，變形破壞的持續時間增加，采用深-淺耦合錨注聯合支護技術，形成深淺錨注互為支撐的承載體，從源頭上控制頂板的變形破壞；王衛軍等[5]指出特軟巖層常規支護方式下圍巖強烈變形的根本原因是支護不能阻止圍巖塑性區、破碎區的快速發展，在巷道周圍形成大范圍的破碎區；趙科等[6]對于厚頂煤層大斷面巷道，通過采取高預應力錨桿錨索支護方式并適當提高頂板支護密度，可以對淺部圍巖施加更大壓應力，更好地實現預應力擴散，控制頂板沉降，保持錨固區圍巖穩定性。上述研究主要針對支護體本身的特點進行了相關研究，對支護體與圍巖的協調耦合性及頂板裂隙水對圍巖結構的影響研究較少。本文根據麥垛山煤礦巷道變形的實際情況，結合工作面圍巖特性、巷道頂板含水層影響下弱膠結圍巖變形失穩的演化特征，提出了復雜圍巖災變條件下巷道維修控制技術。

1 工程概況

麥垛山煤礦110207工作面運輸巷為直墻半圓拱斷面，巷道沿2#煤層掘進，巷道布置見圖1。 煤層厚度2.88 m，掘進寬度5 200 mm、凈寬5 000 mm，掘進高度3 800 mm、凈高3 500 mm，采用錨網索噴聯合支護，錨桿采用Φ20 mm×2 500 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，鋼筋網采用Φ6.5 mm圓鋼焊接，網格尺寸100 mm×100 mm；錨索采用Φ21.8 mm×8 300 mm鋼絞線，間排距2 400 mm×2 000 mm，噴射C25混凝土，厚度100 mm，巷道最大埋深442 m，2#煤層直接頂板為泥巖，煤巖層裂隙發育，2#煤層老頂為細-粗砂巖，2#煤層頂板為砂巖裂隙孔隙承壓含水層，含水層巖性由灰、灰白、深灰色不同粒級的砂巖組成，泥巖和煤層呈互層狀夾于含水層之間，含水層平均厚度為19.44 m，該區域地應力約為5 MPa。工作面預計正常涌水量為50～200 m3/h，最大涌水量達280 m3/h，圍巖賦存情況見圖2。

2 圍巖災變情況

110207工作面運輸巷掘進至J12測點向前213 m時，揭露一條落差為2 m的正斷層，破碎帶寬度0.8 m，揭露斷層后短時間內頂板泥巖受含水層涌水影響軟化， 頂板出現掉渣、離層等現象， 隨著涌水時間的持續及涌水量的增加，在斷層附近出現局部冒頂，伴隨水量的增大冒落范圍進一步擴大，涌水量最大達到30 m3/h。具體變化情況如下所述。

圖1 巷道布置平面圖

圖2 綜合柱狀圖

圖3 巷道圍巖災變破壞圖

1) 在斷層破碎帶影響范圍內，頂板出現大面積下沉，局部發生冒落，范圍長5 m，寬3.5 m，高2.5 m，冒落區以外錨桿托盤從頂板崩落。

2) 受斷層及頂板含水層的影響，弱膠結圍巖在裂隙水的作用下泥化、弱化，頂板圍巖受拉應力的影響破碎嚴重，表層金屬網出現嚴重變形，形成明顯網兜，噴漿層脫落，巷道頂板沿中軸線彎曲下沉，靠近斷層側頂板下沉量達1 100 mm，另一側約500 mm。

3) 變形范圍廣、來壓面積大，巷道災變范圍達30 m，全斷面范圍內頂板整體下沉。

4) 巷道圍巖收斂變形速度快，在掘進后1個月時間內巷道頂板下沉量達1 100 mm。

5) 圍巖破壞影響范圍大，頂板1.5 m范圍內圍巖整體松動，呈現塑性變形破壞，巷道圍巖災變破壞特征見圖3，巷道圍巖松動圈分布特征見圖4。

圖4 巷道圍巖松動圈分布特征圖

3 災變原因分析

1) 巷道圍巖承載力低。巷道沿煤層掘進，直接頂為高1.54 m的泥巖，易風化脫落、吸水易膨脹、泥化，承載能力較低，直接底為厚1.65 m的泥巖，巷道圍巖承載能力弱，圍巖力學參數見表1。

表1 頂板巖層物理力學參數

2) 弱膠結巖層受含水層的影響。富水弱膠結巖層巷道掘進易發生大跨度變形和失穩破壞[7]。由于2#煤層頂板由泥巖、粉砂巖和粗砂巖等泥化弱膠結巖石組成，巖石強度不高、脆性明顯，在外力作用下易碎裂，同時其隔水性能差，巖石遇水后明顯軟化甚至泥化。粗砂巖的透水性和裂隙導水性好，在巷道掘進時，1#煤層與2#煤層之間延安組地下水通過局部發育的裂隙及鉆孔滲入巷道圍巖及巷道底板，弱膠結圍巖吸水膨脹軟化、泥化，降低了巷道圍巖的承載能力，在復雜應力的作用下，軟弱泥巖水平方向受力出現較大差異，出現頂板擠壓破碎、不均勻下沉破壞。

3) 埋深大、地應力高。巷道出現失穩破壞的極限臨界深度，計算公式見式(1)[8-9]。

(1)

式中：Hc為臨界深度，m；η為長時載荷影響系數，取0.8；K為裂隙影響系數，取0.9；σ為巖石抗壓強度，MPa；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3。

通過對開采水平地層巖性的綜合分析和對巷道圍巖水平變形破壞現象的調查分析，結合臨界深度的理論和計算，確定該工程巖體的臨界深度計算結果見表2。

表2 圍巖臨界深度計算參數表

式(1)表明，臨界深度與巖體抗壓強度成正比，與巖體容重成反比。經計算，巷道最大埋深已基本達到工程巖體的平均臨界埋深條件，在此條件下圍巖將出現明顯的塑性變形、圍巖壓力增大、支護困難的現象。

4) 構造應力的影響。巷道圍巖在構造應力的影響下，圍巖力學性質劣化，在拉應力的作用下，斷層影響范圍內圍巖松散、破碎并形成導水通道。巷道在掘進過程中造成圍巖應力的重新分布，并在局部尖角區域與原構造應力相互疊加形成集中應力，加劇了巷道圍巖的變形破壞。

5) 支護體之間不協調。支護體系與圍巖不耦合，巷道頂板出現網兜和局部錨桿失效，說明支護體之間沒有協調發揮作用且支護體系和圍巖剛度不耦合，支護體不能有效適應、控制巷道圍巖過度變形。巷道受構造應力的影響，在斷層附近圍巖更為破碎，巷道變形量更大，說明支護體和圍巖結構不耦合，支護體不能有效限制圍巖發生大變形破壞，同時底板處于開放無支護狀態，在多次應力擾動及底板泥巖吸水弱化的狀態下，開放式的支護導致巷道在掘進特別是回采期間底鼓變形更為嚴重。

4 災變控制對策

基于巷道變形破壞特征，根據地層條件、圍巖受力特性和塑性區破壞范圍，確定巷道支護重點在于控制巷道頂板變形，強化巷道幫部支護。在支護過程中強調支護體之間的協調作用、支護結構與圍巖的耦合作用，降低圍巖在復雜應力條件下由于支護結構局部失穩而引發巷道整體失穩垮落的風險[10-12]。巷道兩幫除設置錨桿和鋼帶支護外，應施工錨索進一步控制幫部收斂變形，提高幫部圍巖抵抗剪切破壞的能力。為此，提出一次支護采用“錨網索柔性耦合讓壓聯合支護”方案，以高強預應力錨桿和錨索梁進行耦合強化支護，形成以高強、高預應力錨桿支護為基本支護體系，錨索為骨架的網狀支護單元，在其有效長度范圍內形成加固壓縮區，使錨固體內巖土體的內聚力及圍壓得到提高從而使其橫向抗壓強度、抗彎強度以及沿弱面的抗剪強度等得到一定程度的提高，改變圍巖受力狀態，提高承載能力[13-18]。另外，在幫部增設預應力錨索加固區，特殊地段采用29#U型可縮鋼支架進行柔性耦合讓壓支護，支護前期在圍巖壓力的作用下，可縮性鋼支架通過壓縮進行壓力釋放，實現支護體與巷道圍巖之間的耦合，后期阻力逐步增大進而限制圍巖變形，最后施工C25混凝土地坪，形成全封閉的支護體系；按照“預防為主、綜合治理”的原則，提出“集中疏水泄壓+注漿控制裂隙+噴漿封閉”的綜合防治水措施，消除頂板裂隙水的影響。

4.1 柔性耦合讓壓聯合支護

1) 錨桿與錨索耦合支護。 錨桿采用Φ20 mm×2 500 mm高強錨桿，配合使用280 mm×450 mm×5 mm W鋼護板，全斷面鋪設Φ6.5 mm圓鋼加工、網孔規格100 mm×100 mm的鋼筋網。 每根錨桿使用2節Z2370型樹脂藥卷錨固，間排距800 mm×800 mm，矩形布置，預緊力矩不低于200 N·m，預緊力不低于35 kN，錨索采用Φ21.98 mm×8 300 mm鋼絞線，間排距2 400 mm×1 600 mm，預緊力不低于160 kN，保證錨桿與錨索在強度上相互耦合[19]。

2) 幫部錨索補強支護。幫部采用Φ18 mm×2 000 mm的端頭錨桿進行支護，間排距800 mm×800 mm，每根錨桿使用2節Z2335型樹脂藥卷錨固；在幫部增加護幫錨索梁進行補強支護，其中下幫增加一排錨索梁，打設在巷幫中部，上幫打設2排錨索梁，錨索采用Φ21.98 mm×4 300 mm鋼絞線，錨索間排距2 000 mm×1 200 mm，錨索梁采用長度2 400 mm的14#槽鋼。通過強化幫部支護強度，提高幫部圍巖抵抗剪切破壞的能力，從而使巷道圍巖與支護體在強度上相互耦合。

3) 注漿錨索強化支護。 中空注漿錨索按照長-短間隔的方式布置，短錨索規格Φ21.8 mm×4 300 mm；長錨索規格Φ21.8 mm×7 300 mm，錨索與錨桿隔排布置，間排距1 600 mm×1 600 mm，每根錨索使用1節Z2370型樹脂藥卷錨固。采用P.042.5R硅酸鹽水泥對不同層位的圍巖裂隙進行注漿封堵，強化圍巖整體強度，使圍巖與支護體強度相互耦合。

4) 噴漿封閉。注漿錨索施工完畢后噴射厚度100 mm，強度C20的混凝土封閉圍巖，防止圍巖風化，并有效封堵圍巖表面裂隙，降低裂隙水對圍巖泥化、弱化的影響，強化圍巖整體強度并有效防止注漿過程中漏漿，保證支護體與圍巖形成有機整體，從而提高圍巖與支護體整體抗變形能力，巷道支護見圖5。

圖5 巷道支護圖

4.2 特殊地段二次加強支護

在斷層破碎區域15 m范圍內，巷道采用錨網索噴一次支護后，采用架設29#U型可縮性鋼支架進行二次加強支護，鋼支架間距800 mm，支架之間采用連接桿進行連接。 鋼支架柱腳墊板采用12 mm鋼板制作，規格為240 mm×230 mm×12 mm；卡纜采用12 mm鋼板制作，采用M22型高強螺栓緊固，滑動阻力不小于230 kN；幫頂均采用1 200 mm×200 mm×30 mm木板背實，通過可縮性鋼支架的有限收縮讓壓與巷道圍巖進行耦合，進而控制巷道圍巖的變形。

4.3 集中疏水泄壓

為有效緩解頂板含水層對巷道圍巖的影響，在110207工作面運輸巷共布置10個鉆場，11個鉆孔，鉆孔單孔設計長度267～501 m，設計鉆孔工程總量4 935 m。其中，FY5-1#孔實際深度387 m，最大出

表3 定向鉆孔工程量表

水量120 m3/h，水壓0.5 MPa；FY5-2#孔實際深度39 m，最大出水量為50 m3/h，水壓0.48 MPa；FY5-3#孔實際深度29.5 m，最大出水量為4 m3/h，水壓0.45 MPa，具體鉆孔工程量見表3。

4.4 全斷面封閉抗壓

巷道在支護過程中通過錨索、錨索梁、高強錨桿等對巷道頂板、幫部圍巖進行了有效支護，但對底板不進行封閉處理，開放式的支護導致巷道底鼓變形，并逐步誘發幫部、頂部變形失穩。因此采用厚度200 mm的C25混凝土對巷道底板進行封閉，最終形成全封閉的可靠支護體系。

4.5 應用效果分析

針對麥垛山煤礦井下巷道的變形情況，采用上述支護方案對110207工作面運輸巷圍巖變形進行控制，通過對支護錨索受力及巷道表面位移進行監測，錨索受力緩慢增加，在永久支護25 d后受力趨于穩定，頂板、幫部錨索最大受力分別達到200 kN、170 kN，說明錨索支護在穩定前與巷道圍巖之間進行相互耦合，29#U型可縮性鋼支架在圍巖壓力調整耦合的過程中通過搭接長度的變形讓壓并逐步穩定；巷道表面位移與錨索的受力周期也基本吻合，22 d后圍巖變形基本穩定，變形速率降為0，頂板下沉量為25 mm時趨于穩定，兩幫最大位移量為40 mm，底板局部出現裂縫，加固技術及支護強度能夠滿足巷道圍巖變形壓力，圍巖位移變化見圖6。

圖6 圍巖位移變化圖

5 結 論

1) 在復雜圍巖災變條件下，巷道支護既要保證支護體之間相互協調也要保證支護結構與圍巖之間相互耦合，從而使巷道圍巖與支護體系達到最佳組合，降低因局部支護體的破壞而引發巷道整體失穩垮落的風險。

2) 巷道整體采用高強預應力錨桿和錨索梁進行強化支護，形成以錨索為骨架的網狀支護單元，以高強、高預應力錨桿支護為基本支護體系，通過在圍巖裂隙內注漿改變圍巖結構特性和受力狀態并提高承載能力，在幫部施工錨索梁提高幫部圍巖抵抗剪切破壞的能力；特殊地段采用可縮性鋼支架進行二次支護，通過可縮性鋼支架的有限讓壓與巷道圍巖相互耦合，進而控制巷道圍巖變形，最后施工厚度200 mm、強度C25的混凝土地坪，形成全封閉可靠支護體系。