深部開采軟巖巷道圍巖失穩控制技術研究

高威力

（山西焦煤汾西礦業兩渡煤業公司， 山西 靈石 031302）

0 引言

軟巖巷道圍巖控制難度高，同時隨著礦井采掘深度增加，軟巖巷道數量不斷增加，傳統的支護方式已無法維持軟巖巷道圍巖穩定[1-2]。深部開采軟巖巷道在高地應力、圍巖承載能力差等因素影響下呈現出變形速度快、支護體系容易失效等問題[3]。為此，眾多的學者及工程技術人員對軟巖巷道圍巖控制技術展開研究，并提出圍巖注漿、砌碹支護、架棚支護、全錨索支護等措施，現場應用也取得一定效果[4-6]。但是在支護松軟破碎、高地應力且圍巖泥化嚴重的巷道時，常規的軟巖支護效果不佳。本文就以某礦3500 運輸上山巷掘進為工程背景，提出綜合使用“錨網索+U 型鋼架棚+灌漿”方式支護圍巖，現場應用取得較好圍巖控制效果。

1 3500 運輸上山巷概況

1.1 地質概況

3500 運輸上山巷位于35 采區，巷道埋深均值為850 m，巷道與上覆11 號煤層間距23 m、與下覆13號煤層間距32 m。3500 運輸上山巷服務于35 采區，預計使用時間超過10 年，設計斷面為直墻半圓拱型，設計掘進長度1 560 m，采用綜掘機掘進，掘進區域內斷層、褶曲等地質構造發育，巷道圍巖以粉砂質泥巖、泥巖、細砂巖等承載能力差、遇水容易膨脹的軟巖為主。

3500 運輸上山巷原設計采用錨網索噴支護方式，采用的錨桿為Φ20 mm×2 200 mm 螺紋鋼，按照700 mm、700 mm 間排距布置，施加扭矩為150 N·m；支護用錨索為Φ17.8 mm×4 200 mm 鋼絞線，按照1 200 mm、1 200 mm 間排距布置；護表用網孔100 mm×100 mm 金屬網，規格為1 800 mm×860 mm。在巷道頂部及巷幫均噴射厚度200 mm、強度C20 混凝土。

1.2 巷道圍巖變形特征

在3500 運輸上山巷支護完成后對圍巖變形情況進行分析，具體圍巖變形有下述特征：

1）頂板及巷幫圍巖變形嚴重，現場實測發現頂板、巷幫最大位移量分別可達到1 200 mm、850 mm，局部位置出現冒落征兆，給巷道正常使用帶來一定安全威脅。

2）巷道圍巖變形速度快，變形持續時間長。巷道支護完成后，圍巖持續變形，監測發現初期變形量最快可達到20 mm/d，后期變形速度雖然有所降低，但是也達到4 mm/d；圍巖變形量持續增加，巷道在后續使用期間需頻繁修整。

3）部分位置支護結構失效。隨著運輸上山巷圍巖變形量增加，巷道頻繁修整，巷道原有支護體系在大變形、高應力等因素影響下出現錨桿（索）托盤錨空、金屬網兜甚至金屬網撕裂等問題，容易引起冒頂事故。

3500 運輸上山巷現有的圍巖支護措施難以滿足巷道長時間使用需要，須針對運輸上山圍巖特征、變形特點等采取針對性圍巖控制措施，確保圍巖穩定并為后續使用創造良好條件。

2 軟巖巷道圍巖支護技術

3500 運輸上山巷圍巖以粉砂質泥巖、泥巖、細砂巖等為主，巖層中含有一定量的黏土性礦物，遇水容易膨脹變形。巷道在掘進擾動、高地應力等綜合作用下容易出現持續變形，同時采用的圍巖支護體系強度較低，無法適用深度高地應力軟巖圍巖控制需要。依據現場條件，采用“拱部長錨索+錨桿+鋼架棚+灌漿”結合方式進行支護，通過長錨索+高預緊力提高圍巖控制能力及懸吊效果，通過鋼架棚+灌漿提高巷道表面支護強度。

2.1 圍巖控制機理

對于承受較大地應力的軟巖巷道，控制軟巖變形的關鍵在于給巷道提供較高的支撐力并強化巷道淺部圍巖支護。結合3500 運輸上山巷掘進區域內圍巖特性、變形特征等，提出的長錨索+鋼架棚+灌漿圍巖控制原理為[7-8]：

1）采用可伸縮鋼架棚對巷道圍巖提供較大的作用力。當巷道圍巖較大時，U 型鋼接頭處會出現一定收縮，支護作用力也隨之增大，從而在釋放圍巖應力的同時限制圍巖變形。

2）巷道頂部采用長錨索+高預緊力，使得錨索錨固端位于頂板較為穩定巖層中，高預緊力可給頂板一定的作用力，在提高錨索懸吊效果基礎上降低頂部圍巖變形量；巷幫及頂部全斷面布置錨桿可控制淺部巖層變形，并與錨索相互耦合，達到控制軟巖變形目的。

3）在巷道表面進行高壓灌漿，在高壓作用下漿液通過巷道表面裂隙深入圍巖中，達到提升圍巖穩定性、承載能力目的；同時漿液也可封堵圍巖導水裂隙，避免淋水時圍巖崩解、軟化，達到提升巷道圍巖自身承載能力效果。巷道底板灌漿可有效提升底板強度，避免底鼓問題。

2.2 圍巖支護參數

3500 運輸上山巷斷面為直墻半圓拱型，巷道失穩變形主要出現在支護薄弱環節，具體在巷道肩角、肩窩以及底角位置，將巷道斷面由直墻半圓拱型優化為馬蹄型，不僅可避免巷道支護出現薄弱點，而且通過強化底板支護，達到控制底板底鼓目的。

根據現場實測發現，3500 運輸巷表面1 850 mm范圍內巖體破碎，為提高圍巖錨桿支護效果，支護使用的錨桿規格為Φ20 mm×2 400 mm，錨桿錨固端位于相對穩定的巖層中，可提升錨桿支護效果；巷道斷面按照800 mm、800 mm 間排距布置15 根錨桿，每根錨桿采用3 支型號K2350 樹脂錨固劑錨固；在巷道底角位置布置2 根錨桿。在巷道頂部布置5 根規格Φ17.8 mm×8 000 mm 長錨索，錨索錨固端位于頂板相對穩定的砂巖層中，錨索間排距為1200mm、1200mm，采用4 支型號K2350 樹脂錨固劑錨固。

3500 運輸上山巷掘進區域內地質構造復雜，部分位置圍巖破碎且受高地應力影響，巷道長時間使用后容易變形量大，因此給巷道表面提供較高的支護作用力并提升淺部圍巖承載能力，達到維持巷道圍巖穩定目的。在巷道完成錨桿、錨索施工后，沿著巷道表面按照500 mm 棚距架設第一層U 型鋼架棚，架棚緊貼巷道斷面，各U 型鋼連接位置采用3 副卡纜固定，卡纜間距為170 mm；第一層U 型鋼架棚施工完成后首先對底板進行灌漿，厚度500 mm，隨后按照巷道斷面架設第二層U型鋼架棚，兩層U型鋼架棚間距為500mm；在第二層U 型鋼架棚上綁扎鋼筋、鋪設柔模，并進行灌漿，灌漿材質為水泥、砂石，質量配比為1∶2.5。為改善灌漿漿液性質，在漿液中添加水泥用量的3%～5%速凝劑。灌漿時壓力控制在0.15～0.18 MPa。具體3500 運輸上山巷支護斷面如圖1 所示。

圖1 巷道支護斷面（單位：mm）

3 圍巖控制效果

3500 運輸上山巷采用“拱部長錨索+錨桿+鋼架棚+灌漿”方式支護圍巖后，布置測點對圍巖變形進行持續360 d 監測，具體圍巖變形監測曲線如圖2所示。從圖2 監測結果看出，巷道頂部、底部及巷幫最大收斂量分別為51 mm、36 mm、42 mm，圍巖變形量整體較小，可滿足3500 運輸上山巷軟巖控制以及后續長時間使用需要。

圖2 圍巖變形監測曲線

4 結語

在分析3500 運輸上山巷圍巖變形量特性以及現場地質條件基礎上，判定導致運輸上山巷圍巖變形量大的主要原因為原有支護參數不合理、圍巖為承載能力差的軟巖、巷道所在區域地質構造復雜（部分位置圍巖破碎）以及巷道埋深較大（受高地應力影響）。為此，提出以強化支護強度、控制巷道圍巖薄弱位置的支護方案，具體采用“拱部長錨索+錨桿+鋼架棚+灌漿”方式支護圍巖。

在拱部采用長錨索可提高錨索懸吊效果，降低拱部變形；全斷面錨桿可提高淺部巖體變形控制效果；鋼架棚+灌漿可給巷道表面提供較強的支撐力，并與錨桿、錨索一起控制圍巖變形?，F場應用后，3500 運輸上山巷圍巖變形量得以較好控制，可滿足巷道長時間使用需要。