深部高地应力软岩巷道支护技术研究

王怀伟，张鹏冲

(1.大同煤矿集团四台矿，山西 大同 130021；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

近几年随着我国煤矿开采深度的增加，掘进巷道的原岩应力越来越大，深部高应力软岩巷道逐渐增多，软岩巷道支护难题日益凸显，在一定程度上给矿井的安全生产造成了影响。软岩巷道与一般的岩石巷道不同，开挖后其巷道的围岩自承能力较弱，巷道往往在一开挖后就呈现出蠕变状态，表现为顶帮变形较大，巷道底鼓较严重，且巷道维护成本高，需要采取一系列的措施来保证巷道围岩整体结构的稳定性[1-4]。

1 工程概况

宁夏红四煤矿煤层埋深较大，最大深度超过900m，属于深井范畴。煤矿深部开采必然伴随着高地应力的出现，在高地应力的作用下，围岩变形明显，巷道产生变形和破坏更加严重。

红四煤矿+280m水平西翼轨道石门埋深947m，埋深较大，巷道先后穿过砂岩泥质、粉砂岩、砂质泥岩、细砂岩和第八含水层等，岩层倾角在17°左右，由地质资料可知，巷道表面围岩岩性较差，岩层裂隙发育、完整性较差，地质条件复杂多变，为典型的深部高应力软岩巷道，巷道支护难度较大。为有效控制巷道围岩变形，在该矿+280m水平西翼轨道石门开展了巷道围岩地质力学参数测试，通过测试合理确定了巷道支护参数，形成有针对性、实用的支护技术方案[5]。

2 地质力学参数测试

2.1 围岩岩性

由钻孔观测结果可知，+280m水平西翼轨道石门顶板以上0～3.9m为砂质泥岩，泥质胶结，裂隙发育；3.9～6.5m为粉砂岩，含有多个夹层，完整性较差；6.5～9.3m为砂质泥岩，泥质胶结，其中6.5～7.4m岩层完整，7.4～8.1m岩层比较破碎，8.3～8.9m岩层完整，8.9～9.3m岩层有纵向裂隙，9.3～9.9m为细砂岩，岩层较为完整。综上可知，巷道围岩探测范围普遍存在离层和裂隙，特别是巷道围岩表面破坏情况更为明显，围岩岩性整体较差。

2.2 围岩强度

利用WQCZ-56型围岩强度测试装置对巷道顶板以上及巷帮10m范围内的岩体进行了原位强度测试，测试数据经过统计、分析和换算可知，该测站顶板以上砂质泥岩段平均抗压强度为35.90MPa；粉砂岩段平均抗压强度为51.83MPa；砂质泥岩段平均抗压强度为37.66MPa；细砂岩段平均抗压强度为55.51MPa。由测试结果可知，轨道石门帮部岩体抗压强度平均值为33.43MPa。整体来看，所测岩层强度中等偏低，但由于岩体中普遍存在裂隙和夹层，围岩的整体强度进一步降低。

2.3 地应力

利用SYY-56型水压致裂地应力测量仪进行地应力测试，测点到读数仪的垂直距离17.1m处水力压裂曲线如图1所示[6，7]。

由图1可得出，破裂压力Pb为16.04MPa，重张压力Pr为10.49MPa，瞬时关闭压力Ps为9.33MPa。

最小水平主应力σh、垂直应力σv、最大水平主应力σH计算公式如下：

σh=Ps-γwh

σν=γH

σH=3Ps-Pr-2γwh

式中，γw为水的容重，N/m3；γ为上覆岩层容重，N/m3；h为测点到读数仪的垂距，取h=17.1m；H为测点埋深，取H=929.9m。

代入Ps、Pr读数值计算可得，测点最大水平主应力σH=17.08MPa，最小水平主应力σh=9.12MPa，垂直应力σv=23.25MPa。

3 深部高地应力软岩巷道控制原则

针对该煤矿+280m水平西翼轨道石门埋深大、地应力水平高、地层中夹层较多、岩层倾角大等地质条件，在分析围岩岩性、围岩强度、地应力分布特征的基础上，提出以下巷道支护系统与参数选取原则。

1)提高锚杆、锚索支护强度。深部高地应力软岩巷道具有变形速度快、变形量大的特点，较小支护强度的锚杆、锚索对围岩大变形的敏感适应性低，不能及时地形成强有力的支护承载结构，使得巷道围岩塑性区、破坏区向深部围岩扩展，围岩变形进一步恶化。因此，需要提高锚杆、锚索的支护强度改善支护承载结构的力学性能，有效抑制围岩变形。

2)帮顶互控。在高应力作用下两帮软弱岩体首先发生破坏，随着变形量的增大，巷道两帮对顶板的支撑承载能力减弱，从而影响顶板的围岩稳定性，而顶板的破坏使得围岩塑性区范围扩大向巷道两帮扩展，深部应力集中程度增大，使得两帮围岩变形进一步恶化，可见顶板与两帮的围岩稳定性是相互关联与影响的，因此，在加强顶板支护时也要重视两帮支护，避免帮顶破坏的恶性循环，实现帮顶互控[8-11]。

3)锚索及高应力锚杆结构补偿。在高应力作用下巷道顶板肩窝、巷道两帮为支护承载薄弱环节，容易产生结构性失稳，采用锚索及高应力锚杆结构补偿可提高围岩体结构稳定性，提高整体稳定性。

4 现场应用及效果分析

4.1 支护技术方案

4.1.1 顶板支护

选用22#左旋无纵筋400号螺纹钢锚杆，长度2.4m，树脂加长锚固，锚杆排距900mm，每排10根锚杆，间距800mm。锚杆预紧扭矩不低于400N·m。

锚索采用每排4根布置，选用Φ22mm、1×19股预应力钢绞线，长度4.3m，树脂加长锚固，排距1800mm，间距1600mm。锚索安装在两排锚杆之间，锚索预紧力要达到250kN。

4.1.2 巷帮支护

选用锚杆为22#左旋无纵筋400号螺纹钢锚杆，长度2.4m，锚杆排距900mm，每排每帮3根锚杆，间距800mm。

锚索每排每帮一根布置，选用Φ22mm、1×19股预应力钢绞线，长度4.3m，排距1800mm，间距1600mm，距离底板500mm。锚索安装在两排锚杆中间位置。

+280m水平西翼轨道石门支护示意图如图2所示。

图2 +280m水平西翼轨道石门支护示意图(mm)

4.2 支护效果分析

图3 巷道表面位移变化曲线

实施高强锚网索支护技术方案后，在该巷道设置了表面位移观测站，巷道表面位移变化曲线如图3所示，从图3可以看出，两帮最大位移量为102mm，顶底板最大位移量为69mm，可见该支护方案能够有效保证巷道整体稳定性，控制巷道围岩变形。

5 结 论

1)通过WQCZ-56型围岩强度测试装置及SYY-56型水压致裂地应力测量仪对巷道围岩岩性、围岩强度、地应力参数进行了测试分析，并基于测试分析结果基础上提出了深部高地应力软岩巷道支护成套技术。

2)通过采取提高锚杆和锚索支护强度、帮顶互控、锚索及高应力锚杆结构补偿等一系列软岩巷道控制措施，确定了合理的支护参数并针对性地设计了支护方案，由现场实测可知，巷道在掘进100d后两帮最大位移量只有102mm，顶底板最大位移量只有69mm，该控制技术能够有效控制高地应力软岩巷道的围岩变形。