软岩巷道失稳及高强全锚注支护分析

董明明

(大同煤矿集团设计研究有限责任公司， 山西 大同 037003)

伴随着我国煤炭产业的持续发展，数十年高强度的煤炭开采作业，使得国内各大矿区浅部煤炭资源日益枯竭，深部开采已成为所有矿区下一步发展的必然趋势。而在深部回采中，井下巷道处于有别于浅部巷道的应力环境，因此巷道支护工艺的改进更新必不可少。A 矿井下三水平回风上山巷道埋藏深度接近750 m，在该巷道的掘进作业中巷道围岩表现出矿压显现显著、岩体破碎性强、巷道易变性等特征，属于典型的深部软岩巷道。这使得常规的“锚网带+锚索”支护、“锚网索+U 型钢”支护等支护工艺无法对巷道围岩变形破化进行有效控制，极大的威胁到井下生产安全开展和矿井综合效益的获得[1]。有鉴于此，针对A 矿三水平回风上山巷道地质力学特点，设计针对性的高强全锚注支护工艺，从而实现对围岩的有效控制意义重大。

1 围岩变形破坏原因分析

1.1 埋藏深度大高

A 矿三水平回风上山巷道埋深深度接近800 m，覆岩密度均值按照每立方米2.6 t 计算，覆岩垂直应力超过20 MPa，加之可能存在的构造应力叠加影响，巷道掘进中实际地应力水平往往会高出预估值。因此，为有效了解井下实际地应力状况，运用钻孔套芯应力解除法针对巷道地应力实况进行测定。通过井下实测，上山巷道原岩应力场中第一主应力为水平应力，侧压系数介于1.23～1.70 之间，最大水平应力优势方向为南东—北西方向，最大值介于30.2～39.1 MPa，方位角280°～340°；同时，回风上山巷道方位角为160°～195°，主应力最大值方位角与巷道轴呈大角度斜交，由此根据最大水平应力相关理论，上山巷道围岩所处原始应力状态对于围岩稳定性有着显著的负面影响，这使得巷道掘设过程中诱发的高地应力容易同低围压产生冲突，导致围岩破坏速度增大，进而促使围岩破裂深度增加，诱发巷道出现严重变形。图1 所示即为地应力测定布置与水平应力方位示意图。

图1 为地应力测定布置与水平应力方位示意图（m）

1.2 围岩强度低且整体松散破碎

依照分析矿井初期地质勘探数据，井下上山巷道围岩以砂质泥岩为主，岩层呈中厚层状，钙质胶结现象较为突出，同时岩体内部存在斜层理和交错层理，围岩强度低、破碎性强，属于典型软岩岩层。此外，在高应力影响下，巷道围岩中的坚硬岩体同样呈现出工程软岩相关特征[2]。

1.3 巷道断面大

回风上山巷道掘进施工选用台阶式爆破施工工艺，在掘进施工时对围岩扰动破坏严重；回风上山巷道设计断面较大（宽6 300 mm，高5 000 mm），因此其对应的等效园半径较大。通过有关力学理论研究表明，井下巷道围岩的轴向应力聚集程度与巷道断面积呈正相关性。此外，底板岩体的软弱使得其在搞水平应力影响下，极易发生底鼓变形。

1.4 原支护方案支护效果不佳

A 矿三水平回风上山巷道原支护选用“两锚两注”工艺，其施工流程为：一次锚网索喷→一次浅孔注浆→二次锚网喷→二次浅孔注浆。井下支护时主要支护材料及参数如下：支护锚杆选用直径22 mm，长3 000 mm 的左旋高强度树脂莫干，布设排间距为800 mm×800 mm；支护锚索使用直径21.6 mm，长8 000 mm 的19 丝钢绞丝锚索，布设排间距为1 600 mm×1 600 mm。一次注浆时，钻孔深度2 500 mm，注浆管使用直径20 mm，长1 000 mm 的钢管；二次注浆时，钻孔深度4 000 mm，注浆管使用直径20 mm，长2 000 mm 的钢管，两次注浆钻孔布设排间距均为1 500 mm×1 500 mm。同时，巷道表面应铺设网格间距为80 mm×80 mm 的钢筋网，其搭接长度不低于100 mm。

上述支护工艺不仅施工工序繁琐，而且高密度的支护作业所需支护成本极高，加之各个作业工序间无法平行作业，进行劳动强度较大，施工速度较慢，不利于巷道围岩第一时间的快速有效支护，围岩控制效果较差。

2 巷道稳定性控制分析

2.1 支护设计原则

1）为有效规避最大水平应力直接作用于回风上山巷道顶板岩层，从而导致顶板出现剪切破坏，引起围岩的持续性膨胀变形破坏，这就需要针对巷道顶板岩体开展有效的深层次、大区域锚固注浆加固，以实现对锚固体横纵向抗剪切能力的最大程度增加。

2）选用高强中空锚索进行全锚注支护，从而实现巷道围岩破碎岩体的有效固结，以确保锚索实现全长锚固的同时实现对围岩的深孔注浆加固，全面提升围岩强度和完整性，使得其自身承载性能大幅增强。

3）由于深部软岩巷道顶底板同巷帮围岩间属于相互作用的统一体，因此围岩的失稳破坏通常会引起强烈的巷道底鼓现象，其底鼓类型多为强度—应力型底鼓，需要在支护设计时将底板控制作为关键要点进行针对性设计。

2.2 高强全锚注支护技术参数

针对A 矿三水平回风上山巷道原支护存在的不足，改用高强锚注支护工艺，借由高强度的“注浆锚索+注浆锚杆”针对围岩开展梯次性注浆，同时配合钢带和钢筋网开展联合支护[3,4]。注浆时所用浆液为“42.5R 水泥+8%专用锚注添加剂”，水灰比为1∶2。图2 所示即为锚注支护布设断面示意图，其支护参数如表1 所示。

图2 高强全锚注支护布设断面示意图（mm）

表1 高强全锚注支护参数统计表

2.3 高强全锚注支护效果评价

1）巷道表面位移测试分析。A 矿三水平回风上山巷道锚注支护约800 m，通过对矿压测试观测三个月内巷道表面仅仅位移了30 mm，三个月后，各观测点位移基本为零，巷道变形得到了很好的控制。

2）对巷道内部进行位移测试。在锚注支护巷道中，每隔60 m 布设一个观测断面，每个断面3 个观测孔，孔深为8 m，观测孔内每隔1 m 深设一固定观测点。三个月后对巷道两帮变形进行观测，观测结果各观测点位移量基本为零，说明巷道两帮变形得到了很好的控制。

3）采用全锚注支护施工简单，井下工人劳动强度小，巷道掘进的速度有了很大的提高，巷道维修量也明显减少。

4）对原支护方式与全锚注支护方式支护费用进行比较分析，全锚注支护费用仅仅是锚喷网支护费用的一半，而且支护效果优于原支护方式，巷道的返修率更低[5，6]。

3 结语

深部回采作业作为煤矿发展的必然趋势，确保深部巷道支护的有效性，是实现深部回采作业有效、安全开展的必要前提。矿井管理者必须关注相关问题，在生产实际中多组织专业技术人员，立足矿井生产实际，总结具有针对性的深部巷道围岩控制技术，实现对深部巷道围岩稳定性的有效控制，全面提升其强度，为矿井的持续发展奠定基础。