榆樹井煤礦軟巖硐室圍巖變形規律及支護技術研究

王均明

（內蒙古上海廟礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 016200）

1 工程概況

榆樹井煤礦二采區污水處理硐室位于+980 m水平，在5 煤層中掘進，煤（巖）層走向近南北，傾向東，平均傾角約7°，平均厚度為3.40 m，普氏系數f 為1～2。煤層頂底板條件如圖1。巷道圍巖為軟巖，巖性以中細砂巖為主，巖石松軟、遇水膨脹泥化，礦壓顯現主要表現為巷道底鼓，淋水段可能會出現頂板下沉。二采區污水處理硐室巷道設計長度37.4 m（斜距），斷面規格分為硐室開門位置至硐室主體位置的1-1 斷面、硐室主體位置到二采區泵房貫通位置的2-2 斷面，兩斷面規格見表1。針對圍巖軟弱，遇水易泥化的情況，對硐室軟弱圍巖變形規律[1-7]及支護技術進行了研究。

圖1 煤層頂底板巖性圖

表1 巷道斷面形狀及規格表

2 軟巖巷道變形破壞規律

硬巖巷道圍巖介質相當于線性彈性體或理想彈性體，變形量小，一旦形成塑性破壞，圍巖自承載能力將迅速降低。軟巖巷道圍巖變形則是顯著的非線性的塑性變形，容易產生大變形失穩現象，而軟巖巷道圍巖產生塑性區后圍巖仍有一定的自承載能力。巷道開挖以后打破了巖體本身的三向應力平衡，巷道圍巖應力重新分布，若巷道埋深超過軟化臨界深度，調整后的應力高于巖體最大強度的部分巖體就發生破壞，圍巖應力將再次重新調整，形成塑性流動區、塑性軟化區、塑性硬化區、彈性區四個分區，如圖2。彈性區對應于彈性變形階段，塑性硬化區對應于塑性硬化階段，塑性軟化區對應于巖石的峰后軟化階段，塑性流動區對應于巖石的松動破壞階段，其中巷道斷面越大、巖石強度越低、埋深越大及受采動影響越嚴重，則非彈性區范圍越大。同時軟巖也會因時間影響而產生蠕變，圍巖強度進一步降低。

圖2 軟巖巷道圍巖變形分區

3 軟巖巷道控制原則

1）選擇巷道圍巖穩定的最佳支護狀態

圍巖發生彈塑性變形范圍內，圍巖隨變形的增大，支護載荷大幅度降低，如果采用支護限制這種狀態下的圍巖變形，需要很大的支護抗力，如果沒有充分利用圍巖的自承能力，容易造成支護失效，且增加成本。軟巖在塑性硬化狀態下仍然具有一定的強度及承載能力，且淺部圍巖破壞后應力向深部轉移，破壞區內的圍巖得到卸載，支護系統只需要將該區域內圍巖壓實，避免形成松動區，要充分利用其承載能力，達到最優的支護效果。

2）提高圍巖穩定性及支護強度

提高圍巖穩定性是保持支護系統與圍巖變形有效平衡的關鍵，需要避免圍巖遭受破壞和局部出現應力集中現象，要隔絕空氣、水等環境因素對圍巖穩定性的影響，最好采用全封閉式支護方式來提高圍巖的自穩和保持良好的受力狀態。在一定的變形范圍內，圍巖變形與支護阻力關系不大，但當圍巖變形超過一定范圍后，支護阻力減少，圍巖變形會急劇的增大，因此需要提供一定的支護強度。

4 軟巖硐室圍巖支護方案

4.1 支護方案

由于二采區污水處理硐室圍巖屬于遇水易膨脹軟化的軟巖，需要選擇合適支護時機及時封閉圍巖，防止圍巖泥化強度急劇降低。首先，采用全斷面錨網索耦合支護，錨桿組合梁、懸吊作用可以將硐室淺部破碎圍巖形成一個整體，錨索將淺部圍巖與深部穩定圍巖連接起來，形成雙向拉伸應力，穩定圍巖；而錨網索的耦合作用可以有效控制圍巖協調變形，形成支護結構的整體。采用噴漿和鋼筋混凝土砌碹支護能夠封閉圍巖，隔絕水、空氣的影響，同時可以避免支護結構的風化損壞，提高支護強度。砌碹進行一次支護后，待圍巖變形降低到一定程度后再進行二次支護，避免支護抗力過高導致支護系統失效。軟巖硐室極易產生底鼓，底鼓將嚴重影響硐室的正常使用，因此需采用反底拱的結構提高支護力來抑制底板變形。

4.2 支護參數

1）巷道全斷面采用錨網（梯）索噴+單層鋼筋混凝土砌碹支護，一次支護頂幫及反底拱初噴70 mm，復噴50 mm，噴砼標號C20。

2）錨桿布置。巷道1-1、2-2 斷面初噴后全斷面使用Ф20 mm×2800 mm 左旋無縱筋高強錨桿，錨桿采用200 mm×200 mm×10 mm 錨桿盤配Ф12 mm 鋼梯壓網使用。

3）錨索布置。1-1 斷面錨網（梯）噴支護后進行錨索支護。頂部每排布置5 套Φ21.8 mm×9000 mm 礦用普通鋼絞線錨索，1×19 芯；施工時以拱頂正中布置1 套，然后按間距1400 mm 向兩側再各布置2 套；錨索配合W 型錨索梁（孔距1600 mm，規格2000 mm×280 mm×5 mm）及異型托盤（250 mm×150 mm×10 mm）沿巷道掘進方向布置；相鄰錨索梁間錨索排距為1600 mm。兩幫及底板錨索使用規格Φ21.6 mm×6000 mm 礦用普通鋼絞線錨索，1×7 芯。幫部每排布置3 根，距起拱線下325 mm 處布置第一根錨索，底板每排布置4 根錨索，間排距均為1200 mm×1600 mm，錨索配合W 型錨索梁（孔距1200 mm，規格2800 mm×280 mm×5 mm）與異型托盤（250 mm×150 mm×10 mm）使用，幫部錨索梁垂直巷道掘進方向布置，底板錨索梁沿巷道掘進方向布置。

2-2 斷面錨網（梯）噴支護后進行錨索支護。巷道施工段頂部每排布置7 套Φ21.8 mm×9000 mm 礦用普通鋼絞線錨索，1×19 芯；施工時以拱頂正中布置1 套，然后按間距1200 mm 向兩側再各布置3 套；錨索配合W 型錨索梁（孔距1400 mm，規格2000 mm×280 mm×5 mm）及異型托盤（250 mm×150 mm×10 mm）沿巷道掘進方向布置；相鄰錨索梁間錨索排距為1400 mm。兩幫錨索使用規格Φ21.6 mm×6000 mm 礦用普通鋼絞線錨索，1×7 芯。兩幫距起拱線下428 mm 處各布置第一套錨索，然后按間距1200 mm 再各布置2 套。間排距1200 mm×1400 mm，錨索配合W 型錨索梁（孔距1200 mm，規格4000 mm×280 mm×5 mm）與異型托盤（250 mm×150 mm×10 mm）垂直巷道掘進方向布置。

4）反底拱在巷道施工至設計位置后再錨網（梯）噴支護。反底拱錨網（梯）支護與幫部錨網（梯）支護相連。

5）砌碹支護。一次支護后進行二次支護砌碹施工；二次支護全斷面采用單層鋼筋混凝土砌碹，砌碹厚度300 mm，澆筑混凝土強度均為C30。二次鋼筋混凝土砌碹支護待巷道施工至設計位置澆筑反底拱完成后施工。

各斷面支護如圖3。

5 軟巖硐室圍巖監測

對污水處理硐室巷道頂底板相對移近量、兩幫相對移近量、頂板離層量監測等進行現場觀測，布置兩組礦壓觀測點，結果如圖4。從圖4（a）可知兩斷面的最大頂底板移近量均為380 mm，兩幫最大移近量分別為530 mm、535 mm，且均在15 d 后趨于穩定；從圖4（b）、（c）可知兩斷面頂板淺部與深部的離層量均較小，趨于穩定后最大淺部離層量為13 mm、最大深部離層量為15 mm。說明支護系統能夠有效控制圍巖變形。

圖4 現場監測圖

6 結論

1）軟巖巷道變形具有顯著的非線性塑性變形，在塑性變形后仍具有一定的強度，軟巖支護需要在合適的狀態進行，以充分利用其承載能力，達到最優的支護效果，且要具有一定的支護強度。

2）提出了軟巖巷道控制原則，并設計了全斷面錨網（梯）索+噴漿+鋼筋混凝土砌碹支護+底板反底拱的支護方案，對現場硐室圍巖變形進行實時監測，結果顯示圍巖變形較小，并逐漸趨于穩定。