动压软岩巷道围岩变形特征及综合治理实践

廖学东，昝赵琼

(1. 安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2. 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001)

软岩巷道支护，历来是巷道工程的难题，尤其是动压影响下软岩巷道稳定控制问题，更是煤矿安全生产亟待解决的关键性技术之一[1-2]。国内外很多专家学者对动压软岩巷道支护问题进行了大量的研究[3-8]，解决了很多现场实际问题，但是由于煤矿井下地质环境的不同，动压影响下的软岩巷道的支护问题也变的更加复杂。因此，对动压软岩巷道支护问题需要结合特定的煤矿井下地质环境进行系统的研究，才能提出合理的支护技术，从而保证煤矿的安全生产。

本文通过对某矿一采区轨道上山进行现场勘测，分析了该软岩巷道在动压影响下围岩变形失稳机理，提出了合理的支护措施，得到了有效的支护结果，对该矿的安全生产具有重要的意义，同时给类似条件的软岩巷道及动压软岩巷道支护提供参考和借鉴。

1 试验巷道概况

某矿一采区布置三条上山，其中轨道上山、运输上山、回风上山均为岩石巷道，测试段轨道上山埋深为470～520m，巷道平均倾角为10°，试验巷道总长约290m。 轨道上山为直墙半圆拱形岩石巷道，断面规格：净宽×净高=4000mm×3400mm，净断面11.75m2，原设计采用“锚喷+锚索”联合支护，锚杆规格为Ф×L=22mm×2400mm，株排距=700mm×1000mm；锚索规格为Ф×L=18mm×6300mm，每排在中顶及腮颊处布置三根锚索，株距为1.6m，排距为1.4m；内铺设钢筋网，钢筋网采用横径×纵径=6mm×10mm的椭圆钢加工而成，网格为100mm×100mm；喷射混凝土强度等级为C20，喷厚为100mm。巷道受工作面采动影响，巷道出现不同程度的破坏，顶部出现剪切破坏，浆皮炸开掉落，部分顶部可见金属网，一些锚杆和锚索失效，两帮变形量约300～1000mm，顶板变形量约300mm，底鼓量约1200mm，有些地段已返修2～3次，每次返修后，巷道变形量依然较大，无法满足使用条件。

1 巷道矿压显现特点

根据该矿对该段巷道长期矿压和巷道表面位移的监测结果，可以得出以下结论。

1) 巷道围岩变形量均较大，变形速度快、延续时间长，存在流变特性。巷道返修后变形速率为10～50mm/d，变形持续时间一般在4～5个月，甚至更长；围岩变形量在300～1400mm，尤其是底鼓变形量较大，一般在400～1200mm。该段巷道表面位移变形曲线如图1所示。

图1 巷道变形曲线

2) 巷道支护结构大量破坏，顶部浆皮出现剪切破坏，说明巷道围岩水平应力较垂直应力要大，部分可见金属网，锚杆、锚索部分失效，巷道修复后效果仍不佳，不能保持长时间稳定。

2 巷道围岩物理力学性能测试

通过对钻孔岩样分析，该段巷道两帮和顶板主要为泥质砂岩，底板主要为泥岩、砂质泥岩。对岩样进行实验室力学试验，试验结果见表1。

表1 岩石力学参数

由表1可知，泥质砂岩试件的单轴抗压强度最大为29.32MPa，最小为24.19MPa；泥岩试件的单轴抗压度最强大为19.73MPa，最小为16.64MPa。根据我国支护专家对煤矿软岩的分类[1]，软岩的单轴饱和抗压强度≤30MPa。因此，试验结果表明该段巷道属于软岩巷道，且巷道围岩强度较低。

3 围岩松动圈测试

目前，围岩松动圈测试方法有多种，主要有钻孔电视法、声波法、多点位移计量测法、地质雷达探测法等[9-10]。

本试验采用钻孔电视法，利用YTJ-20型岩层探测记录仪对该段巷道围岩松动圈范围进行测定，测定结果如图2所示。

图2 巷道围岩松动圈大小(单位：m)

由图2可知，巷道左帮的松动圈范围在1.9～2.3m，巷道右帮的松动圈范围在1.6～2.2m，顶板松动圈范围为2.0～2.2m。根据巷道支护围岩松动圈分类[1],巷道围岩松动圈>1.5m时属于大松动圈围岩，因此该试验巷道属于大松动圈围岩。巷道左帮松动圈范围比右帮松动圈范围要稍大，顶板和拱肩松动圈较大。

4 巷道围岩失稳机理分析

根据研究分析可知，该段巷道围岩失稳机理如下所示。

1)巷道围岩主要为泥质砂岩、泥岩。由于围岩强度等力学性能较差，在巷道支护结构选择不合理的情况下，巷道围岩岩体较易破碎，且变形具有流变特性，当前的支护形式不能有效控制围岩的变形，进而导致支护破坏。

2)巷道开掘会导致围岩应力重新分布，巷道周围会形成范围或大或小的松动圈，由于工作面开采的动压影响，围岩中出现集中应力，集中应力进一步重新分布，在没有得到有效治理的情况下，围岩松动圈的范围进一步扩大，即巷道围岩内破碎岩体的范围较原来要大，围岩出现强度衰减的特性，围岩的力学的参数也进一步恶化，且巷道如此反复，最终导致支护体破坏失效，巷道失稳。

5 工程实践

5.1 支护方案设计

通过对巷道围岩失稳机理的分析，针对该段巷道，要增加围岩强度，提高围岩的自承载能力，同时改进目前的支护形式，有效的控制巷道围岩的变形，进而防止巷道失稳。因此，采用锚网喷+锚索+底板锚杆+全断面注浆联合支护技术进行返修。

5.2 支护参数

全断面均采用高性能左旋螺纹杆锚杆，帮、顶锚杆规格为Ф×L=22mm×2400mm，株排距=700mm×700mm；底板锚杆规格为Ф×L=22mm×2000mm，株排距为1000mm×700mm；锚索规格为Ф×L=18mm×6300mm，每排在中顶及腮颊处布置三根锚索，株距为1.6m，排距为1.4m；两帮锚索规格为Ф×L=18mm×4800mm，排距为1.4m，内铺设钢筋网，钢筋网采用横径×纵径=6mm×10mm的椭圆钢加工而成，网格为100mm×100mm；喷射混凝土强度等级为C20，喷厚为100mm 。支护结构如图3所示。

图3 巷道支护结构(单位：mm)

5.3 注浆孔布置参数

巷道沿轴向采用深、浅孔注浆交错布置方式加固围岩，先浅孔注浆，后深孔注浆。

5.3.1 浅孔注浆

巷道帮、顶浅孔注浆孔间距1500mm，底板注浆孔间距为1000mm，帮、顶注浆管采用中空特种钢制成的注浆锚杆，底板采用普通钢管，规格均为Φ25mm×1500mm；巷道底角处采用中空特种钢制成的注浆锚杆，规格为Φ25mm×3500mm，巷道水沟侧距底板500mm，另一侧距底板300mm，倾斜向下布置，与水平线的夹角30°。注浆材料类型为单浆液，选用P.O 42.5硅酸盐水泥。水灰比0.8～1.0，注浆压力控制在1.0MPa左右。注浆孔布置如图4所示。

图4 浅孔注浆孔布置(单位：mm)

5.3.2 深孔注浆

巷道帮、顶深孔注浆孔间距1500mm，底板注浆孔间距为1000mm，帮、顶注浆管采用中空特种钢制成的注浆锚杆，底板采用普通钢管，规格均为Φ25mm×3000mm；巷道底角处采用中空特种钢制成的注浆锚杆，规格为Φ25mm×3500mm，巷道水沟侧距底板500mm，另一侧距底板300mm，倾斜向下布置，与水平线的夹角30°。注浆材料类型为单浆液，选用P.O 52.5硅酸盐水泥。水灰比0.5～0.6，注浆初期压力控制在3.0MPa左右，待注浆一定时间后，调整注浆压力至5MPa，并要求稳压 5MPa 10 min以上。注浆孔布置如图5所示。深、浅孔排距为2000mm，如图6所示。

图5 深孔注浆孔布置(单位：mm)

5.4 巷道支护效果

巷道修复后，设4个表面位移监测站，利用徕卡手持激光测距仪对围岩表面变形进行测量。图7为2#、3#测站巷道表面位移收敛情况。

图6 深浅注浆孔相对位置(单位：mm)

图7 修复后巷道表面位移收敛曲线

监测结果显示：巷道返修后监测期间，围岩变形速率一般在0～1mm/d，最大约2mm/d，顶板变形量为50～80mm，两帮变形量为 90mm左右，底鼓量为90～100mm，巷道修复后2个月左右围岩变形趋于稳定，巷道整体稳定性增强。

6 结论

1) 分析可知，软岩巷道力学性能较差，工作面开采等动压对其影响，巷道围岩体极易破碎，形成较大的松动圈；在巷道底板没有支护的的情况下，底臌变形量远大于顶板变形量和两帮变形量。

2) 采用锚网喷+锚索+底板锚杆+全断面注浆联合支护技术，有效减小巷道松动圈的大小，提高巷道围岩整体性，改善了巷道围岩力学性能，为锚杆支护提供了有效的着力基础，达到巷道围岩和支护结构协同承载的目的，有效控制了巷道围岩变形。

3) 在对动压软岩巷道进行支护时，首先应了解巷道围岩力学性质及变形特征，然后合理选择支护结构，使之与巷道围岩力学特征相适应。

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