深部高应力条件下官地矿中四区轨道巷返修支护措施分析

孙 乐

(山西焦煤集团官地矿，山西 太原 030022)

1 工程概况

官地矿中四区轨道巷位于正前巷道3 150 m，主要为正前巷道中四采区运输人员及物料。中四区轨道巷沿8#煤层，老顶为泥岩，直接顶石灰岩，直接底8#煤，老底细粒砂岩，瓦斯绝对涌出量0.5 m3/min，煤(矿)尘爆炸指数23.17%，煤层自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤层，巷道埋深在820 m～836 m。从巷道掘进情况来看，巷道所处地段的地质条件较为多变，设计采用锚网索支护，巷道在原支护条件下，出现了较为明显的变形破坏问题，严重影响到巷道使用效果。

2 中四区轨道巷变形破坏特征

从现场勘查情况来看，巷道主要变形特征为：

首先，巷道顶板和两帮变形较为严重。在已经掘进完成的巷道中矿压显现非常剧烈，多数巷道在掘进完成之后的两周内，顶板下沉量均超过400 mm，两帮收敛量超过500 mm，巷道呈现出“Ω”形，全断面变形破坏明显。

其次，巷道变形持续时间较长。不论是已经掘进了较长时间的巷道还是刚刚掘进的巷道，巷道蠕变就长期存在，且蠕变速度表现出较大的波动性，“时快时慢”的特点较为明显。

第三，底鼓问题非常突出。因为在原支护的初期，忽略了对巷道底板的支护，导致多数地段的底鼓量超过了800 mm，底板喷层出现了非常严重的撕裂，几乎所有喷浆层均沿着底角或者中轴线抬起，由于底鼓量较大，导致巷道局部断面出现了明显的收缩。

3 中四区轨道巷变形破坏机理

3.1 巷道所处地段的地应力复杂

在巷道内设置了3个测点对巷道所处地段的地应力进行量测。得到的测试结果见表1所示。通过表1可知，水平应力为最大主应力，最大值达到了33.25 MPa，与深部开采实践相符合，水平应力已经成为深部围岩的最大主应力； 测压系数平均值达到了1.34，测压系数较高，巷道所处的地应力环境较为复杂；垂直应力平均值达到24.41 MPa，与根据上覆岩层容重与厚度计算的垂直应力基本相同。从地应力测试结果来看，巷道属于较为典型的深部高应力巷道，在高应力作用下，很多本身较为坚硬的岩石，也表现出软岩的特性，也就是“工程软岩”，给巷道支护提出了更高的要求[1-3]。

表1 原岩应力量测结果 MPa

3.2 围岩内部变形情况与围岩特性研究

选择使用X射线衍射仪对巷道围岩矿物成分进行研究，得到巷道围岩中包含有较多的云母、高岭石等膨胀性软岩成分，这类矿物成分容易出现膨胀风化、泥化软化的问题，给巷道稳定性带来的威胁较为明显。同时，对巷道开展了窥视孔试验，试验结果表明，在两帮孔口到孔内的65 cm～85 cm范围内，岩体较为完整；在65 cm～145 cm范围内岩体极为破碎；在100 cm～300 cm范围内岩石较为破碎；在300 cm～420 cm范围内岩体有明显的裂隙；超过了420 cm后，岩体整体较为完整。通过钻孔窥探，表明巷道松动圈的范围在4 m左右。

3.3 原支护方式分析

从深部巷道支护实践来看，若巷道处于泥岩等地质条件下，在巷道开挖后，会产生较为剧烈的应力重新分布，若不能提供出足够的径向支护强度，巷道通常情况下会出现较大范围的变形破坏，在原支护条件下，锚网索支护所能够提供的支护强度非常有限，围岩应力峰值位置较为深入，导致巷道围岩处于较为不利的二次应力分布状态，再加上巷道围岩强度相对偏低，在高应力作用下，极易达到围岩屈服极限，导致应力重新分布的范围逐步向围岩深部拓展，裂隙进入到持续发育状态，围岩松动圈的范围更大，原支护条件下的锚固效果逐步下降甚至锚固失效。因此，巷道原支护设计不够科学是导致巷道出现大面积变形破坏的主要原因之一[4-7]。

4 中四区轨道巷变形破坏返修支护分析

4.1 返修支护机理

从当前巷道稳定性控制实践来看，对于受到高应力环境、支护设计条件、围岩形式等方面因素而影响到巷道稳定性的巷道，特别是对于底板鼓起量较大的巷道围岩，在进行返修支护时，主要可采取围岩卸压、优化支护等方式。结合本次巷道出现的变形破坏问题，本次提出“锚网索喷+局部注浆加强+局部卸压”复合返修支护方案，主要支护机理[8]为：

首先，在顶板打设锚索，通过锚索作用，充分发挥深部稳定围岩对浅部围岩的限制作用，形成浅部顶板围岩和深部顶板围岩相互协同的变形体系，不仅有助于限制顶板浅部围岩的变形破坏，同时，对于浅部围岩所处的应力环境也能够有效改善，从单轴应力状态转变为三轴应力状态，推动浅部围岩所承受的高应力向深部转移，有效保证浅部围岩的稳定性。

其次，在顶板与两帮仍旧打设锚杆，更好提升浅部围岩和锚杆所形成的支护结构的支护范围，顶板锚杆与锚索形成深浅两个支护壳体，有效改善顶板围岩所处的应力条件，增强顶板支护效果。巷道两帮锚杆长度也从原有支护条件下的2 000 mm增加到2 400 mm，更好发挥锚杆对两帮的支护限制作用。

第三，在巷道两底角打设注浆锚杆。考虑到巷道底板中包含有较多的膨胀性软岩成分，同时也受到了底板水的影响而给巷道整体稳定性带来较大的威胁。返修设计在巷道两底角打设注浆锚杆，通过注浆的方式，实现对底板围岩出现的变形破坏裂缝有效封堵，提升巷道底板围岩的整体性，增强底板围岩的极限承载能力。此外，通过在两底角打设锚杆的方式，也有助于在底板形成一个“锚杆+注浆液+底板围岩”的复合支护结构，共同抵抗高应力对巷道底板带来的威胁。

第四，在底板开展局部卸压。通过设计卸压槽的方式，为巷道围岩底板变形预留出一定的变形空间，将底板的高应力有效释放，在巷道底板形成“弱结构”，这个“弱结构”可实现对底板有控制的应力释放，围岩变形量也可得到有效吸收，对围岩应力场分布情况实现有效改善，推动巷道底板应力峰值向深部围岩转移，让巷道底板处于应力降低的区域内，实现对巷道底板的有效保护。

4.2 返修支护方案设计

结合巷道实际情况，对巷道进行了重新设计，具体见图1所示。

图1 巷道返修支护方案(mm)

4.3 返修效果分析

在返修支护方案实施后，选择使用“十字交叉法”对巷道变形位移情况进行了观察，得到巷道位移曲线见图2所示。从图2可知，巷道整体围岩得到了较好控制，围岩总体变形量相对于返修之前有了明显下降，这表明，返修支护方案较好满足了巷道稳定性控制要求。

图2 大巷返修后围岩位移曲线

5 结语

1) 深部巷道在“三高一扰动”的影响下，表现出相对于浅部巷道不同的力学响应机制，在深部巷道支护过程中，需充分结合深部巷道所处地质条件，对支护设计方案进行优化。

2) 在深部巷道支护过程中，应结合巷道地质条件，对敏感位置、关键部位进行强化支护，不仅有助于提升支护效果，还有助于控制巷道支护成本。