井底大断面关键永久硐室围岩变形机理及其控制技术

薛军正，都海龙

(1.中国矿业大学 (北京)，北京100083;2.晋城煤业集团，山西晋城048006)

随着采煤技术的提高，大采高一次采全厚采煤法得到越来越多的应用，随之带来的是综采装备及其配套设备的体积和重量增加，势必要求满足设备放置和运输的巷道断面越来越大，这对巷道的维护提出了更高的要求。尤其是一些特殊的关键性永久硐室 (如换装站硐室)，相对于普通永久大巷断面更大，而且对巷道围岩变形更为敏感，围岩变形量控制更为严格，若采用的支护方式不当，势必会导致围岩大变形，影响硐室内装备的正常运行。因此，必须采取有效控制硐室围岩变形的修复、支护与加固措施，以保证硐室的稳定并满足使用要求。

1 工程概况

成庄煤矿3号煤厚6.32m，倾角为2～8°，为提高煤炭资源的采出率，在井田五盘区工作面采用大采高采煤工艺。为满足综采设备的转载使用要求，在五盘区副斜井井底新布置更大断面的换装硐室。该硐室断面为直墙半圆拱形，巷宽8.8m，巷高9.1m，沿煤层底板掘进，顶板破顶达到设计高度。原设计采用锚网索支护，采用500号高强锚杆，公称直径22mm，长2400mm，间排距800mm，锚索SKP22－1/1860－8300mm。巷道支护完成后，底板还未硬化巷道全断面即发生了变形，拱部喷层脱落，两帮变形喷层开裂，同时引起桁吊立柱严重表皮开裂，底板底鼓，底鼓严重区域导致桁车立柱发生倾斜，若进一步变形，势必严重威胁巷道的安全使用。作为永久巷道，尚未投入使用便产生了全断面的强烈变形，因此必须对其进行修复，采取合理的支护与加固措施，控制围岩变形。

2 大断面换装硐室围岩变形破坏机理分析

为分析大断面硐室围岩变形原因，采用FLAC2D建立数值模型，对不同断面尺寸和底板变形对巷道围岩稳定性的影响进行分析，分别以成庄矿五盘区井底换装硐室 (断面尺寸8.8m×9.1m)、大巷 (断面尺寸5.8m×4.5m)和通道 (3.0m× 3.0m)建立模型，为消除其他因素对模拟结果的影响，模型中巷道所处岩层的岩性均为泥岩，其他岩层岩性不变，均采用相同支护参数。

2.1 巷道断面尺寸影响分析

图1所示为不同断面尺寸巷道采用锚网支护后计算时步为5000步时，巷道帮部围岩不同深度和距底板不同距离的围岩变形量。随着断面尺寸的增大，帮部围岩表面的变形量最大值急剧增大;当帮部距底板的距离越大时，巷道非线性、非均匀变形的幅度增加;巷道浅部围岩与深部围岩变形量的差值增大，说明巷道断面越大，帮部围岩的剪胀变形越强烈，巷道围岩的稳定性越差。

图2所示为不同断面尺寸巷道采用锚网支护后计算时步为5000步时，巷道拱部与水平方向夹角不同时拱部围岩径向位移量。随着断面尺寸的增加，拱部巷道围岩表面的径向变形量最大值逐渐增大;当拱部与水平方向夹角增大时，巷道围岩非线性、非均匀变形幅度增加;浅部围岩变形量与深部围岩变形量的差值增大，说明巷道断面越大，拱部围岩的剪胀变形越强烈，巷道围岩稳定性越差。

图1 不同断面尺寸锚网支护巷道帮部围岩变形量

图2 不同断面尺寸锚网支护巷道拱部围岩径向变形量

图3所示为不同断面尺寸巷道采用锚网支护后计算时步为5000步时，巷道围岩最大主应力分布状况。由图可见，随巷道断面尺寸增大，最大主应力环形低应力区的范围逐渐增大，低应力区范围越大，浅部围岩支护承载结构内岩体的剪胀变形越强烈，支护承载结构的结构稳定性越弱。

图3 不同断面尺寸锚网支护巷道围岩最大主应力分布状况

2.2 底鼓影响分析

如图4所示，底鼓强烈的巷道帮部围岩的变形量较大，说明巷道强烈底鼓时帮部支护承载结构的稳定性较差;反之，采取有效的控底措施，提高底板围岩承载结构的稳定性，不仅能控制巷道顶底板的移近量，同时还能增强帮部围岩承载结构的稳定性，减小帮部围岩的变形量。大断面硐室施工过程中经常由于施工设备的限制和底板支护施工工序复杂，为了保证掘进进尺而忽视对底板的治理，而且成庄矿3号煤底板主要以软弱的泥岩为主，大断面硐室跨度大，底板结构稳定性差，势必导致底板出现强烈底鼓，影响大断面硐室正常使用。

综合上述分析可知，随着巷道断面尺寸的增大，锚杆与围岩形成组合拱的承载能力减小，支护承载结构的结构稳定性降低，相同地质条件下，采用锚网支护的大断面巷道更容易发生结构性失稳破坏。巷道底板变形、破坏也呈结构性失稳，且巷道底鼓对支护承载结构的整体稳定性有显著影响。若巷道底鼓强烈，则帮部围岩承载结构的稳定性降低，更容易产生结构性失稳，采用有效控制底板围岩变形的方案不仅能提高底板围岩抗变形的能力，同时能增强帮部承载结构的结构稳定性。

图4 不同底鼓程度锚网支护巷道帮部围岩变形量

大断面硐室围岩变形破坏机理是由于大断面掘进后巷道围岩应力重新分布，相对于小断面巷道掘进后围岩内分布的应力水平更高，导致硐室围岩受更高的应力作用，围岩体内节理面的结构效应降低［1－2］。在更高的应力环境中围岩受到挤压，产生屈服、剪切滑移，产生塑性剪胀变形和张裂破碎，从而引起硐室全断面出现大变形。大断面硐室掘进完成，两帮形成更高应力集中的峰值区，高应力传递到巷道底板，导致底板承受的应力超过围岩屈服强度，底板开始剪胀变形释放高应力，底板变形导致帮部围岩承载结构稳定性进一步降低，从而引起巷道全断面整体变形破坏［3－7］。

3 围岩控制方案及作用机理

根据成庄矿五盘区换装硐室目前采用的支护方式和变形破坏情况，结合段河井底换装硐室围岩地质力学条件，从提高支护强度和增强支护承载结构的长期稳定性出发，井底换装硐室加固原则为:在已有支护技术的基础上，采用注浆原位加固的方法提高锚杆及其支护构件与围岩形成的支护承载结构强度，然后采用注浆锚索进行结构补偿增强其稳定性。大断面高强稳定性加固支护的思路为:

(1)采用水泥浆液与聚氨酯化学浆复合注浆，注入已变形破碎围岩裂隙，凝固后形成与围岩紧密粘接的结石体，充填、嵌入破碎围岩内部裂隙，依靠水泥浆固化提高围岩的强度，以及化学浆高度的粘结性能，与破碎围岩形成一个近似完整性的高强度、高黏聚力的原岩结构条件，防止围岩裂隙扩展破坏向深部发展。而且，高强度固结体充填嵌入破碎围岩内部裂隙，保证锚杆、锚索施加围岩表面的预应力能够完整传递到锚固范围的围岩内，显著提高支护承载结构的强度［3，5，8］。

(2)采用水泥浆液、化学材料提高锚网支护承载结构强度的基础上，对采用预应力全长锚固的锚索进行结构补偿，提高支护－围岩承载结构的稳定性和围岩抗剪胀变形的能力［9］。

(3)换装硐室为关键性的永久硐室，内部桁吊的立柱较多，控制底鼓很关键，而且控制底板稳定有利于对帮拱围岩变形的控制。底板支护根据立柱的基础布置进行，采用预应力全长锚固强力锚索配合钢筋梯子梁支护，保证硐室底板长期稳定［10］。

4 现场试验

整体方案为先进行水泥浆液和化学材料复合注浆，再采用预应力全长锚固注浆锚索支护。整个工程的施工顺序为先进行巷道底板的注浆施工，再进行巷道帮顶的注浆施工。巷道帮顶的施工顺序为:高压水泥注浆→化学注浆→注浆锚索支护→终喷。

4.1 换装硐室加固支护方案

4.1.1 加固材料

水泥浆使用42.5普通硅酸盐水泥，水灰比0.6∶1～1∶1，与添加剂XPM配制浆液，添加剂用量为水泥重量的8%～10%。大范围漏浆时间歇压注水泥－水玻璃双液浆堵漏，水泥浆和水玻璃的体积比为1∶0.4～1∶1。

高分子加固材料“天地加固101” (GRT－101)，具有黏度低、渗透力强、固结强度高等特点。化学注浆:中空钻杆注浆，自行封孔。

锚索为1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，公称直径22mm，极限强度1860MPa，极限破断力550kN，延伸率大于7%。采用承载能力不低于500kN，规格300mm×300mm×16mm的高强度拱形锚索托板，托板拱部氧焊开φ20mm的注浆管孔。注浆锚索附件:注浆管 (铝塑管A1216)。钢筋网:采用 φ6.5mm钢筋焊接而成，网孔规格为100mm×100mm，网片规格为1700mm×2500mm。钢筋梯梁:采用4根φ20mm的A3钢筋焊接而成，规格为φ20－2－1900－250。

4.1.1 底板加固

注浆钻孔布置 底板采用注浆锚索钻孔进行注浆，矩形布置，间排距1600mm×1600mm，孔深8000mm，如图5(c)所示。

图5 加固支护布置

注浆方式 先灌素水泥浆7.28l，锚固注浆锚索，锚固长度3500mm，插入 (A1216)铝塑注浆管预埋孔口，7d后，采用棉纱沾水泥浆封孔、铺设钢筋梯梁、托盘、索具，张拉锚索后注浆。锚索预紧力≥180kN，注浆压力4～6MPa，根据现场情况进行调整。

锚索角度 靠近巷帮的两根锚索向巷帮外扎15°，其他锚索全部垂直巷道底板布置。

4.1.2 帮拱加固

水泥注浆加固 围岩水泥注浆钻孔孔深5000mm，钻孔排距1600mm，如图5(a)所示。先埋设长度800mm孔口管，孔内下长度4000mm射浆管，全长一次注浆。注浆压力为4～6MPa。

化学注浆加固 化学注浆正常在硐室拱肩部位进行，底部钻孔距底板高度为2500mm，呈矩形布置，排距 3000mm，间距 2200mm，孔深全部4000mm，如图 5(b)所示。终止压力为 6～8MPa。预计单孔注浆量200～300kg，最大单孔注浆量500kg。

帮顶围岩支护 锚索呈矩形布置，排距1600mm，间距1600mm，如图5(c)所示。采用1支K2335和2支Z2360的低黏度锚固剂端部锚固，锚固长度1970mm，剩余部分采用水泥浆锚固;帮底角锚索参照底板锚索的锚固方式施工。帮底角锚索预紧力≥180kN，其余锚索预紧力≥250kN，锚索孔终止压力2～3MPa。

4.2 支护效果

为对硐室采用加固支护的效果进行评价，现场硐室加固施工完成后，在换装硐室内安装两组表面位移测站，监测巷道表面位移的变化情况见图6。

图6 换装硐室表面位移监测曲线

由硐室围岩表面位移监测结果可知，换装硐室全断面进行围岩综合加固后，围岩表面两帮移近量最大值均为8mm，底板变形最大值13mm。巷道围岩加固后无明显变形，区域围岩稳定，围岩变形得到有效控制，加固效果显著。

5 结论

(1)巷道断面尺寸越大，巷道开挖后围岩应力水平越高，采用锚网支护所形成的支护承载结构的稳定性越差。大断面硐室相对于小断面巷道掘进后围岩内分布的应力水平更高，导致硐室围岩受更高的应力作用，围岩体内节理面的结构效应降低。在更高的应力环境中围岩受到挤压，产生屈服、剪切滑移，产生塑性剪胀变形和张裂破碎，从而引起硐室全断面出现大变形;大断面硐室掘进完成，两帮形成更高应力集中的峰值区，高应力传递到巷道底板，导致底板承受的应力超过围岩屈服强度，底板开始剪胀变形释放高应力，底板变形导致帮部围岩承载结构稳定性进一步降低，从而引起巷道全断面整体变形破坏。

(2)在总结围岩变形失稳破坏的基础上，从两方面对硐室进行加固:一方面提高原有锚网支护承载结构的完整性和强度。通过复合注浆原位加固充填、胶结与破碎围岩形成一个近似完整性的高强度、高黏聚力的原岩结构条件，增强锚杆锚索等支护体施加于围岩表面的预应力传递能力。另一方面采用预应力全长锚固的强力锚索进行结构补偿，提高支护－围岩承载结构的结构稳定性和围岩抗剪胀变形的能力。

(3)对于关键性的大断面永久硐室，围岩变形控制要求高，底板布置有大量的设备和基础，必须采用预应力全长锚固的强力锚索加固底板，有效控制底板稳定变形，保证硐室设备和基础安全，而且试验表明底板的稳固能提高帮拱支护承载结构的稳定性。

(4)这种高强稳定型综合加固支护技术，有效控制了大断面关键性硐室围岩大变形，取得了良好的加固效果和经济效益。

［1］陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1994.

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