破碎圍巖巷道變形因素分析及支護優化設計

韓世棟

（山西高平科興米山煤業有限公司，山西 米山 048400）

錨桿支護是現代煤礦巷道經濟性高、可靠有效的支護方式。與支架支護相比，錨桿（索）支護方式較大程度上提高了巷道支護效果，改善了作業環境，安全生產得到保障[1-4]。目前，我國煤礦企業已普遍使用錨桿支護技術，并基于越來越復雜的圍巖地質條件，向全方位深層次聯合支護方式發展，如高壓注漿+強力錨索支護方式，在極大程度上實現高產高效安全生產。

破碎圍巖巷道變形劇烈，巷道維穩難度大，為有效解決這一問題，國內外眾多學者對破碎圍巖巷道展開了大量的研究工作，研究方向包含軟弱圍巖體物力、水理、力學性質等，取得了大量理論方面和現場支護技術方面的應用成果[5-10]。然而，從米山煤業輔助運輸石門現場調研來看，巷道收縮達到了1～2 m，巷道圍巖仍未穩定，嚴重威脅了現場設備和工人的安全。

1 工程概況

米山煤業主采為太原組的15號煤層，煤層厚度平均為2.96 m，一般不含夾矸，煤層頂板多為灰巖、泥巖，底板為泥巖、鋁土質泥巖和砂質泥巖。巷道的破壞變形有如下特點：①巷道的變形主要表現為頂部下沉、底鼓和兩幫回縮。②巷道維修時圍巖壓力并未釋放結束，維修后的圍巖變形仍在繼續，圍巖支護結構仍然未能保持巷道圍巖的穩固。③部分區域巷道圍巖中受水侵蝕，產生巖體泥化、流變現象，致使該區域變形破壞更加嚴重，圍巖的力學特性明顯減弱，嚴重破壞了圍巖整體支護結構的穩定性。

2 巷道圍巖與錨桿支護作用機理

2.1 錨桿支護作用分析

結合圍巖強度、圍巖結構和圍巖應力這三個基本要素，總結歸納出錨桿支護的作用有以下幾點：

（1）錨桿支護影響圍巖強度。經過大量的實驗室試驗研究，發現軟弱巖石的基本力學參數，在錨固作用下各個參數均有增大的趨勢。能夠顯著影響其強度和變形，甚至改變塑性屈服后的力學性質。

（2）錨桿支護影響圍巖結構。由于巷道開挖破壞了圍巖的整體性，會產生諸多不連續的弱面，包括節理、裂隙等結構面，這些不連續面的增大會降低煤巖體強度。通常情況下，錨桿對于軟弱結構面的作用主要是通過錨桿的軸力和剪力來提高不連續面的煤巖體的強度和整體性，抑制沿不連續面的移動和擴展，即核心在于提高結構面的強度，最終實現提高煤巖體的整體強度與穩定性。

（3）錨桿支護影響圍巖應力分布狀態。巷道的開挖打破了原巖應力狀態，應力場重新分布，之前處于三向受壓的會出現拉和剪應力。錨桿的軸向拉力可以抑制圍巖向臨空面的移動，相當于提供一定的徑向壓應力，使圍巖的圍壓升高，減小應力差；而受剪可以通過產生的壓應力而提高結構面之間的摩擦力，提高破碎圍巖抗剪能力，最終實現了對圍巖應力狀態的改善。

2.2 破碎圍巖巷道錨桿支護作用機理分析

（1）深部巷道圍巖變形的主要影響因素

①地應力。深部巷道圍巖變形和破壞的根本原因就是較高的高地應力所致。

②圍巖力學性質。根據基本理論分析可知，巷道變形與圍巖表征力學特性的參數呈反比。根據井下對不同單軸抗壓強度的巷道的變形實測結果：當圍巖強度提高時，巷道頂底板移近量減小。頂底板移近量與圍巖強度有很大關系，頂底板移近量對于強度高于某一值，（如50 MPa）時，強度變化變對移近量影響較小，而當強度低于某一值，（如30 MPa）時，隨巖強度的降低而急劇增加。

③圍巖結構。煤巖體由結構體和結構面組成，其間存在諸多層理等節理裂隙，直接影響著巷道圍巖的整體性以及強度。如果結構面越多，則結構面的強度越低，圍巖在這種情況下極易發生沿結構面的滑移和結構體的回轉、離層、滑動、導致圍巖變形大、松動范圍大、穩定性降低。

④采動影響。不同程度的采動影響劇烈程度和臨近采掘工作面與該巷道在時間和空間的關系有關。對于已經穩定的采空區邊緣掘進巷道和未穩定的采空區邊緣掘進巷道，前者的變形程度明顯小于后者，這是從時間上來說；在空間方面來說，最好的例子就是護巷煤柱的尺寸，多次采動影響的巷道比受一次采動影響的巷道變形大。

⑤巷道斷面形狀與尺寸。巷道穩定性與巷道斷面尺寸有關，斷面大的穩定性比斷面小的要差很多。如果巷道都處于相同的地應力環境中，巷道的高寬比也對巷道的穩定性有影響。由于高寬比不同，導致圍巖中產生不同的應力場。在橢圓形巷道的周邊會形成一個均勻的切向壓應力圈，該種情況下巷道最穩定；當寬度/高度＞側壓系數時，側幫將會出現較大集中切向壓應力。

⑥巷道支護形式與參數。不合理的支護參數對支護巷道的效果較差，不能夠有效控制圍巖變形甚至破壞，支護成本也高，合理的巷道支護設計，能夠維持巷道的穩定性。

（2）深井巷道圍巖變形與破壞特征

通過實測數據分析，米山煤業巷道圍巖變形特點如下：

①巷道圍巖變形量大。根據井下實測數據，埋深達到700 m后，巷道圍巖變形普遍較大，一般為500～1 500 mm，最大可達2 000 mm以上。如輔助進風石門落平段200 m，采用錨網支護，頂板下沉達1 000 mm以上，兩幫向內回縮高達1 600 mm，巷道遭到嚴重破壞。

②巷道初期變形量大。深井巷道圍巖原始應力高，且形變壓力較顯著，開挖后卸荷非常迅猛，來壓速度快，巷道掘進過后2-3個月開始產生大面積嚴重變形，故大埋深高應力軟巖巷道初始變形速率較大。如輔助運輸石門，采用錨網支護，巷道掘進后兩幫向內回縮達1 600 mm，速度達16.34 mm/天；頂底板移近量為500 mm，速度為7.75 mm/天；底鼓1 500 mm，見圖1。

圖1 輔運石門表面位移觀測

③巷道圍巖變形持續時間長。深部高應力巖體顯現出明顯的流變性質，故其變形特點具有時效性，并且在時間上可分成三個階段：劇烈變形階段、緩慢變形階段和穩定變形階段。一般情況下第一階段持續的時間較短，第二個階段持續的時間較長。穩定變形階段，圍巖變形仍然會保持一定的變形速度，特殊情況下還會出現新的不穩定形態。

④巷道圍巖變形易受擾動性。圍巖變形對應力變化情況具有很高的敏感性，震動、鄰近巷道掘進影響等因素都會使圍巖變形程度明顯增加。

（3）巷道錨桿支護機理分析

就目前的工程及理論而言，常常將二次支護理論應用于復雜的、支護較困難的巷道。所謂的二次支護就是巷道整體的支護是有兩部分構成，第一次支護的目的是先釋放掉集中于圍巖內的形變勢能，經過一段時間后，積聚在內部的變形勢能得到釋放，作用在支護結構上的里也相對減小。可是，該理論遇到高地應力環境、軟弱破碎圍巖以及受強烈動壓影響時表現出顯著的不足，二次支護仍控制不了巷道變形，甚至三次、四次支護的效果也不理想，支護工作翻來覆去，但是圍巖變形長期得不到有效控制。如何能有效解決上述軟巖巷道支護的難題？ 是否存在有效的支護技術，能夠實現一次支護，并取得良好效果，該技術的關鍵是什么？ 諸多問題接踵而至。通過大量的理論研究、數值模擬試驗及井下現場試驗逐漸形成了提高錨桿、錨索預應力及其擴散效果的軟巖巷道支護理論。

全長錨固和加長錨固，可以有效地防治離層的產生和巖層間錯動。錨桿預應力作用在頂板上產生的垂直應力分布見圖2。

圖2 錨桿預應力作用在頂板上產生的垂直應力分布

壓應力從托盤端至巖層內部的錨桿末端逐漸減小，而且在錨桿中部附近的范圍其壓應力稍大于0.04 MPa，有效壓應力區擴散范圍增大，應力趨于0的區域范圍逐漸縮小；在桿長的1/5附近，壓應力減小至0.12 MPa；錨桿的端部產生的拉伸應力區域的應力值不大，整體來看，臨近錨桿之間相互形成整體且區域相連的有效壓應力，應力趨于近零的區域基本消失。從另一種角度分析，錨桿之間形成的“拱”效應和整體的錨固結構，提高錨桿的預緊力，意味著橫向約束作用力增大，這是圍巖形成錨固結構的必要條件。

3 破碎圍巖注漿加固優化

3.1 圍巖中漿液擴散機理

受到掘進擾動和原巖應力的影響，巷道圍巖塑性區增大，變形通常較大。如果單獨采用錨桿和錨索進行控制，通常難以維持圍巖穩定，且破碎圍巖錨固力低，錨桿和錨索無法有效承載，從而導致深部破碎圍巖巷道變形嚴重； 若受到采動的影響，巷道破壞范圍會進一步增大，最終巷道失穩破壞。目前，很多礦井對深部破碎圍巖通常采用二次加固進行控制，由于二次加固不能協調承載，很難達到很好的支護效果。

基于此，本文提出了錨網索和注漿加固聯合支護技術，兩個支護技術是解決深部破碎圍巖巷道失穩破壞的有效方法。針對永久工程加固，需嚴格控制破碎圍巖進一步變形的要求，在使用固結強度高、抗變形能力強的水泥漿液作為主要漿液進行注漿的基礎上，專門開發了低粘度、強滲透、高粘結力和高固結強度的不飽和聚酯注漿新材料。利用化學漿和水泥漿相結合的注漿加固技術，解決了水泥漿與圍巖粘結力低、微裂隙滲透困難、重新開挖易造成圍巖二次開裂的問題，使破碎圍巖整體性增強，大大提高了圍巖整體強度。水泥漿液的注漿參數對巷道圍巖的注漿效果影響很大，只有詳細分析注漿參數對圍巖穩定性的影響，才能更好的進行注漿加固設計。并且水泥注漿是淺孔注漿，如果參數和操作不當的話，可能造成大范圍劈裂漏漿，使圍巖破碎狀況惡化，甚至導致大面積冒頂、底鼓事故。影響圍巖穩定性的參數通常有注漿材料、注漿孔間排距、注漿壓力等參數。利用離散元數值模擬軟件，對注漿參數對巷道圍巖穩定性的影響進行研究。

3.2 模擬結果分析

（1）水泥漿液在圍巖中擴散形態

圖3為注漿壓力保持在3 MPa，水灰比分別為0.5：1及1：1情況下，水泥漿液的擴散分布規律。當注漿壓力相同時，水灰比越小，漿液濃度越大，漿液擴散距離越小；相反，當水灰比增大時，漿液擴散范圍明顯增大，這說明水泥漿液在擴散過程中，水具有很好的輸送水泥顆粒的作用。

圖3 漿液濃度對其擴散范圍的影響

實踐證明：水泥漿液在煤巖體裂隙中的擴散機理非常復雜，漿液在裂隙中的擴散具有很大的隨機性，難以進行人工控制。當注漿壓力較低時，裂隙沒有發生劈裂，漿液基本是按照鉆孔向四周進行擴散，距鉆孔越遠的位置，漿液分布越少。當注漿壓力一定時，在圍巖比較破碎的區域漿液擴散的范圍更大，這說明裂隙、節理發育更有利于漿液的流動，尤其是巷道圍巖淺部破壞嚴重。現場試驗發現，圍巖表層漏漿嚴重，注漿之前，最好表層進行噴漿處理，防止注漿時漿液漏漿。

（2）注漿參數對漿液擴散范圍的影響

漿液擴散范圍的不同對注漿效果影響很大，必須嚴格按照漿液擴散范圍進行設計注漿鉆孔的間排距。目前，通常采用理論計算的方法來確定注漿鉆孔的間排距，由于地質條件的影響，理論計算與現場實際通常相差較大。基于實際的工程地質條件，對注漿參數與漿液的擴散范圍的關系進行研究，可以更好的確定漿液的有效擴散半徑，從而更科學的指導注漿加固設計。

從圖4中可以看出，在注漿壓力為1 MPa時，水分和水泥的比例達到0.7時，水泥漿液沿著巷道圍巖切向和徑向的滲透半徑分別為0.91 m和0.42 m；而當漿液壓力升高至2 MPa時，水泥漿液沿著巷道圍巖切向和徑向的滲透半徑達到了1.41 m和1.21 m；而當漿液壓力升高至3 MPa時，水泥漿液沿著巷道圍巖切向和徑向的滲透半徑達到了1.71 m和1.62 m；漿液壓力從1 MPa增大至3 MPa時，漿液擴散半徑增加了55.6%、200%。

圖4 注漿參數對水泥漿液擴散范圍的影響

（3）注漿對圍巖應力的影響

從圖5可以看出，對注漿加固后的圍巖進行錨網索支護，支護后的巷道表層圍巖的變形量明顯降低，并且巷道表層應力得到了顯著改善，這說明圍巖淺部破碎的圍巖得到了加固，避免了圍巖進一步向內部破碎，提高了圍巖的完整性和整體強度，這從另一個方面也說明了注漿起到了很好的加固效果。

圖5 支護方式對圍巖應力的影響

4 工程實踐

在分析巷道變形破壞原因的基礎上，米山煤業針對輔助運輸石門提出了初次高強支護+高壓注漿加固聯合支護方案，見圖6。

圖6 輔助運輸石門斷面支護

巷道往前掘進100 m后，在后方巷道進行高壓注漿。采用高壓力注漿是將已經變形破壞的圍巖從內部裂隙著手進行充填、消弭，使其成為一個整體，增強其圍巖的承載能力，來保證支護錨桿（索）錨固力的傳遞，提高支護質量，增強加固效果。支護后巷道變形監測見圖7。巷道圍巖穩定后，底鼓量僅6 mm左右，兩幫移近量也不超過15 mm，加固效果良好。

圖7 巷道變形位移監測

5 結語

水泥漿液可以有效固結破碎煤巖體，從而使破碎的煤巖體固結為強度更高、整體性更好的結實體，并且水泥漿液還可以充填、密實煤巖體的裂隙，提高煤巖體的強度。在注漿加固后的煤巖體上進行錨索支護，可以提高錨索的錨固力，有效傳遞錨索預應力至圍巖深部，提高了錨索對圍巖的支護作用，大大降低了巷道圍巖的變形量和破壞。