孫 樂

(山西焦煤集團官地礦，山西 太原 030022)

1 工程概況

官地礦中四區(qū)軌道巷位于正前巷道3 150 m，主要為正前巷道中四采區(qū)運輸人員及物料。中四區(qū)軌道巷沿8#煤層，老頂為泥巖，直接頂石灰?guī)r，直接底8#煤，老底細粒砂巖，瓦斯絕對涌出量0.5 m3/min，煤(礦)塵爆炸指數(shù)23.17%，煤層自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，巷道埋深在820 m～836 m。從巷道掘進情況來看，巷道所處地段的地質條件較為多變，設計采用錨網(wǎng)索支護，巷道在原支護條件下，出現(xiàn)了較為明顯的變形破壞問題，嚴重影響到巷道使用效果。

2 中四區(qū)軌道巷變形破壞特征

從現(xiàn)場勘查情況來看，巷道主要變形特征為：

首先，巷道頂板和兩幫變形較為嚴重。在已經掘進完成的巷道中礦壓顯現(xiàn)非常劇烈，多數(shù)巷道在掘進完成之后的兩周內，頂板下沉量均超過400 mm，兩幫收斂量超過500 mm，巷道呈現(xiàn)出“Ω”形，全斷面變形破壞明顯。

其次，巷道變形持續(xù)時間較長。不論是已經掘進了較長時間的巷道還是剛剛掘進的巷道，巷道蠕變就長期存在，且蠕變速度表現(xiàn)出較大的波動性，“時快時慢”的特點較為明顯。

第三，底鼓問題非常突出。因為在原支護的初期，忽略了對巷道底板的支護，導致多數(shù)地段的底鼓量超過了800 mm，底板噴層出現(xiàn)了非常嚴重的撕裂，幾乎所有噴漿層均沿著底角或者中軸線抬起，由于底鼓量較大，導致巷道局部斷面出現(xiàn)了明顯的收縮。

3 中四區(qū)軌道巷變形破壞機理

3.1 巷道所處地段的地應力復雜

在巷道內設置了3個測點對巷道所處地段的地應力進行量測。得到的測試結果見表1所示。通過表1可知，水平應力為最大主應力，最大值達到了33.25 MPa，與深部開采實踐相符合，水平應力已經成為深部圍巖的最大主應力； 測壓系數(shù)平均值達到了1.34，測壓系數(shù)較高，巷道所處的地應力環(huán)境較為復雜；垂直應力平均值達到24.41 MPa，與根據(jù)上覆巖層容重與厚度計算的垂直應力基本相同。從地應力測試結果來看，巷道屬于較為典型的深部高應力巷道，在高應力作用下，很多本身較為堅硬的巖石，也表現(xiàn)出軟巖的特性，也就是“工程軟巖”，給巷道支護提出了更高的要求[1-3]。

表1 原巖應力量測結果 MPa

3.2 圍巖內部變形情況與圍巖特性研究

選擇使用X射線衍射儀對巷道圍巖礦物成分進行研究，得到巷道圍巖中包含有較多的云母、高嶺石等膨脹性軟巖成分，這類礦物成分容易出現(xiàn)膨脹風化、泥化軟化的問題，給巷道穩(wěn)定性帶來的威脅較為明顯。同時，對巷道開展了窺視孔試驗，試驗結果表明，在兩幫孔口到孔內的65 cm～85 cm范圍內，巖體較為完整；在65 cm～145 cm范圍內巖體極為破碎；在100 cm～300 cm范圍內巖石較為破碎；在300 cm～420 cm范圍內巖體有明顯的裂隙；超過了420 cm后，巖體整體較為完整。通過鉆孔窺探，表明巷道松動圈的范圍在4 m左右。

3.3 原支護方式分析

從深部巷道支護實踐來看，若巷道處于泥巖等地質條件下，在巷道開挖后，會產生較為劇烈的應力重新分布，若不能提供出足夠的徑向支護強度，巷道通常情況下會出現(xiàn)較大范圍的變形破壞，在原支護條件下，錨網(wǎng)索支護所能夠提供的支護強度非常有限，圍巖應力峰值位置較為深入，導致巷道圍巖處于較為不利的二次應力分布狀態(tài)，再加上巷道圍巖強度相對偏低，在高應力作用下，極易達到圍巖屈服極限，導致應力重新分布的范圍逐步向圍巖深部拓展，裂隙進入到持續(xù)發(fā)育狀態(tài)，圍巖松動圈的范圍更大，原支護條件下的錨固效果逐步下降甚至錨固失效。因此，巷道原支護設計不夠科學是導致巷道出現(xiàn)大面積變形破壞的主要原因之一[4-7]。

4 中四區(qū)軌道巷變形破壞返修支護分析

4.1 返修支護機理

從當前巷道穩(wěn)定性控制實踐來看，對于受到高應力環(huán)境、支護設計條件、圍巖形式等方面因素而影響到巷道穩(wěn)定性的巷道，特別是對于底板鼓起量較大的巷道圍巖，在進行返修支護時，主要可采取圍巖卸壓、優(yōu)化支護等方式。結合本次巷道出現(xiàn)的變形破壞問題，本次提出“錨網(wǎng)索噴+局部注漿加強+局部卸壓”復合返修支護方案，主要支護機理[8]為：

首先，在頂板打設錨索，通過錨索作用，充分發(fā)揮深部穩(wěn)定圍巖對淺部圍巖的限制作用，形成淺部頂板圍巖和深部頂板圍巖相互協(xié)同的變形體系，不僅有助于限制頂板淺部圍巖的變形破壞，同時，對于淺部圍巖所處的應力環(huán)境也能夠有效改善，從單軸應力狀態(tài)轉變?yōu)槿S應力狀態(tài)，推動淺部圍巖所承受的高應力向深部轉移，有效保證淺部圍巖的穩(wěn)定性。

其次，在頂板與兩幫仍舊打設錨桿，更好提升淺部圍巖和錨桿所形成的支護結構的支護范圍，頂板錨桿與錨索形成深淺兩個支護殼體，有效改善頂板圍巖所處的應力條件，增強頂板支護效果。巷道兩幫錨桿長度也從原有支護條件下的2 000 mm增加到2 400 mm，更好發(fā)揮錨桿對兩幫的支護限制作用。

第三，在巷道兩底角打設注漿錨桿?？紤]到巷道底板中包含有較多的膨脹性軟巖成分，同時也受到了底板水的影響而給巷道整體穩(wěn)定性帶來較大的威脅。返修設計在巷道兩底角打設注漿錨桿，通過注漿的方式，實現(xiàn)對底板圍巖出現(xiàn)的變形破壞裂縫有效封堵，提升巷道底板圍巖的整體性，增強底板圍巖的極限承載能力。此外，通過在兩底角打設錨桿的方式，也有助于在底板形成一個“錨桿+注漿液+底板圍巖”的復合支護結構，共同抵抗高應力對巷道底板帶來的威脅。

第四，在底板開展局部卸壓。通過設計卸壓槽的方式，為巷道圍巖底板變形預留出一定的變形空間，將底板的高應力有效釋放，在巷道底板形成“弱結構”，這個“弱結構”可實現(xiàn)對底板有控制的應力釋放，圍巖變形量也可得到有效吸收，對圍巖應力場分布情況實現(xiàn)有效改善，推動巷道底板應力峰值向深部圍巖轉移，讓巷道底板處于應力降低的區(qū)域內，實現(xiàn)對巷道底板的有效保護。

4.2 返修支護方案設計

結合巷道實際情況，對巷道進行了重新設計，具體見圖1所示。

圖1 巷道返修支護方案(mm)

4.3 返修效果分析

在返修支護方案實施后，選擇使用“十字交叉法”對巷道變形位移情況進行了觀察，得到巷道位移曲線見圖2所示。從圖2可知，巷道整體圍巖得到了較好控制，圍巖總體變形量相對于返修之前有了明顯下降，這表明，返修支護方案較好滿足了巷道穩(wěn)定性控制要求。

圖2 大巷返修后圍巖位移曲線

5 結語

1) 深部巷道在“三高一擾動”的影響下，表現(xiàn)出相對于淺部巷道不同的力學響應機制，在深部巷道支護過程中，需充分結合深部巷道所處地質條件，對支護設計方案進行優(yōu)化。

2) 在深部巷道支護過程中，應結合巷道地質條件，對敏感位置、關鍵部位進行強化支護，不僅有助于提升支護效果，還有助于控制巷道支護成本。