高应力大变形巷道变形机理及控制技术研究

马华杰，李建永，段文超

(1.山西晋城煤业集团 晋圣坡底煤业有限公司， 山西 晋城 048006； 2.山西晋城煤业集团 勘察设计院有限公司， 山西 晋城 048006)

胡底矿位于沁水煤田晋城矿区，设计开采二叠系下统山西组3#煤层，埋深在450～730 m，总体受蒲池背斜和潘家庄向斜控制，倾角较大，局部20°，发育有落差6～12 m的3条断裂构造。矿井采用综合开拓方式，主斜井、副立井和回风立井均位于井田西部工业场地内，井底车场标高为+200 m，东部盘区大巷布置在3#煤层附近岩层中，水平标高为+150 m. 井底车场和盘区大巷之间采用5条石门联络，石门均为岩巷，采用半圆拱断面。其中，主运石门净宽5.2 m，净断面积18.41 m2，担负煤炭运输及部分进风任务。辅运石门净宽5.4 m，净断面积20.09 m2，担负辅助运输及部分进风任务。辅助进风石门净宽4.5 m，净断面积15.15 m2，担负进风任务。两条回风石门净宽5.6 m，净断面积21.83 m2，担负回风任务。石门均为穿层巷道，围岩以泥岩和砂质泥岩为主，局部为砂岩或粉砂岩。

针对上述5条石门巷道支护，共进行3个阶段的设计优化工作：第一阶段，初始设计阶段，按照批准的初步设计进行施工图设计。第二阶段，一次支护变更阶段，胡底矿井下巷道部分地段发生变形，局部区域拱肩部锚杆断裂、局部顶锚索断裂，经现场调研后，提高了锚杆直径和强度，同时对局部破碎、围岩松散区巷道采取注浆加固措施，并增加了顶帮锚索数量。采取上述措施后，巷道变形未得到有效控制，通过地应力测试、钻孔窥视、对比分析等方法，在分析巷道围岩变形破坏机理基础上，提出了分段锚注支护方式，即第三阶段变更设计。通过三阶段优化设计，巷道变形破坏最终得到了有效控制，经现场观测评价，达到了预期效果。

1 巷道初始支护参数及第一次优化设计

1.1 巷道初始支护参数

巷道初始采用锚网喷+锚索联合支护，支护参数如下：

1) 锚杆采用d20-M22-2200mm高强左旋无纵肋螺纹钢树脂锚杆，材质为HRB335；采用菱形布置，间排距为900 mm×1 000 mm，每根锚杆用MSK2335和MSZ2360树脂锚固剂各1支，锚杆锚固力≥105 kN，预紧力矩≥180 N·m.

2) 网片：采用d6.5 mm钢筋网。

3) 锚索材料为d22 mm钢铰线，长度7 300 mm.锚索采用加长锚固，每根锚索安装时端头用MSK2335和MSZ2360树脂锚固剂各2支，预拉力≥200 kN. 顶部二一二一交替菱形布置，排距2 m，每2 m布置3根。

4) 喷射混凝土厚度为100 mm，混凝土强度等级为C20.

1.2 第一次支护优化设计

根据现场调研和反馈，采用上述支护方式，巷道施工完成后1～6个月，5条石门均有不同程度的变形。巷道两帮最大移近量达到1 500 mm，顶底板变形量最大达到2 500 mm，主要表现为巷道帮、顶喷层大面积开裂，部分开裂严重处喷层已经脱落，裸露出钢筋网片和岩体，局部区域拱肩、顶出现锚杆、锚索破断现象，底板出现不同程度底鼓现象，变形严重处变形量达到2 200 mm.

对巷道变形破坏原因进行分析，认为：1) 巷道变形主要是由于埋深增加，受地应力和构造应力双重影响，巷道受力条件较差。2) 围岩软弱破碎，且巷道施工喷浆滞后，引起巷道围岩表层风化，降低了围岩承载力。3) 初始设计锚杆、锚索支护参数及材质强度偏小，支护强度不够。

基于上述结论，进行了第一次优化设计：1) 锚杆支护材质由HRB335变更为HRB500，锚固力提高至不低于150 kN，预紧力矩≥400 N·m. 同时，巷道顶部增加一根锚索，采用三花布置(三一三一布置锚索，每2 m布置4根)；巷道两帮各增加2根锚索。2) 对局部破碎、围岩松散区巷道采取注浆加固措施。

通过变更设计提高支护强度，新施工的巷道变形得到了有效控制，但随着时间推移，巷道掘进完成后3～6个月巷道围岩又出现新的变形破坏。

2 巷道变形机理分析

巷道变形及围岩失稳受控于多重因素，主要包括：地应力、围岩条件、支护方式及参数等[1-5]. 通过地应力测试、钻孔窥视和理论分析等技术手段，结合上述结果对巷道变形机理分析如下：

1) 大埋深高应力作用下水平剪切变形严重。5条石门埋深达到650 m以上，井下共布置了4个测点对地应力进行实测，见图1. 实测最大水平主应力为18.34 MPa，以构造应力为主导，其最大水平主应力的方向为NEE，与石门轴向方向呈角度斜交，对巷道维护不利。在水平构造应力作用下，加之围岩岩性较差，巷道围岩发生水平剪切错动，首先表现为两帮变形和拱肩变形，向巷道中心发生收缩，在两帮挤压作用下，对顶板和底板产生水平推力，导致顶板破碎和底鼓。

图1 地应力测试情况图

2) 围岩软弱、易风化，结构较差。根据回风石门内施工钻孔窥视情况(见图2)，巷道围岩以泥岩为主，强度低，易风化，风化后呈现碎块状，裂隙较多，围岩结构遭到进一步破坏，承载能力丧失。巷道为穿层巷道，围岩软弱不均、岩性不一，各层间原生节理、裂隙存在，岩层间摩擦系数低，巷道受到水平剪切作用时，各岩层发生相对错动，加剧了巷道的变形破坏。

图2 回风石门顶板钻孔围岩窥视图

3) 对变形巷道进行刷巷，变更支护后变形得不到控制。对变形后巷道进行刷帮、挑顶、起底后进行全断面锚索支护，巷道变形仍不能控制。究其原因是巷道变形后，巷道围岩破坏深度已经超出了锚杆和锚索的有效控制范围，修巷只能去除表面破碎围岩，其内部破碎围岩仍然存在，后期补强锚索仍然安装在破碎围岩范围内，锚索锚固效果弱，锚固范围内裂隙无法传递锚索预紧力，锚索的主动支护效果差，对围岩约束力弱。

3 分段锚注围岩控制技术

3.1 分段锚注围岩控制技术的提出

通过分析巷道围岩变形的影响因素和变形机理，提出巷道围岩变形控制技术[6-11]：

1) 注浆恢复围岩完整性。巷道围岩变形主要是结构破碎，内部裂隙导致围岩完整性变差，控制巷道变形能力提高。采取的措施是围岩注浆，通过注浆将围岩内部裂隙充填密实，提高围岩的完整性和围岩强度。

2) 加固两帮和拱肩，提高巷道围岩抵抗水平剪切的能力。对巷道两帮和拱肩部位进行注浆锚索补强，提高该部位的抗变形能力，降低两帮和拱肩的收缩，避免两帮收缩对顶、底板产生水平挤压影响。

3) 注浆锚索提高围岩自承能力。经过围岩注浆后，围岩结构和强度均有提升，但围岩自身承载能力并未提高，仍然需要主动支护结构提高围岩的自承能力，注浆锚索作为可施加高预紧力的主动支护构件是最佳选择，结合巷道围岩破坏深度的观测，确定注浆锚索长度为6.3 m.

4) 加固底板，提高底板抗变形能力。底板为层状岩层，受力后容易发生底鼓。通过注浆锚索，一方面提高底板的强度，另一方面将多层底板通过锚索紧密组合成一个整体，提高围岩的整体抗变形能力，抑制底鼓。

综合上述支护内容，确定采用分段锚注技术，在巷道掘进迎头后方一定距离分段进行底板注浆锚索、围岩注浆和帮拱补强锚索施工。一方面新掘巷道围岩裂隙并不发育，巷道掘出后应允许巷道围岩发生一定程度的变形进行应力调整；另一方面掘进迎头空间有限，同时进行上述支护措施难以实施，影响巷道正常掘进。因此，采用分段锚注技术理论上是可行的。

分段锚注技术施工工艺流程为：1) 随巷道掘进迎头采用锚杆、钢筋网+加长锚索进行初次支护，并进行初喷50 mm护表。2) 滞后于掘进头40 m左右采用预应力注浆锚索加装钢筋托梁加固底板。3) 滞后于掘进头80～120 m进行壁后注浆。4) 滞后于掘进头200 m以上，对围岩变形稳定区巷帮和拱部采用高强锚索进行补强支护、进行复喷成巷。

其中，壁后注浆现场操作为：首先进行钻孔作业，钻孔d56 mm，孔深(6 000±30)mm；成孔后进行预埋锚索，将锚索、6分塑料灌浆管插至孔底，并填入少量石粉，灌入10 L水泥浆，后拔出塑料管；预埋锚索7天后，底板铺钢筋托梁，插入铝塑注浆管(长度3 000 mm，外露500 mm)，安装封孔胶塞、钢筋托梁、托板、索具，张拉锚索(预紧力≥200 kN)后全长一次注浆，当注浆压力达到2.0 MPa后停止注浆。

3.2 支护参数设计

1) 初次支护。

采用锚网索进行支护，支护参数为：锚杆采用BHRB500钢材，杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4 m，杆尾螺纹为M24.锚杆间距1 000 mm，排距1 000 mm，每排13根；锚杆全部垂直巷道岩面布置，采用树脂加长锚固，使用两支树脂锚固剂，一支规格为MSK2335，另一支规格为MSZ2360.钻孔d30 mm，锚固长度为1 208 mm，锚固力≥150 kN，预紧力矩≥400 N·m. 锚杆配件采用高强锚杆螺母M24×3，配合拱形高强度托板、调心球垫和尼龙垫圈，托板规格为150 mm×150 mm×10 mm. 钢筋网孔规格100 mm×100 mm，搭接长度为100 mm，采用双股16#铁丝每隔200 mm捆扎一道，扭结不少于3圈。锚索d22 mm，长度6 300 mm，间距2 000 mm，排距2 000 mm，每排7根，全都垂直巷道岩面打设。采用加长预应力锚固，使用一支MSK2335和两支MSZ2360树脂锚固剂锚固。钻孔d30 mm，锚固长度1 971 mm；锚索托板采用300 mm×300 mm×16 mm高强度可调心托板及配套锁具；锚索预紧力≥250 kN. 初次支护参数见图3.

图3 初次支护断面图

2) 壁后底板支护。

滞后40 m左右采用预应力注浆锚索加装钢筋托梁加固底板，支护参数为：锚索d22 mm，采用1×19股高强度预应力钢绞线，长度6 300 mm；配套构件采用20 mm焊接钢筋托梁，高强度拱形托板，加装调心球垫。锚索排距2 000 mm，间距2 300 mm，每排3根，中部锚索垂直底板，两侧锚索钻孔向外倾斜10°. 滞后底板支护参数见图4.

图4 滞后底板支护断面图

3) 滞后注浆。

滞后80～120 m对围岩变形严重地段进行壁后注浆，注浆参数为：注浆孔呈矩形布置，间距1 600 mm，排距2 000 mm，钻孔深度4 000 mm；钻孔d36 mm. 两帮底脚注浆孔下扎15°，其余注浆孔全部垂直于巷道围岩表面。钻孔采用埋孔口注浆管，孔内下射浆管(长度3 000 mm)，全长一次注水泥浆；注浆终止压力4～6 MPa，并根据现场情况进行调整。壁后注浆参数见图5.

图5 壁后注浆钻孔布置图

4) 滞后帮顶补强支护。

最后采用高强锚索对帮拱进行补强支护，支护参数为：锚索采用1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，锚索直径22 mm，长度6 300 mm，破断力不低于550 kN，延伸率不低于7%；间距2 000 mm，排距2 000 mm，每排6根；两帮底脚锚索向下倾斜15°，其余垂直岩面布置。锚索采用全长锚固，其中：底脚锚索水泥浆端部锚固，锚固长度3 000 mm，预留第二次注浆张拉预紧段，注浆施工同底板注浆锚索；其余锚索采用3支树脂锚固剂端部锚固，一支规格为MSK2335，两支规格为MSZ2360，树脂锚固长度为1 970 mm，剩余段采用水泥浆锚固。底脚锚索预紧力≥200 kN；其余帮顶锚索预紧力≥250 kN. 钻孔深度(6 000±30)mm，钻孔d56 mm. 滞后帮顶补强支护参数见图6.

图6 滞后锚索补强断面图

4 现场实施效果分析

为掌握支护后巷道围岩变形情况，验证支护效果，采用十字布点法监测巷道顶底板移近量、两帮移近量。以主运输石门为监测对象，每隔40 m设置一个测站，共布置10个测站，对变形量较大的4#、5#测站数据(图7)监测结果进行分析。

图7 不同加固方式下围岩塑性区分布图

由图7可以看出，采用分段锚注技术后，巷道变形得到了有效控制。顶底板移近量最大值在140～155 mm，在支护后的前20 d内，顶底板变形速度最大，变形速率为5.83 mm/d；之后变形逐渐收敛，变形速率逐渐减小并趋于稳定。同样，两帮最大移近量在83～88 mm，在支护后的前20 d内，两帮变形速度最大，变形速率为3.33 mm/d；之后变形逐渐收敛，变形速率逐渐减小并趋于稳定。

5 结 论

1) 通过地应力测试、钻孔窥视、对比分析等方法对巷道围岩变形机理进行了分析，结论为：

a) 胡底矿井下地应力以构造应力为主，最大水平主应力的方向与石门轴向方向呈角度斜交，产生水平剪切变形，对巷道维护不利。

b) 巷道围岩岩性较差，易风化是导致其变形破坏的根本原因。

c) 初次支护强度不足是导致巷道变形破坏的外在因素。初次支护不足，随着时间推移围岩深部产生有害变形，导致现有锚网喷+锚索支护方式失效。

2) 在分析变形破坏机理的基础上，确定巷道围岩控制应提高围岩自身稳定性，同时强化支护，提出分段锚注支护技术：

a) 采用锚网喷+锚索支护方式对巷道围岩进行及时支护，防止形成有害变形。

b) 注浆加固围岩，封堵岩体内裂隙，从根本上提高围岩自承能力，对锚网索支护起到补充和加强作用。

c) 工程实践证明，采用该技术后巷道变形量明显减小，有效控制了高应力大变形巷道围岩变形，同时支护施工也不会对巷道掘进速度造成影响。