软碎回采巷道围岩承载体系及控制技术探讨

冯 宁

（长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）

随着我国煤炭资源浅层储量日益减少，煤矿开采逐渐向深部延伸，巷道围岩所受应力也随之增大。受深层高地应力作用影响，软弱破碎性围岩巷道因围岩自身强度低、胶结性差，在巷道开挖后，近断面浅处围岩率先出现变形破碎区，并向围岩深处扩展；若支护方式选择不合理，容易造成巷道断面控制困难。研究结果表明［1-2］，作为关键承载结构的巷道围岩承担着来自深部岩体的绝大部分应力，作为次级承载结构的巷道内支护系统仅控制浅部围岩变形，但适应性支护方式可有效保证围岩稳定。因此，分析软碎性巷道围岩变形特征及围岩内外支撑体系耦合方式，对于采用合理支护方式控制围岩变形破坏十分重要。

1 工作面基本特征

受近SE-NW走向F7-17断层影响，经坊矿七采区采面规划布置时，在3-701与3-702工作面之间预留近230 m保护煤柱。在3-701与3-702工作面回采完毕后，该处形成孤岛煤柱工作面。为充分回收井田内煤炭资源储量，根据七采区地质特征，在该煤柱区划分出3-边角06和3-边角07两个边角工作面。其中，3-边角07工作面位于北侧邻近3-边角06工作面，南邻近 3-701工作面，西北侧至工作面保安煤柱线，东南侧与七采区轨道、回风巷相连通。工作面主采3#煤层，其顶底板岩性特征见表1。工作面内煤层赋存状况稳定，未见大型断层与陷落柱等情况，水文地质条件相对简单。工作面位置见图1。

从表1可知，3#煤层直接顶为9.8 m厚软弱泥岩。3-边角071顺槽断面5.2 m×3.1 m，沿煤层顶板掘进。掘进过程中，巷道断面变形较大，尤其是局部区段受F7-17断层构造应力影响，表现出巷道两帮煤层松软破碎，顶板产生较大变形，出现离层并形成较大网兜，严重影响巷道施工安全及工程进度。

表1 3#煤层顶底板岩性特征

图1 3-边角701工作面位置

2 软碎围岩变形破坏特征

软碎性岩体通常具有抗压强度低、孔隙率大、胶结程度差、易受构造切割及风化剥蚀，且常含有大量黏土类矿质。根据国际岩石力学学会提供的以单轴抗压强度为指标的量化定义，软碎性岩体单轴抗压强度通常在0.5～25 MPa，其工程力学特性主要由构成岩体的矿物组成成分及结构面性质决定［3-4］。

巷道的开挖扰动过程本质是围岩应力平衡状态的“破立”过程，具体体现在两个方面：一是原岩应力受工程扰动影响，发生应力二次重分布，巷道断面处部分围岩因结构不均匀出现应力集中，而深部围岩应力不断调整，并最终建立符合当前扰动特征的应力平衡状态；二是局部原岩应力受开挖影响，以能量态方式作用围岩，使围岩因应力卸载发生瞬时回弹变形。从另一角度而言，巷道开挖实际是围岩压力由高围压转化为低围压的过程。岩石通常表现为不同受力状态下具有弹性、塑性和流变变形的特征，在三维高围压状态下，通常表现为弹性状态；而在二维卸荷条件下，则可能表现为塑性或假塑性特征。因此，软碎性围岩的变形特征主要由以下五种变形组合形成［3-4］：

（1）弹性变形。受巷道开挖扰动影响，浅部围岩地应力以能量态方式快速释放，使围岩受卸载作用出现瞬时回弹变形，包括瞬时弹性恢复和粘弹塑性恢复。

（2）偏差应力作用下的损伤扩容。岩石扩容是指岩石破坏峰值前微裂隙产生、发展所产生的微裂隙体积膨胀。

（3）碎胀变形。碎胀变形是围岩在经历屈服破坏后岩体沿结构面或破裂区发生的错位变形或滑移变形。受巷道开挖影响，由于局部应力集中造成巷道断面周围形成一个松散破碎区，即松动圈。处于松动圈内的围岩由于应力集中超过其屈服极限，岩石完整性遭到破坏，岩体在应力变化过程中，会产生沿结构面或破裂面的错动或滑移，从而造成岩石的碎胀扩容变形。

（4）塑性区的塑性变形和流变变形。除前述弹性变形及瞬时扩容外，巷道围岩变形往往不是瞬时发生的，通常表现出明显的时间效应。

（5）吸胀变形。巷道开挖造成围岩环境发生变化，使暴露在空气和水中的围岩，在吸收水分后，发生吸胀变形。这种变形的膨胀程度主要取决于岩石的理化性质。

3 巷道围岩承载结构分析

图2中，巷道开挖后，原岩应力受扰动影响，其平衡状态被破坏，围岩应力重新分布并逐渐建立适应工程特征的新应力平衡状态。通常，因二次重分布应力的分布特征，自巷道开挖范围外逐渐形成松散破碎区、塑性变形区和弹性变形区。当巷道未进行及时支护时，由于松散破碎区围岩仍有一定的残余强度，可以短时内抵抗浅层碎胀变形，维持一定的结构稳定。但由于这种抗变形破坏能力很弱，所以围岩最终会出现失稳破坏。当对巷道采取合理支护方式时，由于外部支护结构的承载和约束作用，提高了破碎区围岩强度，改善了浅层围岩应力状况，从而为深部围岩的稳定提供条件。巷道内支护、浅层围岩及深部围岩耦合作用，构成了围岩的自承体系［5-6］。

图2 巷道围岩自承体系［7］

图3 巷道力学模型［7］

根据图3中的巷道力学模型，当巷道浅层围岩残余强度越大，围岩自承体系中深支撑区和浅支撑区的范围也越大，对应围岩抵抗变形的能力也就越强。而围岩残余强度越低，其抗变形能力越弱，围岩变形破坏区域越大，则需要更强的承载体系维持巷道围岩稳定。由于巷道内支护体系对浅层围岩的约束控制作用，可以改善围岩弱面的力学性能，提高围岩残余强度，从而使巷道围岩整体强度得到提升。当巷道采用的支护强度较大时，外承载体系支护阻力越大，内承载体系范围越小，能够更利于控制巷道围岩变形。因此，控制巷道围岩变形最终归结于支护方式及支护强度的选择。

4 围岩控制技术及变形观测分析

4.1 3-边角071顺槽支护方式

3-边角071顺槽掘进期间，根据类比法，巷道顶板采用锚网与锚索联合支护（即锚杆、经纬金属网、钢梁、锚索），两帮使用锚网梁支护形式。锚索为规格Φ22 mm×9000 mm的19股高强度低松弛预应力钢绞线，每排2根，间排距为2400 mm×1600 mm。顶、帮锚杆均采用Φ22 mm×2400 mm左旋螺纹钢锚杆，顶板锚杆间排距为800 mm×800 mm，两帮锚杆间排距850 mm×800 mm。规定顶锚杆锚固力不小于150 kN，帮锚杆不小于100 kN；顶锚杆螺母扭力矩不低于320 N·m，帮锚杆不低于320 N·m，其具体支护方式见图4。

图4 3-边角071顺槽支护方式

4.2 断层影响地段补强支护

由于3-边角071顺槽在掘进至950 m地段后开始受F7-17断层影响变形严重，部分顶板形成网兜。为保证该段巷道使用安全，对此段巷道离层部分进行放顶，放掉顶部碎煤后重新进行锚杆+锚索+钢筋梁+金属网支护。重新支护完毕后进行架设π型梁配合单体柱进行加固，并采取补打点柱方式进行补强支护。π形梁配合单体柱支护方式见图5。顶部π型梁长度为4800 mm，配合3根单体柱。加强支护采用补打点柱的形式，点柱采用直径不小于160 mm的圆木，顶部垫300 mm×500 mm×100 mm的木质垫板一块。如遇底板破碎，必须“穿鞋”，柱鞋规格为300 mm×300 mm×100 mm。

图5 π形梁配合单体柱补强支护

4.3 围岩变形观测

采用“十”字交叉法对巷道表面位移进行观测。3-边角071顺槽前期受施工扰动影响巷道位移较大，设置为每天观测一次，后期巷道逐渐稳定，改为每旬观测一次，观测结果记录成表，围岩变形量见图6。

图6 巷道围岩变形观测结果

从图6可以看出，巷道围岩经补强支护后，断面收敛变形表现出前快后缓的趋势，顶底板初期移近速度约为15 mm/d，两帮移近速度约为12.4 mm/d，随着巷道动载扰动逐渐远离，巷道变形速度变小，最终趋于0。巷道观测后期，断面基本稳定，两帮移近量约为155 mm，顶底移近量约为201 mm。巷道整体观感明显提升。

5 结语

本文以经坊矿3-边角071顺槽掘进为工程背景，针对巷道顶板为较厚软碎性泥岩，且施工受F7-17断层影响，成巷后围岩变形较大现象，通过对软碎围岩变形特征和巷道围岩承载体系构建进行分析研究，得出软碎性围岩的变形特征主要由弹性变形、损伤扩容变形、碎胀变形、塑性区的塑性变形和流变变形及吸胀变形等五种变形组合形成；围岩的自承体系由巷道内支护、浅层围岩及深部围岩耦合形成。同时提出在原支护方式的基础上，采用π形梁配合单体柱加固，并补打点柱进行补强支护来保证巷道断面的稳定性。通过现场观测得出巷道围岩位移量的变形趋势为前期变形快，后期逐渐趋于平缓，最终围岩变形量满足巷道断面的实际要求，从而为软碎巷道施工提供参考依据。