軟巖巷道變形支護研究與實踐

馬龍濤 雷志峰 劉 遠

（黃陵礦業(yè)有限公司二號煤礦，陜西 延安727307)

黃陵二號煤礦是年生產(chǎn)能力700萬t的大型現(xiàn)代化礦井，井田為斜井、平硐聯(lián)合開拓，盤區(qū)布置。409綜采工作面位于二號井田四盤區(qū)左翼，工作面走向長度3000m，工作面長度260m。409輔運巷主要滿足于409綜采工作面的運輸、管線鋪設需要。巷道沿煤層頂板掘進（上預留300mm至500mm厚的煤層）。

409輔助運輸巷設計全長2535m，且先后為409、411兩個工作面服務，服用時間長，對圍巖變形要求高，受長期風化、淋水等不利因素的影響大。輔助運輸巷與409綜采工作面之間留設30m煤柱，但巷道將受到409工作面回采的全過程影響，造成圍巖應力的重新分布并形成不均衡應力區(qū)，導致巷道全斷面劇烈來壓，底板和煤柱幫的變形尤其嚴重，使巷道斷面急劇收縮，而在411工作面回采時又將經(jīng)受一次超前采動影響，對巷道支護體系的整體穩(wěn)定性要求非常高。為此，總結(jié)掘巷期間巷道表面變形規(guī)律及巷道破壞機理，為支護參數(shù)優(yōu)化提供科學依據(jù)，并及時發(fā)現(xiàn)工程隱患，以保證安全高效掘進。

1 巷道地質(zhì)條件

409輔運巷位于+700m水平,巷道總埋深為634.5m。巷道布置在2#煤層中，2#煤黑色、塊狀，以半亮型～半暗型煤為主，夾有薄層暗煤，條痕褐黑色，瀝青狀光澤，階梯狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙，較為發(fā)育，部分被方解石充填，夾矸為泥巖，結(jié)構(gòu)：4.9（0.25）0.46。巷道頂板圍巖主要以淺灰色粉砂巖為主，呈薄層狀，斷面較平整，含大量云母片，波狀交錯層理發(fā)育，巖芯完整，較致密，局部夾泥質(zhì)成分，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，厚13m～16.5m。巷道直接底，薄層狀泥巖，較為松軟，局部含煤的包裹體，厚度1m，粉砂巖泥巖細粒砂巖9.9m。巷道頂?shù)装逯鶢顖D見圖1。煤體：普氏系數(shù)f=1，抗壓強度Rc=10MPa，抗拉強度Rt=1.2MPa，抗剪強度τ=2.4MPa。粉砂巖：普氏系數(shù)f=7.3，抗壓強度Rc=73MPa，抗拉強度Rt=8.35MPa，抗剪強度τ=10MPa。泥巖：普氏系數(shù)f=5，抗壓強度Rc=50MPa，抗拉強度Rt=2MPa，抗剪強度τ=4.7MPa。

圖1 巷道頂?shù)装逯鶢顖D

2 巷道變形機理分析

2.1 巷道頂?shù)装鍘r石分析

2#煤層以半亮型～半暗型煤為主，階梯狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙，較為發(fā)育，部分被方解石充填，夾矸為泥巖；巷道頂板圍巖主要以淺灰色粉砂巖為主，巖芯完整，較致密，局部夾泥質(zhì)成分，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)；底板泥巖塊狀，較為松軟，含大量鋁質(zhì)鱗粒。煤層及底板巖層強度較低且底板泥巖具有膨脹性，是引起巷道變形破壞的主要原因。

2.2 巷道破壞變形分析

在破碎軟巖支護中，巷道頂板—巷幫—底板圍巖作為有機統(tǒng)一的平衡體系，其破壞其破壞變形相互影響，即任一區(qū)域的破壞變形都會通過應力、應變傳遞的方式影響其它區(qū)域。

自穩(wěn)隱形拱是地下巷道穩(wěn)定的界面，并以此界面將頂部垂直應力轉(zhuǎn)向巷道兩幫。改變巷道頂角形狀或在頂板適當位置加裝預應力錨桿可以降低自穩(wěn)隱形拱的高度，取得較好的支護效果，兩幫底角圍巖是巷道受力最大的部位之一，是通過兩幫壁圍巖承受巷道頂板載荷的受力基礎，巷道兩幫同底角圍巖失去橫向支撐而向巷內(nèi)擠入，將直接造成巷道斷面的減少和底板鼓起[1－4]。

隨著底板強度降低，零位移點、零應變點均向底板深部發(fā)展，圍巖強度越小，底鼓量越大。底鼓控制需重點加固破碎底板，增大其峰后強度及殘余強度，盡量減小底板自由面積，控制水平應力對底鼓的影響[4－5]。

通過以上分析，破碎軟巖巷道的破壞變形具有整體性，底板作為巷道支承的基礎，其破壞變形將影響巷道幫部圍巖的穩(wěn)定性，而幫部圍巖的破壞變形將影響頂板圍巖的穩(wěn)定，造成巷道壓力增大，進一步加劇圍巖破壞，造成巷道整體失穩(wěn)。巷道兩幫頂、底角及巷道圍巖體系中的軟弱部位應重點加強支護。

409輔助運輸巷布置在2#煤層中，2#煤破碎軟弱，且底板泥巖強度較低，底板及幫部圍巖的破壞變形是巷道破壞變形的主要原因。

2.3 巷道斷面

自穩(wěn)隱形拱理論認為[1-3]：達到塑性破壞后即便是松散的圍巖都具有一定的支承能力，而那些處于受拉應力的圍巖被列入預防和支護的對象。在巷道兩幫無支護狀態(tài)下，巷道垮落片幫的極限深度最大值為hw/2(hw為巷幫高度)，當其發(fā)展到此程度時，自穩(wěn)隱形拱也將會變至最大，這時的自穩(wěn)隱形拱稱為極限自穩(wěn)隱形拱。不穩(wěn)定危害巖體區(qū)劃分見圖2。采用矩形斷面時，錨桿架設于垮落拱內(nèi)，將導致只有錨索起作用的危險局面，大大降低了錨網(wǎng)的支護效果，錨桿形成的有效加固范圍大大減小。

在平面應變問題中，頂板內(nèi)拉應力為零的單元連線為橢圓曲線，稱為自穩(wěn)隱形拱，其方程如下：

式中w0——巷道原始寬度；

p0——原巖應力；

σt抗拉強度。

圖2 無支護巷道圍巖的不穩(wěn)定區(qū)劃分[1]

3 支護方案

巷道設計斷面4.6m×3.8m。頂板支護：頂板采用6根Φ22mm×2800mm左旋螺紋鋼錨桿配合M型托盤及M5鋼帶壓網(wǎng)支護，錨桿間距800mm、排距800mm。同時針對頂板進行“3-2-3”布置方式的錨索強化支護。幫部支護：采用5根Φ20mm×2500mm左旋螺紋鋼錨桿配合M5鋼帶分段搭接，錨桿間距1000mm、排距1000mm。由自穩(wěn)平衡拱理論驗證：頂、幫補支護已基本滿足支護要求。原支護方案下巷道破壞變形的主要原因：未治好“兩幫腳”。原設計忽視了“兩幫腳”的支護，是導致巷道變形的主要原因。

4 巷道變形實測

4.1 測站布置

為了得到破碎軟煤巖巷道的變性特點與規(guī)律，本次在409輔助運輸巷道選取50m典型支護段4個斷面布置4個觀測站進行礦壓觀測，具體包括頂板下沉量及下沉速度、底鼓量及底鼓速度、兩幫移近量及移近速度。截至現(xiàn)場觀測第一天，已施工990m左右，日進尺可達11m。測站布置于掘進迎頭。

4.2 巷道變形規(guī)律

4.2.1 巷道兩幫位移規(guī)律

表1 巷道變形值mm

從表1看出,巷道變形底臌量最大,兩幫移近量次之,頂板下沉量最小,其中底臌量占頂?shù)装逡平?5.6%,由于該礦區(qū)煤系地層中大部分煤層底板附近為砂質(zhì)泥巖,強度較低,而且節(jié)理較發(fā)育,極易破碎失去承載能力,底板破壞向巷道中部移動，帶動兩幫移近，巷道底板與兩幫的失穩(wěn)將最終導致頂板破壞失穩(wěn)。

圖3 表面位移幫部變形量曲線

對四組表面位移測站采用多斷面觀測法共觀測21天，兩幫移近量為27.75mm，單幫變形量14mm；兩幫變形速度最大為10mm/d。

通過圖3～4可以看出，兩幫變形速度在巷道掘出9天內(nèi)速度降至1mm/d以下，巷道掘出12天后，巷道兩幫變形速度降至0.25mm/d以下。即可以認為在測點附近頂板巖性及現(xiàn)有支護參數(shù)情況下，巷道掘出后兩幫變形劇烈期為9天左右，12天后趨于穩(wěn)定，掘巷迎頭應力影響范圍為100m左右。

4.2.2 巷道頂?shù)装逦灰埔?guī)律

在觀測期間，頂?shù)装逡平繛?38.5mm，其中頂板下沉量20mm，底鼓量118.5mm，底鼓占85.6%；頂板下沉速度最大為6mm/d，底鼓速度最大為25mm/d。

圖5 表面位移頂?shù)鬃冃瘟壳€

圖6 表面位移頂?shù)鬃冃嗡俣惹€

圖5～6表明，巷道掘出后，測點頂板下沉速度較小，在巷道掘出5天以后，速度降至1mm/d以下，8天后，頂板下沉速度穩(wěn)定在0.25mm/d以下，迎頭應力對頂板影響范圍為90m左右；底鼓速度較快，剛開始為25mm/d，15天后，頂板下沉速度降至1mm/d，19天后，底鼓速度降至0.5mm/d，基本趨于穩(wěn)定，迎頭應力對底板影響范圍為200m左右。

5 分析與結(jié)論

通過現(xiàn)場實測的結(jié)果可以看出，巷道破壞程度與所處巖性、埋藏深度、支護形式及支護參數(shù)關系很大，其破壞規(guī)律及原因分析如下：

（1）掘進初期巷道變形量大，變形速度快。原因是由于巷道埋深大，造成地應力增大，加上采動影響，使巷道圍巖處于破裂狀態(tài)并造成較大的破裂范圍，從而產(chǎn)生較大的變形量。這與開采深度、巖石力學性質(zhì)、支護方式等有關。409輔運巷的現(xiàn)場觀測表明,現(xiàn)有支護條件下，破碎軟巖巷道剛開挖時的變形速度可達25mm/d以上，5d的變形量就達到其變形總量的62%～64%，8d后該比例上升到82%～86%。巷道收縮變形主要是由于巷道幫、底破碎軟圍巖破壞變形的結(jié)果。

（2）在破碎軟巖支護中，巷道頂板—巷幫—底板圍巖作為有機統(tǒng)一的平衡體系，其破壞其破壞變形相互影響，巷道兩幫頂、底角及巷道圍巖體系中的軟弱部位應重點加強支護。

（3）從實測結(jié)果可以看出，409輔運巷底臌量約占頂?shù)装逡平冃慰偭康?5.6%。這是因為巷道兩幫和頂板進行過支護，阻礙了相應部位圍巖的繼續(xù)變形和圍巖應力的進一步調(diào)整，此時底板成為最薄弱的臨空面，于是應力釋放和巖體擴容變形向底板轉(zhuǎn)移，而底板泥巖強度有較為軟弱，導致底板變形嚴重。巷道底臌增加了巷道礦壓控制難度，使支護復雜化。所以應采用合理的支護形式及支護參數(shù)防治底臌。

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