城郊煤矿深部巷道围岩破坏机理及主动控制技术

张文康，刘旦龙，孙大增

(1.河南能源化工集团永煤公司城郊煤矿，河南 永城 476600； 2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

深部围岩在高应力和复杂地质构造的双重作用下常表现出工程软岩的变形特征，巷道短时变形和蠕变均十分严重[1-4]。国内外众多学者针对深部巷道的破坏机理、巷道围岩评价、支护技术、监测手段等方面进行了大量的研究[5-7]，形成了以新奥理论、能量支护理论、联合支护理论、关键部位耦合支护理论为代表的经典理论[8-10]，以及棚式支护、注浆加固技术、喷浆加固技术和锚杆锚索联合支护等支护技术，其中锚杆支护因具有主动承载、施工方便、成本低、支护效果好的特点而被广泛用于煤矿巷道支护[11-12]。然而，随着开采深度不断加大，“四高一扰动”愈发增强，且地质条件愈发复杂，传统的锚杆支护方式已经难以满足深部巷道的支护要求，因此逐渐形成了多种形式的联合支护技术和改进的锚杆支护技术[10, 12-15]。

河南省正龙煤业城郊煤矿逐渐进入埋深大于800 m的二水平开采阶段。二水平南翼轨道大巷和21105上巷服务期间，围岩变形速度快，造成了严重的锚杆拉断问题，且巷道底鼓严重，多次翻修后底鼓量仍然较大，严重制约了矿井高效生产。

基于城郊煤矿二水平深部巷道变形失稳严重的工程背景，针对深部巷道围岩稳定性关键因素及其作用机制进行分析，提出适用于二水平南翼轨道大巷和21105上巷煤巷的支护理论和支护方案，拟解决类似条件下的深部巷道支护难题。

1 城郊煤矿深部巷道围岩特征

1.1 顶底板岩性和地应力

城郊煤矿21105上巷埋深均超过800 m。根据地应力测试结果可知，城郊煤矿深部巷道最大主应力σ1为17～19 MPa，与铅垂方向夹角为100°～110°，沿东北向。煤岩层柱状图如图1所示，二2煤层平均厚2.65 m，直接顶为厚3.53 m的泥岩，基本顶为厚8.99 m的细粒砂岩，直接底为厚2.16 m的泥岩，基本底为厚13.48 m的细粒砂岩。

图1 煤岩层柱状图

二2煤层顶底板岩层强度测试结果如表1所示。

表1 二2煤层顶底板岩层强度测试结果

由表1可知，城郊矿二2煤层围岩的抗压强度为42.09～112.76 MPa，抗拉强度为0.76～9.62 MPa，黏聚力约为1.13～4.91 MPa，内摩擦角为25.43°～37.23°。强度测试结果表明，城郊煤矿巷道围岩强度较高，但是顶底板均为泥岩，而泥岩在遇水后易发生膨胀和崩解，容易造成围岩失稳。

1.2 城郊煤矿深部巷道围岩失稳特征

当顶板节理不发育时，顶板岩体不易发生塑性破坏；当顶板节理发育时，顶板岩层破坏后，离层较大，岩块间挤压错动，并在自重作用下失稳垮落。

当巷帮岩体较为坚硬时，巷帮表面易形成楔形“片帮”区域；当巷帮岩体较为软弱时，帮部岩体沿节理面产生塑性剪切破坏后向巷道内挤进。

底鼓的初始速度大，之后逐渐减缓并过渡到比较稳定的阶段。底鼓速度趋于稳定的时间较长，而且在稳定状态下底板岩层仍以一定的速度向巷道内移动。当总的底鼓量超过一定数值后，底鼓速度还会再度增大，易导致底板岩层被破坏。

2 城郊煤矿深部巷道围岩失稳机理

2.1 围岩失稳主要影响因素

城郊煤矿深部巷道大变形的主要原因是应力较大、存在遇水软化泥岩和破碎构造带，具体如下：

1)城郊煤矿二水平埋深超过800 m，根据地应力测试结果可知，围岩最大主应力σ1=17～19 MPa，这已经超过了部分软弱岩层的强度。巷道开挖后处于单向受力状态，在高应力下容易产生大变形。

2)由井下二水平南翼轨道大巷顶底板30 m范围内取样结果可知，二2煤层直接顶和底板是以5 m以上厚的泥岩和细中粒砂岩为主，部分区域为薄层泥岩和砂质泥岩。经过试验测定得知砂岩和泥岩的软化系数分别为0.75～0.97、0.10～0.50，这表明泥岩遇水易软化，而砂岩不易软化，因此含泥岩成分的砂岩和泥岩是影响深部巷道稳定性的主要岩石类别。

3)根据城郊煤矿的地质构造分析可知，井田由于受到NWW向的伸展应力场的作用，在岩体内形成了北北东向的大量破碎带，破碎带内软弱结构岩体降低了围岩的整体强度。

2.2 深部巷道底鼓机理

城郊煤矿深部巷道存在大量的泥岩层，软弱泥岩在深部高的动、静载荷及水软化作用下容易发生塑性流动，体积膨胀，进而造成晶体间胶结能力变弱，裂隙逐渐扩展和贯通。此时，两帮和顶板岩体强度大于底板岩体强度，在两帮岩柱的挤压和远场应力作用下，底板软弱破碎岩体被挤压至巷道内，造成持续性的巷道底鼓。

城郊煤矿深部巷道原支护设计中认为挖底出碴工作量大，砌筑底拱繁琐，故并没有采取针对性的底鼓治理措施，使巷道的底板处于敞开不支护状态，反复进行底板翻修，造成底板松动圈扩大。生产上出于安全考虑，总是加固或支护巷道顶板和两帮以防止冒顶和片帮，而认为底板即使破坏也无关紧要。巷道帮部和顶板没有及时进行控制，导致帮部和顶板压力向底板传递，加剧了底鼓程度。

3 城郊煤矿巷道围岩地质特征分类

围岩与支护体的共同作用决定着巷道的稳定性，支护方案的选取往往视围岩情况而定，因此对城郊煤矿深部巷道围岩进行分类，为确定合理支护方案提供参考依据。

根据前文的分析可知，地应力、围岩强度和水影响是造成城郊煤矿深部巷道围岩失稳的主要因素。由此将地应力折算指标、基本质量综合指标、地质构造影响和水影响程度作为城郊煤矿深部围岩特征分类的主要指标。

3.1 地应力折算指标

城郊煤矿地应力方向变化较大，单个方向的应力难以代表整体特征，利用下式得出岩体的折算应力：

(1)

巷道围岩体的地应力折算指标可表述为：

(2)

式中:W岩体的地应力折算指标；RC为岩体的抗压强度，MPa；σ1、σ2、σ3分别为各方向的主应力，MPa；σi为岩体的折算应力，MPa。

随着岩体地应力折算指标W的增大，巷道围岩的稳定性升高。根据大量现场数据统计，当W值在0.7以上时巷道为易于支护巷道，因此选取地应力影响程度的划分临界值为0.7。将围岩地应力折算指标大于0.7的定义为类型Ⅰ，围岩地应力折算指标小于0.7的定义为类型Ⅱ。

3.2 岩体质量综合指标

岩体质量综合指标根据分级因素的完整性指标Kv(取值范围为0.15～1.00)和坚硬性指标RC值，按式(3)计算确定，即:

QB=90+3RC+250Kv

(3)

式中:QB为岩体质量综合指标；RC为岩石的单轴抗压强度，MPa；Kv为岩体完整性指数。

当QB≥500时围岩类别为a，表明稳定性良好；当QB<500时围岩类别为b，围岩稳定性差。

3.3 水影响程度指标

将城郊煤矿深部巷道受水影响的程度分为有水和无水2类，如表2所示。

表2 巷道受水影响程度分类

3.4 构造影响指标

将城郊煤矿深部巷道受构造影响的程度分为甲、乙、丙3种类型，如表3所示。

表3 巷道受构造影响程度分类

3.5 城郊煤矿巷道围岩地质特征分类

综合考虑地应力指标、岩体质量综合指标、水影响程度和构造影响程度，将城郊煤矿深部巷道围岩分为5大类，如表4所示。

表4 城郊煤矿深部巷道围岩地质特征分类

表4(续)

4 城郊煤矿巷道主动支护技术

4.1 岩巷围岩稳定性控制技术

深部巷道围岩地应力高，一般支护强度难以有效阻止巷道变形，且巷道的蠕变持续时间较长，采用先让压而后进行刚性支护的方式仍然难以避免巷道的反复翻修。因此，提出了“四高”锚杆支护技术联合注浆锚索，并进行巷道底板主动卸压的巷道稳定性控制技术。其主要技术原理如下：

1)“四高”锚杆

高预紧力、高强度、高刚度和高锚固点是“四高”锚杆支护技术的主要特点，此支护技术区别于传统支护中采用的“三高”(高预紧力、高刚度和高强度)锚杆支护技术。深部高应力破碎巷道的围岩松动圈通常较大，传统支护方法只能将锚杆锚固在塑性区域内，难以控制巷道的大变形。针对这种情况，应当加大锚固高度，将破碎岩体锚固在稳定的深部岩层中，才可以有效控制大变形。

2)注浆锚索加固技术

对于破碎岩体，通过注浆可以提高围岩自承载能力，是一种十分有效的方法。考虑成本和施工问题，在煤巷支护和加固方面，一般不采用注浆的方法。但对于服务年限较长的软岩破碎巷道仍需进行注浆加固，以保证巷道的长期稳定性。

3)底板主动卸压技术

底板主动卸压技术主要通过在底板开掘卸压槽或者底板松动爆破卸压来实现，这种方式可以发挥深部岩体的承载力，使整个巷道围岩承载力增强。卸压槽的方向、深度、宽度、形状，以及卸压槽与开巷的间隔时间均影响卸压效果。经过卸压后的底板需要重新进行填补和平整，以满足正常生产活动要求。

4.2 煤巷围岩稳定性控制技术

1)顶板梯次支护技术

梯次支护技术的核心思想是通过组合利用不同长度的锚杆、短锚索和长锚索，对巷道顶板的浅部、中部及深部围岩分别加固，形成一阶、二阶和三阶支护结构，不同阶次支护之间相互组合加强，形成一个结构性完整的整体，其布置如图2所示。通常采用从三阶到一阶支护的顺序，这主要考虑到一阶到三阶支护强度逐渐增大，若先采用低阶支护，后采用高阶支护，会导致低阶支护层进一步压缩，使低阶支护效果大大折减；而采用先高阶支护后低阶支护顺序可以达到更好的支护效果。

图2 巷道围岩阶梯式立体支护示意图

梯次支护力学模型如图3所示，通过理论计算得出，巷道顶板中部的拉应力最大，最容易发生拉破坏，其计算公式为：

(4)

式中:σ为最大拉应力，MPa;b为巷道宽度，m；a为顶板破断拱外偏移距离，m；qj为上覆岩层对第j层的作用力，MPa；hj为第j层岩层厚度，m。

图3 厚层复合顶板巷道围岩梯次支护力学模型

针对这种复合顶板，采用阶梯式锚网索支护时，锚杆支护控制第一弱面线处的离层；中长锚索控制第二弱面线处的离层；长锚索将下位岩层悬吊到上部稳定岩层，相互独立的层状顶板组合成厚度较大的组合梁顶板承载结构。这种情况下，多层软弱层被组合成一个整体，整体强度大大提高，若巷道顶部上部1～j层顶板成为组合梁，其最大拉应力为：

(5)

式中h1～j为顶板组合梁厚度，m。

通过力学分析可知，梯次支护形成的多级组合梁的自承载能力较高，顶板对下部围岩的垂直应力显著减小。与传统的长锚索结合锚杆支护相比，梯次支护技术在不同厚度范围内均采取了加强支护手段，可以有效避免顶板不均匀变形和离层现象的发生。支护阶数由巷道顶板的软弱层数量来确定。

2)帮顶同治技术

对于城郊煤矿21105上巷的复合顶板条件的巷道，有效加强两帮的支护也是控制巷道整体变形的关键因素。在帮部采用锚杆配合锚索的支护方式，不仅可有效控制两帮移近量也可有效控制顶板下沉量。

3)围岩地质特征分类等级对应支护技术

根据城郊煤矿以往的支护经验并结合围岩地质特征分类，不同等级围岩的支护方法如表5所示。

表5 城郊煤矿巷道围岩支护方法

5 巷道支护效果分析

5.1 南翼轨道大巷支护效果

1)地质概况

二水平南翼轨道大巷断面设计为直墙半圆拱断面，断面净宽为4.8 m，毛宽5.0 m。墙高1.6 m，巷道净高4.0 m。顶板为泥岩、砂质泥岩及中、细粒砂岩，坚固性系数f为4～7。

2)支护方案

城郊煤矿巷道岩体地应力折算值为4.8～6.4，为Ⅰ类指标。岩体基本质量综合指标为354.96，属于b类指标。城郊煤矿二水平南翼轨道大巷整体处在大区域构造边缘，但巷道围岩完整性较好，节理裂隙较少，属于甲级构造指标且巷道无明显淋水。综合评定该巷道属于Ⅱ类较容易支护型，最终选择“四高”锚杆支护、注浆锚索加固和底板开槽卸压联合支护。

3)具体支护参数

顶板和两帮锚杆为∅22 mm×2 800 mm，间排距为700 mm×700 mm；顶锚索为∅18.9 mm×7 300 mm，间排距为1 700 mm×1 400 mm；两帮各 2根锚索,规格为 ∅18.9 mm×5 300 mm让压锚索，排距1 400 mm。初喷厚度20～30 mm；二次喷浆在施工完锚杆锚索后，厚度30～50 mm；三次喷浆滞后巷道 50～100 m，厚度50～70 mm。支护方案如图4所示。

图4 锚杆锚索注浆加固支护方案示意图

对巷道底板进行切槽卸压，开槽深度为1 m。卸压完成后对卸压槽进行填充封闭。然后在底板打注浆锚索，采用标号525的快硬水泥作为注浆材料，锚索规格为∅18.9 mm×5 300 mm，水灰比0.8～1.0。巷道底板卸压槽+注浆加固布置如图5所示。

4)南翼轨道大巷矿压观测结果

在试验过程中，对二水平南翼轨道大巷两帮及顶底板移近量进行了观测。每隔50 m设置 1个观测点，共设7个矿压观测点，分别位于巷道900～1 200 m处。1 200 m处巷道表面变形量观测结果如图6所示，由实测分析得知在巷道1 200 m处的巷道变形最大，此处巷道两帮最大移近量为 58 mm，顶底板最大移近量为69 mm，其中最大底鼓量为45 mm，巷道整体变形较小，稳定性较好。

图5 巷道底板卸压槽+注浆加固布置示意图

图6 1 200 m处巷道表面变形量观测结果

5.2 21105上巷支护效果

1)地质概况

21105上巷为二2煤层煤巷，矩形断面，宽4.2 m，高2.8 m。21105上巷北面、南面及西面均为实体煤，东面为21105工作面采空区，平均采高2.85 m。

2)支护措施

运用普式理论计算得出该巷道顶板岩层自然垮落拱高度为3.79～4.74 m，两帮围岩自然破坏深度为3.37～4.22 m。提出梯次支护技术，加强对顶板的稳定性控制。

巷道顶板锚杆为∅20 mm×2 400 mm，间排距为 750 mm×700 mm，沿走向依次布置∅18.9 mm×5 300 mm让压短锚索和∅18.9 mm×8 000 mm让压长锚索，每排2根；巷道两帮各4根∅20 mm×2 400 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×700 mm。在巷道高度发生变化时进行补强支护，保证帮部最下面一根锚杆距底板不超过250 mm。支护方案如图7所示。

图7 21105上巷断面支护方案示意图

3)21105上巷矿压观测结果

试验过程中对二水平南翼轨道大巷巷道两帮及顶底板移近量进行了观测。共设9个矿压观测点，分别位于巷道400～900 m处，由分析可知巷道表面位移量最大发生在巷道600 m处，巷道左帮最大移近量达到55 mm，巷道右帮最大移近量达到60 mm，巷道最大顶板下沉量达到62 mm，巷道整体支护较好。600 m处巷道变形量观测结果如图8所示。

图8 600 m处巷道表面变形量观测结果

6 结论

1)分析了深部巷道围岩失稳机理，包括巷道变形机理和底鼓机理；总结得出深部巷道失稳主要受高地应力、地下水软化、高地温等影响，分析得出了城郊煤矿底鼓的破坏机理和发育过程。

2)基于城郊煤矿的巷道围岩特征建立了围岩特征分类体系，确定了主要影响指标及计算方法，并对应围岩等级评价给出了合理支护技术。

3)分析了城郊煤矿巷道支护的原则，针对岩巷提出了“四高”锚杆、注浆锚索结合底板主动卸压的稳定性控制措施；针对厚层泥岩煤巷提出了梯次支护技术，并分析了其技术原理。

4)根据城郊煤矿南翼轨道大巷和21105上巷实际条件，设计了支护方案，经过观测2条巷道两帮及顶底板的最大变形值均在65 mm以内，支护效果良好，证明了支护方案的合理性，验证了城郊煤矿深部巷道支护原理分析的准确性。