深部软岩巷道支护技术的研究及应用

解海 王晨

摘 要：为解决某深部软岩巷道支护难题，本文利用有限元软件模拟不同巷道围岩支护体系，从而选择合适的支护方案，确定支护设计参数，并进行现场工业性试验。研究结果表明，采用U36型钢棚+喷浆封闭U36型钢棚+打安锚索梁+巷道壁后及底板注浆联合加固方案对巷道整体进行加强支护，在工程应用中获得了良好的巷道围岩变形控制效果，证实了在工程实践中采用联合加固的方案是可靠的。

关键词：深部软岩巷道;围岩稳定;联合支护;现场监测

中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）35-0083-03

Abstract： In order to solve the support problem of a deep soft rock roadway， the finite element software was used to simulate the support system of surrounding rock of different roadways， so as to select the appropriate support scheme， determine the support design parameters， and carry out field industrial test in this paper. The results show that the combined reinforcement scheme of U36 steel shed + shotcrete closed U36 steel shed + anchor beam + roadway wall back and floor grouting is adopted to strengthen the support of the roadway as a whole， the good control effect of roadway surrounding rock deformation has been achieved in engineering application， which proves that the joint reinforcement scheme is reliable in engineering practice.

Keywords： deep soft rock roadway;stability of surrounding rock;combined support;field monitoring

煤矿软岩巷道围岩变形控制问题逐渐成为影响煤矿安全建设的一大难题，有效提高巷道围岩支护承载结构的稳定性及其承载能力，对解决软岩巷道围岩变形控制问题至关重要。近年来，锚杆支护理论及技术取得了深入的研究和发展，锚杆支护技术能够改善围岩体应力状况、提高围岩体强度、充分发挥围岩自承载能力，能有效地控制围岩变形，得到了广泛的应用[1-3]。本文以鹤壁中泰矿业有限公司某采区泵房水仓为例，根据数值分析结果优选施工方案，并结合现场工业性试验进行深部岩巷支护技术研究，对巷道围岩的支护效果进行监测，从而进行支护控制技术分析，以期提高深部软岩巷道稳定性，保证巷道能够安全高效使用。

1 工程背景

鹤壁中泰矿业有限公司四二采区泵房水仓设计总长度为241.79 m，地面标為179.2～203.2 m，巷道底板标高为-502.32～-506.70 m，埋藏深度为681.52～709.9 m。掘进段地质条件较为简单，为单斜构造，设计巷道顶板距二1煤层底板48～40 m。该地区为新区，掘进中可能存在隐伏构造，局部构造可能较发育，四二采区上部为山西组二1煤层，二1煤层产状如下：走向SE92°，倾向NE2°，倾角∠12°～14°。掘进期间，揭露岩性由上而下描述为：砂岩厚5 m，砂质泥岩厚6 m。巷道掘进揭露岩性以砂质泥岩为主，且巷道右侧紧邻大断层，受此区域构造格局的控制和影响，其对掘进巷道岩体起成岩和构造破坏作用。四二采区泵房岩体的受压性、侧压性及地压表现稳定性差，造成掘进巷道本身为砂质泥岩，受压后极易破碎，使砂质泥岩层与砂岩层的黏结度降低，在施工过程中，巷道成型极不易控制。

2 围岩支护方案选择

为了分析软岩巷道围岩弱结构破坏与稳定性影响，下面以鹤壁中泰矿业有限公司四二采区泵房为研究背景进行三维数值分析，利用有限元软件建立巷道模型，从支护角度对巷道围岩变形与受力变化规律进行数值分析，以探索合适的深部软岩巷道支护方案，并优化施工方案，指导设计、施工。

本研究通过数值模拟分析喷混支护、喷混+锚杆支护、喷混+注浆支护、联合支护（喷混+锚杆+注浆+U型钢支架）四种支护方式围岩变形的控制效果。试验结果如表1所示，当采用喷混+锚杆、喷混+注浆联合支护方式时，其前期拱顶变形量分别为-28.3、-13.7、-7.78 mm，是喷混支护时的59.6%、28.9%、16.4%，而其前期拱底变形量分别为106.05、71.92、28.96 mm，是喷混支护时的93.9%、63.7%、25.7%。不同支护方式下，其最大拱顶沉降分别为-58.78、-43.8、-26.13、-14.99 mm，最大拱底隆起变形分别为165.31、118.90、96.31、40.86 mm，呈逐渐降低趋势。采用联合支护时，巷道拱腰横向收敛变形最小，喷混+注浆法次之，喷混+锚杆法再次之，而喷混支护法变形最大，即-32.61、-82.97、-133.87、-190.28 mm。数值分析结果表明，喷混支护、喷混+锚杆、喷混+注浆和联合支护方式均对围岩变形和应力变化有不同程度的控制作用，但联合支护方式下围岩变形最小。其中，增加锚杆支护更有利于拱顶变形与应力控制，增加注浆支护措施，在拱顶隆起变形和应力波动方面控制作用更明显。结合数值分析结果，本文提出采用套架U36型钢棚+喷浆封闭U36型钢棚+打安锚索梁+巷道壁后以及底板注浆相互作用联合加固的方法对巷道进行支护。

3 巷道围岩弱结构变形控制技术与现场试验研究

3.1 支护方案设计参数

根据上文分析，确定采用联合加固方案对巷道整体进行加强支护，具体设计参数如下。

套架U36型钢棚净断面为宽×高=4.30 m×3.85 m，棚距为650 mm，柱腿与梁搭接长度为450 mm，搭接处采用双卡缆进行固定，卡缆间距为200 mm;棚与棚之间拉杆布置为正顶以及棚腿，棚腿拉杆距巷道底板高度为1.4 m，每个棚腿上距底板1 m布有[Φ]24 mm的孔，该孔打安（打孔安装）[L]=2.1 m [Φ]20 mm的金属螺纹钢锚杆对棚腿进行连锁;棚后铺设单层钢筋背网，规格为[Φ]6 mm，长×宽=1 500 mm×900 mm，眼孔边长80 mm见方，铁背板间距为400 mm;喷浆封闭U36型钢棚要求喷浆厚度必须与棚内侧边缘喷平喷齐。

巷道打安锚索梁采用废旧工字钢加工，加工梁长度为2 m，在距梁端头往里200 mm处分别打一个[Φ]22 mm锚索孔，锚索规格为[L]=6.0 m [Φ]17.8 mm，锚索梁间距布置两肩窝各一根，巷道两帮距拱基线以下600 mm各一根，锚索梁排距梁头对梁头200 mm。

在巷道壁后及底板注浆中，壁后注浆孔为每排7个且垂直于巷道轮廓线，正顶一个，两肩窝各一个，巷帮拱基线各一个，两底角各一个，排距为2 m，孔深为4 m，底板注浆孔采取“三花眼”布置，排距为2.0 m、孔距为1.5 m，角度垂直于底板，底板中线孔深为5.0 m，底板中线两帮各布置一个孔深3.0 m，采取深浅孔间隔交替施工方案。

注浆管长度为1.5 m，注浆终孔压力为3 MPa，注浆材料采用425#硅酸盐水泥，水灰比为1∶1。

3.2 现场工业性试验结果与分析

为了考察鹤壁中泰矿业有限公司四二采区泵房水仓采用联合支护方案的支护效果，人们在现场试验段实施了套架U36型钢棚+喷浆封闭U36型钢棚+打安锚索梁+巷道壁后以及底板注浆相互作用联合支护的围岩变形控制措施。其间对试验段巷道围岩变形进行测量，测量内容主要包括巷道的顶底板相对位移及两帮的相对位移变形量。本研究采用十字交叉法在施工完毕的巷道段布点设置三个测量断面（测站），测站间距为20 m，在巷道顶底板和两帮分别布置A、B、C、D四个测点。测量断面测点的布置如图1所示，周边位移量测测桩如图2所示。

图3为三个测站的巷道顶底板位移变化曲线，从图中可以看出，巷道断面相对位移在前期快速增长，且主要发生在巷道開挖后1～13 d，以后逐渐趋于稳定。分析认为，巷道开挖引起围岩应力重分布产生变形，支护初期，围岩变形尚未稳定，初期支护为柔性支护，故巷道顶底板初期变形较大;随着变形增大，刚性支护起主要作用，顶板位移量逐渐趋于稳定。上文数值分析结果也表明，前期的拱顶变形超过最大变形的50%，前期拱底变形甚至达到了最大变形的70%。数值分析结果与试验结果的吻合也表明通过数值模拟分析确定支护方案的可靠性。图4为三个测站的巷道两帮位移变化曲线，从图中可以发现，两帮位移变化趋势与顶底板位移变化相同，前期增长快，后期逐渐趋于平缓。在试验段根据课题组制定的围岩变形控制措施进行实施，对试验段施工过程中的围岩变形进行现场监测，监测数据表明，围岩变形逐渐趋于稳定，顶板沉降和底板隆起以及两帮位移收敛量均明显地得到控制。

4 结论

根据数值模拟分析结果，本文确定巷道围岩支护采用套架U36型钢棚+喷浆封闭U36型钢棚+打安锚索梁+巷道壁后及底板注浆的联合加固支护方案。其间通过现场调研、理论分析、现场监控量测，分析巷道围岩的变形规律，提出围岩变形控制措施。同时，根据现场监测结果，验证了采用联合支护方案，能有效改善围岩受力状态，控制围岩变形。

参考文献：

[1]何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2002：22-23.

[2]何满潮，袁和生，靖洪文.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004：1-2.

[3]陆士良，汤雷，杨新安.锚杆锚固力与锚固技术[M].北京：煤炭工业出版社，1998：32-34.