深埋软岩巷道恒阻耦合支护技术研究及应用

孙晓明张 勇李思标赵成伟

（1.中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083;2.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京，100083；3.昭通金寰矿业有限公司云南昭通657000）

0 引言

浅部煤炭资源的日趋减少，使得煤炭资源的开采深度不断增加。然而，随着资源开采深度的增加，地应力增大、涌水量加大、地温升高等深部不良地质环境愈加复杂，势必给深部煤炭资源的安全高效开采带来极大的安全隐患。其中，深部软岩工程灾害问题尤为突出[1]。为此，国内外学者针对深部软岩工程稳定性控制技术开展了大量研究，如李海燕[2]等提出了新型高预应力锚索和注浆锚杆为核心的联合控制技术；李为腾[3]等提出了方形钢管约束混凝土拱架支护体系，以解决原有锚网索支护强度和刚度不足的难题；何满潮院士等提出以恒阻大变形锚杆为核心的锚网索支护技术、锚网索-桁架耦合支护技术及锚索-钢架耦合支护技术等一系列软岩巷道支护技术。

本文基于上述研究，以石垭口煤矿为工程背景，分析并确定了深埋软岩巷道软岩类型，确定了其稳定性力学转化机制，提出恒阻大变形锚网索耦合支护技术。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

石垭口煤矿位于昭通市昭阳区东北部与彝良县邻接。井田范围呈南北展布，北部宽，南部窄，北起陡坡；井田为单斜构造，缓倾斜地层，倾角变化不明显。断裂构造较发育，地质报告显示该区构造复杂程度应为中等类型。

石垭口煤矿轨道石门围岩位于石炭系下统万寿山组上段，穿过的岩层厚度约136 m（伪厚）左右，揭露岩层岩性依次为：粉砂岩、灰色泥质粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩及黑色煤层，属于典型深埋软岩巷道。

1.2 原支护下围岩破坏特征

轨道石门主要采用锚网索喷、锚网喷+U型棚等联合支护形式，然而巷道在新开后不久就出现围岩大变形现象，其破坏特征如下：

（1）围岩整体变形量大且呈现出四周内缩的变形特征；

（2）巷道底臌量显著，在采用锚网索喷+U型棚+反底拱联合支护虽能够初步控制围岩变形，但30～40 天后即出现钢架压弯、底板钢梁臌出等破坏现象，需要及时的卧底方可进行掘进作业；

（3）现场监测显示围岩变形具有显著的流变效应，随着迎头的不断掘进，往往需要不断对巷道进行返修，才能开展掘进作业。

尽管采用多种支护措施，仍不能有效控制围岩的变形。不仅支护成本高，而且施工进尺慢。

图1 围岩变形破坏特征

2 轨道石门围岩变形力学机制

2.1 软岩类型的确定

以软岩工程力学为理论指导，结合现场实际调研结果，对轨道石门软岩类型和变形力学机制进行核定。

轨道石门埋深约770 m，自重应力约为20 MPa；现场调研可知，围岩遇水极易软化，巷道底板在水的作用下发生显著变形，且根据矿井地质报告可知围岩强度低（单轴抗压强度约20 MPa），将其归为强膨胀型软岩（低强度强膨胀型软岩）；围岩层理、节理极其发育（如图3），现场发现岩石沿层理、节理等结构面产生显著滑移、掉落等塑性变形，故可将其归纳为节理化软岩。

综上所述，可将轨道石门巷道围岩划分为高应力-节理化-膨胀型复合型软岩，即HJS型软岩。

2.2 轨道石门围岩变形力学机制

现场调研可知，巷道掘进层位岩石为以泥岩为主的泥质类岩石，且围岩遇水极易软化，根据相关工程经验，可将其变形归为Ⅰ型（物化膨胀型）中的ⅠAB机制，即分子吸水+胶体膨胀；轨道石门所处水平埋深约770 m，埋深大、自重应力高，可将其归为Ⅱ型（应力扩容型）中的ⅡB机制，即重力机制，根据相邻巷道运输石门掘进期间巷道围岩变形具有两帮变形颇为明显的特征，可将其归为ⅡC机制，即构造应力机制；巷道掘进期间发现断层，在与地质科确认后，初步确定巷道走向与揭露断层成55°夹角，且层理走向与巷道走向亦成约57°夹角，揭露断面内围岩节理成随机布置状态，因而将其归为Ⅲ型（结构变形型）中的ⅢABⅢCBⅢE机制。

可将轨道石门变形力学机制归纳为ⅠABⅡBCⅢABⅢCBⅢE型复合变形力学机制。

图2 围岩层理、节理发育

3 软岩巷道稳定性控制软化对策

由上述可知，轨道石门围岩属于HJS复合型软岩，其变形力学机制为ⅠABⅡBCⅢABⅢCBⅢE型复合变形力学机制[6]，根据软岩工程力学理论，可通过以下技术将其转化为稳定的ⅡB型，进而实现轨道石门软岩工程的顺利实施。具体转化过程如下：

根据现有资料，针对HJS 复合型软岩的复合变形力学机制，首先采用喷浆封闭围岩，减小围岩的暴露时间，同时通过巷道断面优化预留出变形量释放围岩变形能，随后施加恒阻大变形耦合支护控制体系配合锚杆三维优化技术，进一步转化其复杂的变形力学机制，最后通过关键部位支护和底臌三级控制技术实现其转为稳定的ⅡB型变形力学机制。

4 轨道石门恒阻大变形耦合支护设计

4.1 软岩巷道恒阻大变形耦合支护机理

巷道掘进后及时对断面进行喷浆封闭，减少围岩与空气接触时间，快速铺设钢筋网并安设恒阻大变形锚杆/索，通过锚杆/索的高预应力对围岩进行加固，考虑到围岩内部巨大塑性能的释放将会以变形的形式释放，围岩的变形首先作用于恒阻大变形锚杆/索，此时恒阻大变形锚杆/索的受力将会不断增大，当其达到设计恒阻值时，锚杆/索依靠自身的恒阻吸能装置在保证高恒阻值时产生相对位移，随着相对位移的不断增加，围岩中的塑性能将以自身变形和恒阻大变形锚杆/索的变形的形式释放，随着塑性能的不断释放，作用于围岩和支护体的能量将会逐渐减小，此时，恒阻大变形支护体将保证恒阻耦合支护状态，同时实现了对围岩塑性能的层次性控制释放，进而保证了围岩的稳定性。

4.2 轨道石门恒阻大变形耦合支护设计

根据上述分析，结合以往工程经验，确定石垭口矿轨道石门软岩巷道支护形式为：恒阻大变形锚网索喷+钢筋梯+W 型钢带+底角注浆锚管耦合支护，其支护设计如图4，支护参数如下：

（1）恒阻大变形锚杆：采用HMG-300-2.5 型恒阻大变形锚杆，顶帮锚杆间排距均为800 mm×800 mm，平行布置；

（2）恒阻大变形锚索：采用HMS-300-6.3 型恒阻大变形锚索，顶板锚索间排距800 mm×1 200 mm，帮部恒阻大变形锚索排距1 600 mm，平行布置；

（3）底角锚管：采用无缝钢管，尺寸为外径32 mm、内径24 mm、长4 000 mm，内插直径14 mm、长3 500 mm 钢筋，钢管杆体上均匀开凿12 个ϕ 6 mm 圆孔，孔纵向间距500 mm，三花布置；

（4）钢筋梯：由直径ϕ 14 mm 钢筋焊接而成，两根钢筋间距不大于60 mm，连接点间距600 mm，使用12#钢筋扎箍焊接；

（5）W型钢带：采用宽度280 mm，厚度4 mm，材质Q235，孔间距1 600 mm；

（6）金属网：采用ϕ 8.0 mm钢筋焊接而成，网片尺寸为1 000 mm×2 000 mm，网格尺寸100 mm×100 mm，网片搭接100 mm～200 mm，网与网之间通过专用联网器工具，钩扣联结，连接点间距不大于200 mm；

（7）混凝土：喷射混凝土强度等级为C20，浇筑混凝土强度等级为C25，水泥采用425#普通硅酸盐水泥，内掺防水剂。

图4 轨道石门恒阻耦合支护设计图（单位：mm）

5 工程应用

为精准监测围岩的动态变形，采用米字型网格对围岩变形量进行监测，重点监测围岩顶板、左右肩窝处、左右帮部及底板处表面变形量。现场监测数据（图5）显示：

（1）经过110天的监测围岩变形量最终趋于稳定，其中最大变形量出现在左帮及左肩窝处，约为210 mm。

（2）监测点在滞后迎头20天范围内变形处于加速增长阶段；在滞后迎头20～60 天范围内变形处于缓慢变形阶段；在滞后迎头约60 天后，变形开始进入稳定阶段。

（3）恒阻大变形锚索受力随着时间的变化，其受力变化亦分为三个阶段：缓慢增压、剧烈增压和压力稳定阶段，其变化范围与围岩变形量的发展规律具有良好的相似性。

图5 围岩变形量监测

图6 恒阻大变形锚杆受力监测

6 结论

（1）石垭口矿轨道石门属于典型的深埋软岩巷道，其破坏具有变形量大、流变效应显著、稳定性差及返修量大等特点；理论和现场分析可知该巷道围岩属于HJS 复合型软岩；分析并确定了轨道石门围岩其变形力学机制：ⅠABⅡBCⅢABⅢCBⅢE。

（2）制定了行之有效的复合型软岩变形力学机制转换对策：初喷封闭围岩，NPR 锚网索耦合支护限制围岩大变形，底角注浆锚管切断底板应力传递路径以控制底臌。

（3）提出了以恒阻大变形锚杆/索为核心的稳定性控制技术，即恒阻大变形锚网索喷+钢筋梯+W 型钢带+底角注浆锚管耦合支护技术。

（4）现场监测数据显示围岩在滞后迎头60 天（或滞后迎头70 m）后，其变形及受力逐步趋于稳定。