吳曉偉

（同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)主采煤層上部頂板、偽頂多層狀強(qiáng)度較低的泥巖、頁巖、砂質(zhì)泥巖，節(jié)理和裂隙發(fā)育，約45%的巷道受到層狀破碎及其他散體結(jié)構(gòu)等不良地質(zhì)條件影響。軟巖以泥質(zhì)礦物為主，其中泥巖黏土礦物占比為75～78%之間。開采煤層主要位于垂深400m以下，地應(yīng)力較高。煤層圍巖多呈現(xiàn)出可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動(dòng)性等特點(diǎn)。二水平整體埋藏深度在400～450m之間，井下車場(chǎng)、各運(yùn)輸大巷總長(zhǎng)超過5000m，巷道在完成一次和二次支護(hù)后有57%巷道出現(xiàn)不同程度破壞。因此，研究深井高應(yīng)力軟巖巷道的支護(hù)非常必要。

1 軟巖井巷變形分析

1.1 變形特征

根據(jù)對(duì)高應(yīng)力軟巖圍巖穩(wěn)定性和變形機(jī)理的特征研究，其表現(xiàn)形式為以下幾個(gè)方面：

（1）圍巖變形量。全煤巷軟巖圍巖井巷的破壞主要出現(xiàn)在頂?shù)装逡约皟蓭?，破壞程度十分明顯，巷道斷面收縮率能超過80%以上，頂板垮落、嚴(yán)重底鼓和大面積片幫發(fā)生幾率也較高。

（2）圍巖變形速率。均質(zhì)的煤體圍巖所受到的構(gòu)造應(yīng)力，水平方向大于垂直方向，因此即使表面的井巷平衡后，流變趨勢(shì)仍然存在，因此該類圍巖變形速度大。

（3）圍巖變形時(shí)效。由于軟巖的流變性，其不可能達(dá)到穩(wěn)定性狀態(tài)，圍巖各個(gè)方向上的變形隨著時(shí)間緩慢變化，明顯的變形需要構(gòu)造應(yīng)力在時(shí)間上積累到一定的程度，所以說軟巖的變形具有時(shí)效性。

1.2 軟巖平衡拱機(jī)理

實(shí)際井巷開鑿過程中圍巖發(fā)生塑性變形和斷裂后，承壓狀態(tài)下仍然保持承載能力，圍巖變形、片幫和冒落到一定程度會(huì)與垂直應(yīng)力平衡，圍巖呈現(xiàn)自穩(wěn)狀況，稱為“自穩(wěn)平衡現(xiàn)象”。井巷的頂板應(yīng)力會(huì)隨井巷的開鑿而重新分布，垂直方向受到地應(yīng)力會(huì)逐步減弱至零甚至出現(xiàn)相反懸拉應(yīng)力，水平方向也會(huì)隨擠壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為局部拉應(yīng)力。井巷頂板受到的擠壓應(yīng)力會(huì)在圍巖中形成“拱狀承載結(jié)構(gòu)”，這種平衡狀態(tài)被稱為“自穩(wěn)平衡拱”，這種理論被稱為“自穩(wěn)平衡拱理論”。在此理論中，根據(jù)井巷的巖體受力狀態(tài)，由于在垂直方向受到拉應(yīng)力可能存在冒落危險(xiǎn)，水平方向受到剪應(yīng)力的巖體單元體可能存在片幫等危險(xiǎn)，根據(jù)危害程度分為穩(wěn)定區(qū)、擠壓受壓區(qū)、易冒落區(qū)，見圖1所示。

圖1 巖體穩(wěn)定性分區(qū)

巖體的破壞狀態(tài)以及應(yīng)變隨應(yīng)力變化趨勢(shì)，巖體隨應(yīng)力作用當(dāng)達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)細(xì)小裂紋，當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增加達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生不可逆的塑性變形，巖體塑性破壞階段的承載力會(huì)隨變形而下降，但還會(huì)具有承載能力，當(dāng)?shù)竭_(dá)破碎的強(qiáng)度極限會(huì)直接發(fā)生巖體破碎。

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

永定莊煤業(yè)二水平各車場(chǎng)及主要巷道施工一次支護(hù)主要采用錨網(wǎng)噴，二次支護(hù)錨網(wǎng)噴以及鋼筋混凝土砌碹。整體支護(hù)效果不理想，仍有巷道處在變形、收幫、底鼓等現(xiàn)象，并且圍巖初期變形速率較高，變形持續(xù)且不易穩(wěn)定。分析后認(rèn)為存在以下問題：一次支護(hù)支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值較低；施工過程中錨固劑效果、噴漿配比、施工厚度等施工的細(xì)節(jié)控制不當(dāng)；支護(hù)方式仍然采用硬巖的“先讓后抗”，不適于軟巖支護(hù)。

通過分析，決定對(duì)其進(jìn)行修改。先將支護(hù)方式更改為：一次支護(hù)仍采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，但提高了支護(hù)強(qiáng)度，改為強(qiáng)力錨網(wǎng)噴支護(hù)；二次支護(hù)改為錨注支護(hù)；同時(shí)在易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象的巷道設(shè)置底板反拱。

2.1 支護(hù)方案優(yōu)化

（1）一次支護(hù)。一次支護(hù)所采用的加強(qiáng)錨網(wǎng)噴支護(hù)，將螺紋鋼樹脂錨桿由直徑20mm改變成22mm，同時(shí)使用全長(zhǎng)錨固，錨桿整體長(zhǎng)2.5m，預(yù)緊力124Nm，錨桿間距600×600mm。金屬錨固網(wǎng)選擇網(wǎng)孔大小100×100mm的10mm圓鋼網(wǎng)。巷道噴涂100mm厚的C30混凝土漿，凝固后一次支護(hù)完成，并且及時(shí)設(shè)置巷道變形監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)圍巖礦壓變化情況，當(dāng)變形速率滿足預(yù)留變形量要求的范圍后，即小于150mm/d且趨于穩(wěn)定后可開始下步操作，通常情況下為25～30d后正式開始二次支護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，最大變形速率315mm/d，15d變形穩(wěn)定后18～20mm/d。

（2）二次支護(hù)。相對(duì)原來二次支護(hù)方式調(diào)整為錨注方式，錨桿調(diào)整為直徑27mm的鋼管，錨桿長(zhǎng)度2.4m，間距250×250mm，注漿材料為超高水材料，材料以鋁土、石膏、石灰以及緩凝劑等組分組成，實(shí)際使用過程中注漿材料為a、b料兩種，注漿前混合使用。注漿孔深度為巷道直接頂高度，一般取2m，注漿滲透擴(kuò)散半徑通常為3m左右，所以錨桿間距范圍在2.5～3.5m，錨桿與底板角度呈45°。注漿壓力選擇5～6MPa，注漿應(yīng)完全充滿圍巖周邊裂隙為止，由于圍巖性質(zhì)為破碎性較高的軟巖，實(shí)際操作過程中漿液可能會(huì)從相鄰錨桿、附近圍巖裂隙流出。錨注支護(hù)主要特點(diǎn)為內(nèi)注外錨，有效改善有節(jié)理、裂隙發(fā)育的松散軟巖結(jié)構(gòu)，封閉圍巖裂隙，提高粘結(jié)力，同時(shí)防止裂隙水對(duì)礦體圍巖的侵蝕。

（3）底板反拱設(shè)計(jì)。為防治軟巖巷道嚴(yán)重底鼓，首先應(yīng)調(diào)整巷道寬度，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)將預(yù)留變形量增加至15%，同時(shí)根據(jù)巷道情況設(shè)置必要的底板反拱。

高應(yīng)力-膨脹性軟巖圍巖具有變形量大、圍巖易破碎等特點(diǎn)，同時(shí)底板易出現(xiàn)較大變形量，易底鼓突出，嚴(yán)重時(shí)可到達(dá)600～700mm。下山巷道斷面跨度為3500mm，服務(wù)周期長(zhǎng)，圍巖性質(zhì)底鼓明顯、兩幫偏移嚴(yán)重。頂板沉降破壞是由兩幫松動(dòng)造成的，針對(duì)不同巖性結(jié)構(gòu)的井巷，需要采取不同的技術(shù)處理措施：對(duì)于較好巖性的砂巖巷道，可只調(diào)整錨桿支護(hù)參數(shù)，強(qiáng)化對(duì)圍巖兩幫、底板的控制措施，避免改變井巷斷面設(shè)計(jì)參數(shù)；而巖性較差的軟巖巷道，應(yīng)盡量調(diào)整斷面尺寸，從而提高巷道穩(wěn)定性。下山巷道盡量保持原設(shè)計(jì)尺寸，在一、二次支護(hù)的作用下控制井巷頂板、兩幫。其次對(duì)底板采取反拱設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)深度600mm，同時(shí)采用錨網(wǎng)噴封閉，噴涂厚度也應(yīng)達(dá)到100mm。

2.2 支護(hù)效果

通過優(yōu)化支護(hù)，加強(qiáng)了對(duì)巷道頂板與兩幫的控制；通過反拱設(shè)計(jì)，控制了底鼓突出現(xiàn)象。方案實(shí)施后，沒有再出現(xiàn)大范圍的巷道破壞和碎裂現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)底鼓影響巷道使用的現(xiàn)象，安全性得到了提高。另外，由于巷道圍巖穩(wěn)定性得到控制，減少了對(duì)巷道維護(hù)的工作量，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。

3 結(jié)論

在分析軟巖巷道圍巖變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)一次支護(hù)、二次支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)底鼓現(xiàn)象提出了底板反拱設(shè)計(jì)。方案實(shí)施后，沒有再出現(xiàn)巷道大范圍破碎和底鼓現(xiàn)象，說明該方案可以提高巷道穩(wěn)定性。