马脊梁煤矿运输大巷返修支护方法

王守贵

（煤炭工业大同矿区建设工程质量监督站，山西 大同 037003）

1 工程概况

马脊梁煤矿煤炭资源储量448.16 Mt，设计可采储量285.67 Mt，矿井建设规模3.00 Mt/a，矿井设计服务年限为68.02a。其运输大巷埋深在780～810 m之间，属于该矿井的永久性大巷之一，巷道所处地段地质条件变化较大，多次穿过泥岩段，巷道原支护采用传统的锚网索支护，锚杆支护参数为：Φ18 mm，长度为1800 mm，间排距为800 mm×800 mm，锚索支护参数为：Φ17.8 mm，长度为5300 mm。设计断面为直墙半圆拱形巷道。在运输大巷开掘后，出现了较为明显的变形破坏情况，严重影响到巷道的正常使用，虽经多次返修，但仍旧出现大面积变形问题［1］。

2 运输大巷变形特征及分析

首先，巷道顶板下沉严重。很多区域顶板出现了明显的开裂、下沉，大面积坍塌现象较多，顶板下沉量平均超过了200 mm，最大下沉量接近400 mm，锚杆、锚索被拉断现象较多，这表明，随着巷道变形量的不断增加，锚杆、锚索失去了原有的支护效能。

其次，巷道底鼓明显。根据现场勘查表明，底鼓量平均达到250 mm，最大底鼓量超过了500 mm，很多地段的运输轨道被掀翻，整个运输的功能已经失去。

第三，两帮收敛明显。两帮收敛量非常大，平均收敛量达到300 mm，最大相对收敛量接近600 mm，两帮上锚杆、锚索被拉出现象较多，且在很多地段形成了大量的网兜，锚网索的支护作用下降明显［2］。

3 运输大巷围岩抗压强度等测试结果与分析

3.1 围岩抗压强度测试结果与分析

为了更好掌握围岩抗压强度对巷道稳定性的影响，选择使用钻孔触探法在运输大巷中部位置对围岩抗压强度进行了原位测试。具体布置方式为：在巷道的两帮中部水平方向、巷道顶板中部垂直方向分别布置深度为10 m的钻孔，使用WQCZ-56型围岩强度测试仪器，对巷道帮部与顶板不同层面的岩石进行抗压强度测试，得到了围岩强度测试结果见图1。

图1 运输大巷围岩抗压强度测试曲线

从图1看出，不论是巷道的帮部还是巷道的顶板，围岩抗压强度整体出现了较大波动，分析导致出现波动的原因，主要是：围岩岩性有着较大的不同，即使处于同一岩性的岩层，也表现出明显的不均质性；围岩抗压强度受到层理、裂隙、节理及软弱夹层等结构面的影响较大［3］。

3.2 巷道围岩残余应力测试结果与分析

本次设计在巷道中端选择使用盲孔法，仪器为JH-30残余应力检测仪，进行了三个位置的巷道围岩残余应力测试，具体测试结果见表1，巷道所处区域内巷道围岩残余应力主要表现为4个特点：

首先，水平应力为最大主应力，最大水平应力均超过了32 MPa，方向在110.23°～119.24°之间，这个方向与运输大巷轴向方向几乎一致。

其次，垂直应力小于最大水平主应力，侧压系数均超过了1.3。

第三，最大水平主应力与最小水平主应力之间的比值平均超过了1.8。

第四，垂直应力的平均数值超过24 MPa。

通过上述分析可知，运输大巷整体处于深井高应力状态，结合巷道多次返修之后，仍旧出现了明显蠕变变形的现象，可判定：巷道已经进入到深井高应力软岩的状态［4］。

表1 巷道围岩残余应力测量结果

3.3 巷道围岩松动圈范围探测结果与分析

为了更为深入掌握巷道围岩变形问题，选择使用钻孔窥探仪对松动圈范围进行了探测，在运输大巷变形破坏较为明显的位置布置5个探孔，分别布置在两帮、两拱肩及拱顶的位置，设计深度为8 m。经过数据处理，得到了巷道探测断面的破裂范围图，按破裂程度不同进行分区，并得到围岩松动圈分区图。通过分析图2可知，围岩整体松动范围非常大，从巷道边界到轻微破坏区之间的距离在7 m左右，巷道边界距离中等破坏区之间的距离在5 m左右，巷道边界距离严重破坏区之间的距离在3 m左右。松动圈整体呈现出环形展布的方式。同时，在严重破坏范围内，裂隙发育明显，张开裂隙为主。综上所述，由于松动圈的范围较大，锚固系统整体失效明显［5-6］。

图2 钻孔窥探仪探测结果

4 运输大巷返修支护策略研究

结合运输大巷出现的变形破坏情况及马脊梁煤矿现有材料实际，设计采用了“恒阻大变形锚杆+钢带+底角注浆锚管”耦合支护方案。

恒阻大变形锚杆支护主要包含有螺母、托盘、杆体及恒阻装置，恒阻大变形锚杆选用HMG-500型号，直径为22 mm，长度6000 mm。其支护机理为：

在弹性变形阶段，巷道围岩的变形能通过外锚固段(托盘)和内锚固段施加到杆体上。当围岩变形能较小，施加于杆体上的轴向应力小于恒阻大变形锚杆的设计恒阻力时，恒阻装置不发生任何移动，此时，恒阻大变形锚杆依靠杆体材料的弹性变形来抵抗岩体的变形破坏。

在结构变形阶段，随着巷道变形量增大，在杆体上施加的轴向应力已经超过恒阻变形锚杆的设计恒阻力时，恒阻装置当中的恒阻体会沿着套管内壁进行滑移摩擦。在滑移中能够达到确保恒阻的效果，依靠恒阻装置整体的结构变形，实现对岩体变形破坏的有效抵抗。

在极限变形阶段，随着巷道变形量的继续增加，恒阻大变形锚杆材料结构整体出现较大的变形，其内部的能量也得到充分的释放，巷道围岩变形量小于设计的恒阻体长度，恒阻装置当中的恒阻体会出现停止摩擦滑移的情况，则这时巷道围岩进入到相对稳定的状态［7］。

图3 恒阻大变形锚杆

同时，考虑到巷道底板有涌水的情况，在巷道的两帮底设置了注浆锚管。为了增强恒阻大变形锚杆支护的整体性，设计采用钢带连接的方式。

具体支护方案见图4。

图4 巷道返修支护设计

5 结语

1）运输大巷返修后，巷道两帮最大相对收敛量95 mm，最大顶板下沉量110 mm，最大底鼓量89 mm，满足了巷道实际使用需要。

2）深部巷道矿压显现形式、强度相对于浅部巷道有着较大的不同，传统的巷道支护方式已经不适用于深部巷道尤其是深部高应力软岩巷道，需充分结合深部巷道支护实际，采用耦合支护理念。