软岩巷道交叉点支护设计研究

贺奇峰

(霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200)

1 前言

随着煤矿开采的深度增加、规模扩大，巷道结构越来越复杂。当巷道交叉点不可避免地设立在软岩层甚至极软岩层时，巷道返修率超过60%，常常出现顶层冒出、V形破坏等现象。这与巷道结构、软岩应力变化以及支护设计都有密切的关系。为此，国内外学者对软岩巷道破碎围岩的支护设计进行了深入研究。根据U型钢特征，提出了以锚网喷为主，以U型钢可缩支架为辅的支护方式[1]；根据锚杆承载特性，提出以锚杆强化支护围岩，减缓巷道变形速度；根据巷道交叉点特性，提出了分阶段动态控制支护技术，发展了耦合结构支护[2]。本研究以井下软岩巷道交叉点为中心，软岩以泥岩、煤、泥质砂岩、伊利石与蒙脱石混合层为主，巷道交叉点承受力极差，极易出现软岩破碎，使整个支护结构出现变形，从而失去稳定性。为此，提出以钢管混凝土结构为主、耦合结构为辅的综合支护方案，增强软岩围岩强度，避免巷道返修。

2 软岩巷道交叉点的受力分析

软岩巷道变形是因为围岩应力发生变化，围岩进入塑性状态，实际受力超过极限承受力。因此，需要人为支护加固，增强围岩承载能力。从受力角度看，巷道围岩应力之和为Pt，其受力模型如图1所示。做好软岩巷道的支护工作需要结合破碎软岩的实际情况，将围岩变形产生的应力、围岩的自撑力和支护结构提供的支撑力控制好，利用合理的支护方式释放塑性力对围岩的影响。

图1 软岩巷道应力示意图

3 软岩巷道交叉点支护技术

钢管混凝土支架以井下灌注的方式运用在深井巷道、软岩巷道和断层破碎带巷道中。钢管混凝土支架是钢管内部装有混凝土的组合构件。与同等钢材相比，钢管混凝土短柱比U型钢的轴向抗压能力更强。比如：短轴长度600mm型号为φ194mm×8mm的钢管混凝土轴向可承受力454t；U36型钢的短柱轴向承受力仅为167t。由此可知，钢管混凝土支架的极限承受力是U36型钢支架的2.6倍，具有明显优势。根据周兴国、王忠兴等人的研究，钢管混凝土的抗弯性能可达200kN·m;短轴长度为4.5m的钢管混凝土支架承载力可达1 709kN[3]。由此，将钢管混凝土应用到软岩巷道交叉点支护中，圆形截面使得轴向平面受力相互抵消，从而避免支护体失稳出现支护薄弱地方，确保支护结构不会破损。

耦合支护是广泛应用于软岩巷道交叉点的支护方式。架棚支护和锚网支护的承载能力难以适应软岩和极软岩环境。为此，采用耦合装置将U型钢棚和锚杆、索联合起来，加大支护结构的支撑力。在支护初期，刚性棚子能够有效地控制巷道变形，锚索给浅部和深部岩层提供稳定支撑点，增强了围岩的自撑力。

除了对软岩巷道的支护，还需要对巷道围岩进行注浆加固。软岩的破碎和塑性是降低其自撑力的关键。为此，在开展支护工作前，需要通过围岩注浆的方式将软岩交叉点范围内的破碎岩体进行黏聚。注入破碎岩体的浆液不仅能强化岩体内部松散的破碎围岩，还能够改变岩体结构。并填充围岩支架与岩体之间的空隙，有效改善支架与围岩的受力情况。

4 软岩巷道变形情况及分析

4.1 工程概况及变形情况

某煤矿有两个水平开拓的立井，深度为500、800m。目前，两井主采煤层位于矿井底部，其岩石主要包括泥岩、泥质砂岩、伊利石与蒙脱石混合岩，属于明显的裂隙发育。软岩巷道交叉点出现在水平南大巷与主石门的交汇处，其结构如图2所示。一共有3处交叉点，每一处都需要进行特殊支护。起初采用传统的锚网支护方案，按照锚杆间排距800mm×800mm、护表构件直径6mm钢筋网布设。但在巷道掘进过程中，巷道围岩变形剧烈，而后，采用U型钢支护，但仍存在着喷层开裂、锚索梁屈服破坏的现象，给施工生产安全带来影响。由此可知，软岩巷道支护难点在于巷道围岩的变形比较快，对支护材料的要求比较高，支架结构、注浆、锚网等需要在短时间内能够承受荷载；软岩围岩浅部比较厚，塑性变化的围岩范围广，且已经进行了两次支护；岔路道口的围岩支撑点比较少，对支护结构的依赖比较大，需要支架具备持久的抗压、抗弯能力。

图2 3处巷道交叉点示意图

4.2 软岩巷道变形破坏分析

(1)围岩可塑性强。此处围岩是以泥岩、砂质泥岩和伊利石与蒙脱石混合岩为主的典型软岩，岩石力学强度低，遇水膨胀、软化情况严重，极不稳定。从软岩组成和结构分析，巷道变形与软岩的流变性和可塑性密切相关。支架在支护后期软岩流动不均，支架各部分的受力也发生变化，当应力增加到一定程度后，支架就会被破坏，进而屈服[4]。在此过程中，软岩围岩遇水后的膨化给支架带来压力，进一步加剧了支架屈服破坏。

(2)支护结构承载性能有限。软岩交叉点采用的支护方案以锚网支护为主，虽然后期加入了锚索来加强浅部与深部岩层的自撑力，但这种支护结构受到掘进工艺、围岩结构的影响，难以保证支架与巷道围岩的均匀接触。在支护初期这种问题不会显现，但随着软岩的流动，就会使支架的载荷与设计载荷位置产生偏差。当侧压增大，顶梁就可能向上，呈尖顶变形；当支架腿后部软岩流动，偏心载荷明显后，就会出现支架变形扭曲[5]。

(3)围岩自撑力不足。在进行支护工作前，对围岩进行的加固工作没有起到增强自撑力的作用。U型钢支架属于被动支护类型，单纯架设U型钢支架并不能够满足软岩复杂的地质条件。采用注浆加固围岩措施是为了增强围岩自撑力，减小围岩对支护结构的依赖。

5 钢管混凝土结构—耦合支护方案

在进行支护前，以1号、2号、3号软岩巷道交叉点为中心，对其巷道围岩进行注浆加固。一方面通过液压动力将部分浆液注入围岩空隙内，降低裂隙面的松散度；另一方面在支护后将浆液灌入支护与围岩的缝隙，改善支护结构与围岩的相互作用，从而缩小浅部围岩厚度，改善岩体自撑力。

5.1 钢管混凝土结构在交叉点中的应用

从软岩巷道图2看，1号、2号、3号交叉点之间的距离比较近，1号是巷道的主石门；2号和3号处于水平南大巷，都属于交通连通点。3个交叉点的支护都采用钢管混凝土结构。钢管混凝土结构为6 400mm×4 800mm，支架间距700mm，二次成巷采用φ6.5mm盘圆制作的钢筋网，喷浆厚度150mm,底部采用规格为φ30mm,间排距200mm×200mm。在两道工序结束后，巷道断面需达到5 000mm×4 000mm，施工布置时以支撑架的中线对称分布，确保支架受力均匀。交叉点的支护施工需要经过初喷定形、临时支护、铺设支架、填充空隙几个准备步骤，直至达到围岩面与支架面处于平行状态；而后，将钢管混凝土结构进行支架注浆、扎钢筋、挂金属网、二次注浆、底板锚索等。完成这些步骤后，钢管混凝土结构使支架与围岩连为一体，二者形成相互作用力，有效地避免围岩内部软岩流动造成的支架屈服破坏。

5.2 耦合支护在交叉点之间的应用

在1号与2号、2号与3号、3号与2号之间各有一段软岩巷道。这一段巷道与普通巷道相比，容易受巷道结构变化、软岩流动的影响而变形，为此，将U型钢支架与锚索联合起来实施耦合支护方案。经过围岩注浆后，软岩巷道具备了一定的承载能力，采用耦合支护方案可以避免支架屈服、破坏现象。首先，以U型钢支架为基本支架，发挥U型钢强阻力特性，提升围岩的残余强度；然后，将U型钢支架作为护表构件，把锚索扎入围岩深部稳定区域，一方面将浅部和深部围岩联合成一个整体；另一方面降低U型钢支架与围岩的空隙；最后，在底板采用锚网索支护。锚杆将进一步提升围岩的力学性质，增强抗剪程度；锚索沿巷道轴线进行连续点布设，调动深部稳定围岩承载能力，大大降低了底板变形。在U型钢支架、锚索、锚网的耦合支护中，软岩巷道的围岩和底板的抗压、抗弯能力得到大幅度提高，能够有效地解决目前巷道变形问题。

6 软岩巷道交叉点施工效果

在交叉点范围内，采用“支撑架—异性架—扇形区支架”的顺序对钢管混凝土结构进行施工。在交叉点间的巷道内，采用“U型钢支架—二次注浆—底板锚网”的顺序进行施工。巷道交叉点的不同位置采用不同的支护方案，一方面考虑到巷道变形，另一方面能够降低巷道支护成本。这样既可以保障巷道安全，又能够使效益最大化。经过1年多的时间，3个交叉点的支护结构表现出强的稳定性，没有出现喷层断裂、支架屈服破坏等重大变形，保障了巷道的正常运行。

7 结语

钢管混凝土结构是U型钢结构承受极限载荷的2.6倍，能够为软岩巷道、软岩交叉点提供高强度支护。全部采用钢管混凝土结构会大幅增加巷道变形修复成本，所以在巷道部分采用U型钢结合锚网支护的综合耦合支护方案。从方案实施情况看，钢管混凝土支架组件简易、可靠性强，承载力好；从施工效果看，这一支护方案解决了巷道主石门、水平南大巷的巷道交叉点变形问题，切实满足了掘进工作的需要。因此，钢管混凝土结构—耦合支护综合支护方案具有推广意义，是软岩巷道交叉点支护的理想选择。

[参考文献]

[1] 丁自伟,吕文玉,邱华富,等,深部开采高应力软岩巷道支护技术研究[J],煤炭工程,2016,48(5):53-55.

[2] 孟庆彬,韩立军,张帆舸,等.深部高应力软岩巷道耦合支护效应研究及应用[J].岩土力学,2017,38(5):1424-1435.

[3] 周兴国,王忠兴.深部软岩巷道交叉点钢支架承载能力补强新技术[J].科技创新导报,2013,(24):22-22.

[4] 何晓升,刘珂铭,张 磊,等,极软岩巷道交岔点钢管混凝土支架结构设计与应用[J].煤炭学报,2015,40(9):2040-2048.

[5] 郑显春,李鹏飞,郭 涛.软岩巷道支护技术研究[J].煤炭技术,2016,35(4):63-65.