深井软岩巷道底板卸压钢丝绳网锚注支护技术研究

李如波，翟俨伟，涂兴子，翟新献，黄广帅，刘小帅，肖同强

(1.平顶山天安煤业股份有限公司，河南 平顶山 467000；2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；3.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

我国煤矿开采以井工为主，因此，井下开拓和准备岩巷施工工程量巨大。随着煤矿开采强度加大和开采深度增加，矿井开采地质条件越来越复杂，特别是深井巷道，受围岩岩性和“三高一扰动”的影响，导致深部巷道支护困难。例如，高应力巷道、软岩巷道、大断面巷道(硐室)等深井巷道，围岩应力高，岩性较差，传统的深部巷道支护技术难以维护巷道稳定,巷道变形破坏严重，翻修量大，影响巷道正常使用[1-3]。近年来，众多学者[4-10]在大量研究的基础上，提出了巷道卸压技术，以控制深部巷道围岩稳定性，通过转移围岩高应力的方式，改变巷道浅部围岩应力分布状态，减缓巷道浅部围岩应力，进而实现巷道围岩稳定。卸压能够吸收大部分围岩变形能量，促使高应力向围岩深部转移，降低底板浅部围岩应力[11]。根据“强弱强”原理，杨青松[12]研究了底板卸压槽支护机理，底板开掘窄且深的卸压槽“弱结构”，改变巷道围岩应力场，释放围岩高应力，最后注浆加固成“强结构”，这种“强弱强”结构有效地防治了巷道底鼓；张伟杰等[13]通过数值模拟，研究了卸压巷道对被保护巷道的影响，发现卸压效果主要与两巷道之间的距离以及卸压巷道的尺寸有关，且当两巷道相距5～12 m、卸压巷道直径2～3 m时，卸压效果较好；王文杰[14]认为回采巷道在高应力和采动应力双重影响下，采用卸压支护可以有效协调巷道围岩的变形，达到维护巷道稳定性的目的；杨战标[15]通过数值模拟，对大断面软岩硐室底板卸压槽合理深度进行了研究，模拟结果和现场试验表明，当卸压槽宽300 mm、深900 mm时，卸压效果较好。目前卸压技术为深井软岩巷道围岩变形控制的主要技术，也是深井巷道支护研究的重点。

本文针对平顶山天安煤业股份有限公司一矿(以下简称平煤一矿)三水平下延戊一采区回风上山巷道围岩地质条件，设置底板卸压槽，通过数值计算方法，分析卸压前后巷道围岩应力场和位移场，通过现场工业性试验，研究卸压后锚注支护巷道围岩变形规律。

1 采区回风上山巷道概况

1.1 巷道围岩地质条件

平煤一矿位于平顶山矿区中部，矿井核定生产能力600万t/a。井田采用主立井副斜井多水平联合开拓方式。采区回风上山巷道位于戊组煤层(戊8、戊9、戊10)顶板，距戊8煤层底板30 m，沿着煤层倾向方向布置，地面标高为+126.0～ +168.0 m，井下标高为-806.0～ -934.5 m。回风上山巷道所在岩层以泥岩为主，巷道顶底板岩性特征如表1所示。

表1 巷道顶底板岩性特征Tab.1 Characteristics of the strata at the roof and floor of roadway

1.2 巷道围岩变形特征

回风上山巷道埋深932.0～1 102.5 m。采用锚(索)网+U型棚支架复合支护后，顶板下沉量较小，但两帮收敛和底鼓严重，巷道剧烈变形持续时间长达数年，巷道围岩变形特征如下：

(1)巷道围岩强度低，易风化，遇水时发生膨胀变形。平煤一矿地应力场以构造应力场为主，最大主应力为近水平方向，且随埋深的增加而增大，应力梯度为2.75 MPa/100 m，与上覆岩层自重应力比为1.37～2.03[16]。平煤一矿深部泥岩的单轴抗压强度为25～30 MPa，砂质泥岩单轴抗压强度为30～35 MPa，围岩节理、裂隙间距小于0.4 m，围岩较松软破碎[17]。巷道所在岩层岩性大部分为泥岩和砂质泥岩，其中含有较多的伊利石和高岭石混层的黏土矿物，遇水膨胀泥化，接触空气后易风化潮解，所以回风上山巷道属深井软岩巷道[18]。

(2)巷道围岩自稳时间短、来压快、持续变形时间长。回风上山巷道成巷后，围岩能够维持自稳的时间为几十分钟到几个小时。

(3)巷道两帮收缩量和顶板下沉量小，底鼓严重。回风上山巷道埋深大，所处地层地应力大，围岩岩性差、强度低，且巷道底板处于无支护状态，底鼓量达到1.5 m，底鼓速度达到4.0 mm/d，底板围岩长期处于剧烈变形阶段。

巷道围岩变形特征示意如图1所示。

图1 巷道围岩变形特征示意Fig.1 Deformation characteristics schematic of the sur- rounding rocks of roadway

回风上山巷道掘出后，应根据围岩变形特征及时对围岩进行锚网支护，且支护体要具有一定的变形让压作用。巷道施工前期在其两脚底板处开挖卸压槽吸收围岩变形，同时降低围岩应力。后期进行锚网注浆支护，保证支护体具有一定的支护强度。卸压槽卸压后，采用混凝土充填卸压槽。注浆支护提高了巷道围岩自身承载能力。

2 底板卸压槽卸压机理

2.1 卸压槽布置及参数

数值模拟计算表明，半圆拱形断面巷道的底脚围岩应力集中明显，因此，在巷道底板两脚处开挖卸压槽。底板卸压槽参数直接影响到巷道卸压效果[19]。在巷道底板两侧布置卸压槽，能有效改善巷道围岩应力场，减少围岩应力集中程度，控制围岩变形。

底板两侧卸压槽施工后，位于底板两侧卸压槽之间的岩体自由膨胀，岩体应力较小。位于卸压槽以下的岩体，受较高应力作用后，向开挖空间发生塑性变形，岩体中出现次生裂隙，裂隙扩展、贯通并向深部岩体扩展，因此，底板塑性区范围不断扩大。由于底板塑性区承载能力较低，随着底板变形，高应力逐渐转移至围岩深部。当底板围岩能够承载高应力时，底板塑性区范围不再扩大。这充分利用了深部围岩承载能力高的特性，达到底板围岩稳定的目的。依据我国卸压槽治理巷道底鼓的成功案例[20-22]，确定回风上山巷道底板卸压槽宽度和深度分别为1.2 m和2.0 m。

2.2 底板卸压槽巷道数值计算模型

为了研究底板卸压槽对深井巷道稳定性的影响，利用UDEC数值计算软件，分析底板卸压槽施工前后，巷道围岩应力场和位移场的变化，研究底板卸压槽卸压机理[23-25]。

取单位宽度的巷道顶底板岩层垂直剖面，建立回风上山巷道数值计算平面应变模型。模型分为8层岩层，长度×高度为100.0 m×66.1 m。根据有限元离散原则，单元划分的越细，数值计算结果越精确。将巷道所在岩层，单元划分得较细，单元长度×高度为0.5 m×0.25 m；其他岩层根据其岩性、层厚，以及距巷道表面的远近等依次划分单元。原则上单元长度×高度不大于2.5 m×1.1 m。模型共划分16 352个单元体，节点数为36 297个。卸压槽掘出后巷道围岩数值计算力学参数如表2所示。

巷道底板卸压槽采用delete命令进行开挖，巷道围岩卸压后达到新的应力平衡状态时，利用fillback命令充填卸压槽。根据数值计算的相似时间步控制，确定卸压槽开挖与充填之间的时间差，模拟巷道埋深1 006 m。模型四周载荷简化为均布载荷。上部边界条件为应力边界条件，模型上边界面上的力简化为覆岩自重力，即q=Σρgh=24.25 MPa；下部边界条件简化为位移边界条件，在x和y方向为固定铰支座，即u=0，v=0；两侧边界条件简化为位移边界条件，在x方向上为简支座，即u=0。数值计算模型如图2所示。

表2 巷道围岩数值计算力学参数Tab.2 Numerical calculation mechanical parameters of the surrounding rocks of roadway

2.3 数值计算结果分析

2.3.1 卸压前后围岩应力场变化特征

卸压前后巷道围岩应力场分布云图如图3所示。由图3(a)和(b)可知，卸压后底板垂直应力集中现象减弱，围岩低应力区范围扩大，高应力区范围缩小，高应力转移至围岩深部，因为开挖底板卸压槽为底板围岩膨胀变形提供了空间，高应力向围岩深部转移，造成底板围岩裂隙向深部发展，底板塑性区范围扩大，且该范围内围岩所能承受的应力减小。由图3(c)和(d)可知，开挖卸压槽后底板水平应力中低应力区范围扩大。卸压槽增加了巷道底板自由面宽度，在高水平应力作用下，卸压槽下部围岩向开挖空间变形，当变形量达到一定范围时底板围岩发生拉伸破坏，导致围岩中裂隙不断向深部扩展，围岩塑性区范围扩大，而此范围内底板围岩应力减小，注浆加固后，围岩处于稳定状态。

图3 底板卸压前后巷道围岩应力均分布云图Fig.3 Stress cloud diagrams of the surrounding rocks of the roadway before and after depressurization

在巷道底板中线位置布设长15.0 m的观测线，从巷道表面开始，每隔0.5 m设置1个观测点，共设31个，用来观测巷道围岩15.0 m内的围岩应力变化情况。观测结果如图4所示。

图4 卸压前后巷道底板应力与深度的关系Fig.4 Relation between the floor ground stress of roadway and floor ground depth before and after depressurization

由图4(a)可知，随着底板深度增大，卸压前后底板垂直应力逐渐增加，达到一定深度后垂直应力趋于稳定。在底板相同深度处，卸压后底板垂直应力小于卸压前的，且底板垂直应力平均值较卸压前减小了16.7%。在底板深度1～3 m内，卸压前后垂直应力相差不大,但当底板深度大于3 m以后，卸压后垂直应力明显小于卸压前的。卸压前在底板8 m深度处垂直应力增加至稳定值，而卸压后在底板深度10 m处垂直应力增加至稳定值，由此可见，卸压后高应力向深部转移，从而降低了底板浅部围岩垂直应力，实现了底板卸压的目的。由图4(b)可知，在底板0～ 7.5 m深度内，卸压后同一深度巷道底板围岩水平应力均小于卸压前的，水平应力降低效果较明显。卸压后水平应力峰值位置由7.5 m处增大到9.5 m处，即底板水平应力峰值位置向底板深部转移了2.0 m，且峰值应力降低。因此，开挖卸压槽后，巷道底板浅部围岩应力明显降低，底板围岩卸压效果明显。

2.3.2 卸压前后巷道围岩变形特征

卸压前后巷道围岩塑性区和位移矢量图如图5所示。由图5(a)和(b)可知，卸压前巷道顶板和两帮塑性区范围较小，而底板塑性区范围较大；开挖底板卸压槽使巷道围岩中裂隙发育扩展，改善了底板浅部围岩应力状态，使巷道顶底板和两帮围岩塑性区范围均扩大，如表3所示。由图5(c)和(d)可知，卸压前后底板位移矢量变化显著。开挖卸压槽后，巷道底板围岩位移矢量大幅度减小、底鼓速度降低，底板稳定性提高。

图5 卸压前后巷道围岩塑性区和位移矢量图Fig.5 Plastic zones and displacement vector of the sur- rounding rocks of roadway before and after depressurization

表3 底板卸压前后巷道围岩塑性区范围Tab.3 Plastic zone range diagrams of the surrounding rocks of roadway before and after depressurization

综上可知，底板卸压槽可以减小底板浅部围岩应力，扩大塑性区范围，促进高应力转移至深部围岩，降低底板浅部围岩应力，实现了底板卸压的目的，有利于提高巷道围岩的稳定性。

3 现场工业性试验

根据回风上山巷道围岩岩性和变形规律，决定对巷道底板实施卸压槽卸压，卸压后采用多层钢丝绳网锚杆和锚注联合支护，即“四层次喷混凝土+三层次钢丝绳网+三层次锚杆+卸压槽+围岩注浆”的钢丝绳网锚注支护，巷道支护断面如图6所示。

1-初喷；2-第二层喷混凝土；3-第三层喷混凝土；4-第四层喷混凝土；5-第一层锚杆；6-第二层锚杆；7-第三层锚杆； 8-第一层钢丝绳网；9-第二层钢丝绳网；10-第三层钢丝绳网；11-卸压槽；12-注浆锚杆

图6 钢丝绳网锚注支护巷道断面图

Fig.6 Roadway cross-section of bolt-grounding support with wire-rope mesh

采用φ22 mm×2 400 mm金属树脂锚杆。3层钢丝绳网喷射混凝土总厚度380 mm，喷层强度不小于C45。钢丝绳网由矿用报废钢丝绳加工而成，每根钢丝绳由两股细钢丝绳组成，长15.0～ 18.0 m，钢丝绳网网格为700 mm×700 mm。钢丝绳网锚杆支护成巷以后，利用风镐人工开挖卸压槽。以巷道两帮边界线作为卸压槽对称线，卸压槽断面为矩形，深度2 000 mm，宽度1 200 mm。当底板岩石较硬时，卸压槽采用爆破施工法。炮孔沿着巷道底脚向底板围岩方向倾斜布置，炮孔长度900 mm，间距500 mm。炮孔内放置1卷炸药，利用毫秒雷管起爆，每次爆破20个炮孔。当巷道底板卸压约10 d后，利用喷射混凝土对卸压槽进行充实充填。

采用φ20 mm×1 800 mm专用注浆锚杆进行浅、深围岩二次注浆。注浆材料为52.5水泥浆，水灰比(0.8～1)∶1，注浆压力1.5～4.0 MPa。顶板注浆孔深3 000 mm，两帮注浆孔深2 500 mm，在卸压槽中布置注浆孔。第一次浅部和第二次深部围岩注浆时，注浆锚杆间排距均为1 200 mm×1 200 mm。当卸压槽充填后进行第一次注浆，当巷道两帮移近量超过50～100 mm时，进行第二次注浆。通过2次注浆，在巷道围岩中构建了均匀的锚注体支护圈。

回风上山巷道采用钢丝绳网锚注支护以后，在巷道内布置3个观测站，即1号、2号和3号，进行巷道矿压显现观测。通过近3个月的观测，得到巷道围岩变形移动曲线，如图7所示。依据巷道围岩变形速度将巷道围岩变形划分为3个阶段：(1)加速变形阶段。巷道掘出约7 d内，围岩处于加速变形阶段，围岩变形速度较高，最大移近速度达到12.50 mm/d。(2)减速变形阶段。巷道掘出7～47 d内，随着巷道掘出时间的增加，围岩变形速度逐渐降低，围岩平均移近速度保持在0.80～0.90 mm/d。(3)稳定变形阶段。巷道掘出47 d以后，随着掘出时间的增加，围岩变形移近速度进一步降低，并逐渐趋于0，巷道围岩处于稳定状态。

图7 巷道围岩移近量与掘出时间的关系Fig.7 Relation between the convergence of surrounding rocks of roadway and its excavation time

为了观测卸压槽+钢丝绳网锚杆注浆支护效果，巷道施工2个月后，在巷道顶板和两帮布置观测钻孔，采用SYKJ-19型钻孔窥视仪，进行孔内裂隙观测。观测孔直径42 mm，深度8 m。钻孔窥视结果如图8和图9所示。

图8 巷道两帮围岩钻孔窥视结果Fig.8 Peeping results of the side strata of the surrounding rocks of roadway borehole

图9 巷道顶板围岩钻孔窥视结果Fig.9 Peeping results of the roof strata of the surrounding rocks of roadway borehole

深部软岩巷道围岩依次出现破碎区、塑性区和弹性区，其中破碎区和部分塑性区是深部巷道支护的重点。由图8和图9可以看出，巷道两帮和顶板1.0～4.0 m内围岩整体性和完整性较好，局部仅出现微小裂隙。在巷道两帮和顶板5.0～8.0 m内的观测孔出现碎屑、片落、甚至碎裂现象，尤其在围岩深度6.0 m位置，围岩碎裂现象十分明显。

由巷道围岩钻孔窥视结果可知，巷道底板开挖卸压槽后，巷道浅部围岩应力释放，高应力向深部围岩转移。钢丝绳网锚杆和围岩注浆加固后，在巷道围岩中形成了锚注体支护圈，提高了巷道围岩的强度和自身承载能力，但巷道深部围岩出现塑性区，甚至在顶板和两帮围岩6.0 m处出现破碎区，深部围岩出现破碎区有利于浅部锚固支护圈受力均匀，有利于锚注体形成的拱壳组合圈和巷道围岩保持稳定。

4 结 论

(1)回风上山巷道埋深超过930 m，围岩应力高，围岩岩性差，属深井软岩巷道。巷道底鼓严重，两帮收敛量和顶板下沉量较小。因此，采用底板卸压槽+钢丝绳网锚注进行支护。

(2)数值计算表明，回风上山巷道底板开掘卸压槽卸压后，底板围岩垂直应力和水平应力的高应力区及其峰值应力均向底板深部围岩转移。卸压后底板同一深度的围岩应力均小于卸压前的；峰值应力向深部围岩移动2.0 m，且峰值应力小于卸压前的。卸压后巷道顶底板和两帮围岩的塑性区范围均增大，巷道底板围岩位移矢量减小。因此，底板卸压提高了巷道底板围岩的稳定性。

(3)现场工业性试验结果表明，深井巷道围岩的破碎区和部分塑性区是支护的重点。回风上山巷道采取开挖底板卸压槽、钢丝绳网锚杆支护和围岩注浆加固等支护措施后，在巷道围岩中形成了锚注体支护圈，提高了巷道围岩的强度和自身承载能力。巷道围岩变形经历了3个阶段，即加速变形阶段、减速变形阶段和稳定变形阶段。之后，随着掘出时间增加，围岩变形移近速度进一步降低，并逐渐趋于0，巷道围岩处于稳定状态。因此,卸压槽+钢丝绳网锚注支护在回风上山巷道的支护试验取得了成功。