軟巖巷道圍巖變形機理及控制研究

張浩

【摘 要】 文章針對潞寧軟巖巷道圍巖存在的變形大以及巷道圍巖支護困難，現支護形式不能有效控制軟巖巷道圍巖變形，提出了“錨+網+索+工字鋼棚”新的聯合支護方案，現場監測結果表明：采用“錨+網+索+工字鋼棚”新的聯合支護方案后，巷道圍巖頂板下沉量減少了13.52mm，巷道兩幫橫向變形量減少了11.24mm，同時巷道頂板內部離層值相對原支護方案下的較小，新的支護方案更能有效提高巷道圍巖的穩定性。

【關鍵詞】 軟巖巷道;圍巖變形;聯合支護;現場監測

【中圖分類號】 TD32 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0016-03

目前軟巖巷道在我國煤系地層中分布較為廣泛，由于軟巖巷道圍巖變形較大且支護較為困難，其對煤礦的安全高效生產起著制約作用。隨著巷道支護技術的不斷發展，許多專家學者在軟巖巷道中進行了廣泛研究，李建民等研究泥質軟巖巷道圍巖變形的機理，對此提出了相應的支護方案，并驗證其合理性。楊曉杰等研究了軟巖巷道的變形力學機制，并將提出的恒阻大變形錨桿耦合支護技術應用到了現場實踐。王勝等針對松軟破碎巷道圍巖控制進行了研究，并優化了原支護方案。基于以往專家學者對該方面的大量研究成果，本文針對某礦工作面軟巖巷道圍巖變形較大等問題，確定了“錨+網+索+工字鋼棚”新的巷道圍巖支護方式，通過現場實時監測數據，證明了該聯合支護方式的可行性。此支護方式可為軟巖巷道圍巖支護技術的發展提供指導和借鑒。

1工程概況

工作面主采15號煤層，平均厚度為3.5m，平均傾角6°。工作面直接頂為砂質泥巖，平均厚度約7.6m，基本頂巖層為粉砂巖，平均厚度約6.3m，屬堅硬巖層，直接底為泥巖，平均厚度約為2.3m，基本底為砂質泥巖，平均厚度約為4.3m。工作面頂底板煤巖柱狀圖如圖1所示。

工作面軟巖巷道位于-376m水平四三采區，平均埋深大約380m，巷道凈斷面斷面尺寸為4.0m×2.6m。煤層的平均傾角大約4°，平均厚度大約1.1m。巷道圍巖支護方式采用“錨+網+索”，在巷道的頂板打設五根錨桿，錨桿長為2m，直徑為20mm，錨桿的間排距為800×800mm，同時每隔三排錨桿打設一排錨索，錨索長為7.4m，直徑為15.24mm，錨索的間排距為2100×2400mm;在巷道的兩幫每排打設三根錨桿，錨桿長為1.8m，直徑為18mm，錨桿的間排距為900×800mm，巷道圍巖支護方式如圖2所示。

2軟巖巷道圍巖變形機理及支護方案

軟巖巷道圍巖發生變形破壞的原因主要有三種：巷道圍巖的應力擴張，其中包括地應力擴張、工程偏應力擴張以及構造應力擴張等。巷道圍巖的化學膨脹，其中包括毛細膨脹和分子膨脹等。巷道圍巖結構變形，其中包括斷層型、節理型、層理型等。

-376m水平四三采區巷道底板由泥巖組成，在遇水后極易誘發巖體發生應變軟化及膨脹，同時該巷道圍巖具有十分明顯的層狀特征，在巷道兩幫煤柱巖層滑面效應以及壓模效應的共同作用下，巷道底板開始向巷道內側發生變形。影響軟巖巷道圍巖的穩定性主要取決于巷道開挖斷面的大小以及巷道圍巖的力學特性。在控制軟巖巷道圍巖變形設計時，要優先考慮圍巖自承載的作用，把巷道圍巖和支護體考慮為一個整體。

由于軟弱圍巖具有非常強的殘余強度，在巷道圍巖發生變形以后其依然存在較大的承載能力。與此同時對于軟巖巷道圍巖發生變形后所具有的膨脹性以及非對稱性的特性，要求在軟巖巷道圍巖進行控制時必須有效控制軟巖巷道圍巖的初期變形，同時還要控制軟巖巷道圍巖最終變形在合理的范圍之內。控制軟巖巷道圍巖變形的方法主要有：

在選用錨桿時，盡量選擇錨桿延伸性和強度較大的錨桿，在一定范圍內，適當增加錨桿的預緊力。在一定范圍內，提高支護錨桿的延伸率，可以使錨桿更好地適應圍巖的變形，避免巷道圍巖變形導致支護錨桿過早發生拉伸斷裂破壞，影響圍巖的支護效果。

對軟巖巷道圍巖易變形、難支護的區域進行有針對性的特殊加強設計。軟巖巷道圍巖的變形、破壞往往都是從巷道圍巖最脆弱的部位開始，對該部位進行針對性的特殊加強設計，可有效控制巷道圍巖過早發生變形破壞，有效控制軟巖巷道的變形破壞。

在一定范圍內，可以適當地增大巷道圍巖的支護參數，加強巷道圍巖的支護設施控制圍巖的變形。

3支護方案優化設計

對巷道頂板進行支護時選用“錨+網+索”的支護形式，巷道頂板選用長2m，直徑20mm，預緊力大小為150kN的錨桿，錨桿的間排距設計為800mm×800mm;巷道兩幫選用長1.8m，直徑18mm，預緊力大小為110kN的錨桿，錨桿的間排距設計為900mm×800mm;頂板選用長6.4m，直徑15mm的錨索，且錨索采用非對稱的布設形式，錨索梁的軸線方向與巷道的軸線方向相互平行。其具體布設如圖3所示。

為加強軟巖巷道圍巖的穩定性，在巷道內架設I12的長4m，棚腿長2.7m的工字鋼棚梁進行加強支護。同時采用方木進行背幫背頂，以保證工字鋼棚梁貼近巷道圍巖，與巷道圍巖共同變形，確保有效控制巷道圍巖的變形。

4巷道圍巖變形監測

在距回采工作面50米、100米處布置JSS30A數顯收斂計監測巷道圍巖的變形，并根據所測數據的平均值繪制錨桿錨索施工前后圍巖變形速率和變形量曲線圖，如圖4、圖5所示。

從圖4、圖5可以看出，在同段時間內錨桿錨索施加后比施加前的圍巖位移總量以及變形速率要小很多，巷道兩幫圍巖最大變形量減少了13.52mm，巷道頂板最大下降量減少了11.24mm，且在50天后，圍巖變形逐漸趨于穩定，不再變化，可以看出采用“錨+網+索+工字鋼棚”聯合支護系統可有效控制圍巖的變形。

為監測軟巖巷道頂板圍巖內部離層情況，在距離工作面30米以及60米位置處布設裝有LBTY-1型的頂板離層指示儀的兩個測站，并將所測得的數據繪制曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，在軟巖巷道頂板圍巖內部離層監測的整個過程中，圍巖內部監測點與表面監測點相比較，圍巖變形量差別較小，且在13天左右頂板離層趨于穩定，說明“錨+網+索+工字鋼棚”聯合支護系統在該軟巖巷道中充分發揮了其組合拱以及錨索懸吊的作用，有效地控制了軟巖巷道圍巖的變形。

5結語

針對軟巖巷道的圍巖變形，本文提出了“錨+網+索+工字鋼棚”新的聯合支護方案。

通過現場監測對比原支護方案及新支護方案下圍巖變形控制的效果，得出新支護方案下巷道圍巖量及巷道頂板圍巖內部離層量較小，均在合理變形范圍內，驗證了新支護方案在軟巖巷道圍巖控制中的適用性及合理性。

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