复杂围岩灾变环境下巷道修复技术研究

赵长红，吕兆海，张艺耘，岳晓军，胥海东

(1.宁夏煤炭基本建设有限公司，宁夏 银川 750004；2.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏 银川 750011)

我国煤矿回采巷道受复杂围岩应力影响，巷道整体呈现出非对称变形破坏特征，国内外学者对复杂围岩应力条件下回采巷道的变形失稳及控制进行了大量研究，孙志勇等[1]认为顶板支护不及时，支护刚度和强度不足，导致浅部围岩进一步发生离层和裂隙扩展等有害扩容变形，锚索锚固区域过小，未穿过软弱层理面，整体范围内未形成稳定承载结构是导致发生冒顶事故的根本原因；周志利等[2]提出巷道宽度对顶板的变形和破坏影响较显著，巷道宽度越大，巷道变形破坏越严重，而且巷道宽度存在临界值；赵洪亮等[3]提出大断面巷道采用普通锚杆(索)支护，锚固力得不到保证，锚杆(索)不能很好地阻挡锚固区内破碎煤层岩体的切向滑移，且锚固岩梁承受的拉应力和剪应力基本不会降低，锚固区内煤层岩体难以形成稳定结构，锚固煤层岩体容易发生整体垮落而发生顶板冒顶事故；杜华溢等[4]指出非均匀应力打破了巷道顶板的均匀破坏，使失稳冒落的时间提前，冒顶的范围扩大，变形破坏的持续时间增加，采用深-浅耦合锚注联合支护技术，形成深浅锚注互为支撑的承载体，从源头上控制顶板的变形破坏；王卫军等[5]指出特软岩层常规支护方式下围岩强烈变形的根本原因是支护不能阻止围岩塑性区、破碎区的快速发展，在巷道周围形成大范围的破碎区；赵科等[6]对于厚顶煤层大断面巷道，通过采取高预应力锚杆锚索支护方式并适当提高顶板支护密度，可以对浅部围岩施加更大压应力，更好地实现预应力扩散，控制顶板沉降，保持锚固区围岩稳定性。上述研究主要针对支护体本身的特点进行了相关研究，对支护体与围岩的协调耦合性及顶板裂隙水对围岩结构的影响研究较少。本文根据麦垛山煤矿巷道变形的实际情况，结合工作面围岩特性、巷道顶板含水层影响下弱胶结围岩变形失稳的演化特征，提出了复杂围岩灾变条件下巷道维修控制技术。

1 工程概况

麦垛山煤矿110207工作面运输巷为直墙半圆拱断面，巷道沿2#煤层掘进，巷道布置见图1。 煤层厚度2.88 m，掘进宽度5 200 mm、净宽5 000 mm，掘进高度3 800 mm、净高3 500 mm，采用锚网索喷联合支护，锚杆采用Φ20 mm×2 500 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm，钢筋网采用Φ6.5 mm圆钢焊接，网格尺寸100 mm×100 mm；锚索采用Φ21.8 mm×8 300 mm钢绞线，间排距2 400 mm×2 000 mm，喷射C25混凝土，厚度100 mm，巷道最大埋深442 m，2#煤层直接顶板为泥岩，煤岩层裂隙发育，2#煤层老顶为细-粗砂岩，2#煤层顶板为砂岩裂隙孔隙承压含水层，含水层岩性由灰、灰白、深灰色不同粒级的砂岩组成，泥岩和煤层呈互层状夹于含水层之间，含水层平均厚度为19.44 m，该区域地应力约为5 MPa。工作面预计正常涌水量为50～200 m3/h，最大涌水量达280 m3/h，围岩赋存情况见图2。

2 围岩灾变情况

110207工作面运输巷掘进至J12测点向前213 m时，揭露一条落差为2 m的正断层，破碎带宽度0.8 m，揭露断层后短时间内顶板泥岩受含水层涌水影响软化， 顶板出现掉渣、离层等现象， 随着涌水时间的持续及涌水量的增加，在断层附近出现局部冒顶，伴随水量的增大冒落范围进一步扩大，涌水量最大达到30 m3/h。具体变化情况如下所述。

图1 巷道布置平面图

图2 综合柱状图

图3 巷道围岩灾变破坏图

1) 在断层破碎带影响范围内，顶板出现大面积下沉，局部发生冒落，范围长5 m，宽3.5 m，高2.5 m，冒落区以外锚杆托盘从顶板崩落。

2) 受断层及顶板含水层的影响，弱胶结围岩在裂隙水的作用下泥化、弱化，顶板围岩受拉应力的影响破碎严重，表层金属网出现严重变形，形成明显网兜，喷浆层脱落，巷道顶板沿中轴线弯曲下沉，靠近断层侧顶板下沉量达1 100 mm，另一侧约500 mm。

3) 变形范围广、来压面积大，巷道灾变范围达30 m，全断面范围内顶板整体下沉。

4) 巷道围岩收敛变形速度快，在掘进后1个月时间内巷道顶板下沉量达1 100 mm。

5) 围岩破坏影响范围大，顶板1.5 m范围内围岩整体松动，呈现塑性变形破坏，巷道围岩灾变破坏特征见图3，巷道围岩松动圈分布特征见图4。

图4 巷道围岩松动圈分布特征图

3 灾变原因分析

1) 巷道围岩承载力低。巷道沿煤层掘进，直接顶为高1.54 m的泥岩，易风化脱落、吸水易膨胀、泥化，承载能力较低，直接底为厚1.65 m的泥岩，巷道围岩承载能力弱，围岩力学参数见表1。

表1 顶板岩层物理力学参数

2) 弱胶结岩层受含水层的影响。富水弱胶结岩层巷道掘进易发生大跨度变形和失稳破坏[7]。由于2#煤层顶板由泥岩、粉砂岩和粗砂岩等泥化弱胶结岩石组成，岩石强度不高、脆性明显，在外力作用下易碎裂，同时其隔水性能差，岩石遇水后明显软化甚至泥化。粗砂岩的透水性和裂隙导水性好，在巷道掘进时，1#煤层与2#煤层之间延安组地下水通过局部发育的裂隙及钻孔渗入巷道围岩及巷道底板，弱胶结围岩吸水膨胀软化、泥化，降低了巷道围岩的承载能力，在复杂应力的作用下，软弱泥岩水平方向受力出现较大差异，出现顶板挤压破碎、不均匀下沉破坏。

3) 埋深大、地应力高。巷道出现失稳破坏的极限临界深度，计算公式见式(1)[8-9]。

(1)

式中：Hc为临界深度，m；η为长时载荷影响系数，取0.8；K为裂隙影响系数，取0.9；σ为岩石抗压强度，MPa；γ为上覆岩层平均容重，kN/m3。

通过对开采水平地层岩性的综合分析和对巷道围岩水平变形破坏现象的调查分析，结合临界深度的理论和计算，确定该工程岩体的临界深度计算结果见表2。

表2 围岩临界深度计算参数表

式(1)表明，临界深度与岩体抗压强度成正比，与岩体容重成反比。经计算，巷道最大埋深已基本达到工程岩体的平均临界埋深条件，在此条件下围岩将出现明显的塑性变形、围岩压力增大、支护困难的现象。

4) 构造应力的影响。巷道围岩在构造应力的影响下，围岩力学性质劣化，在拉应力的作用下，断层影响范围内围岩松散、破碎并形成导水通道。巷道在掘进过程中造成围岩应力的重新分布，并在局部尖角区域与原构造应力相互叠加形成集中应力，加剧了巷道围岩的变形破坏。

5) 支护体之间不协调。支护体系与围岩不耦合，巷道顶板出现网兜和局部锚杆失效，说明支护体之间没有协调发挥作用且支护体系和围岩刚度不耦合，支护体不能有效适应、控制巷道围岩过度变形。巷道受构造应力的影响，在断层附近围岩更为破碎，巷道变形量更大，说明支护体和围岩结构不耦合，支护体不能有效限制围岩发生大变形破坏，同时底板处于开放无支护状态，在多次应力扰动及底板泥岩吸水弱化的状态下，开放式的支护导致巷道在掘进特别是回采期间底鼓变形更为严重。

4 灾变控制对策

基于巷道变形破坏特征，根据地层条件、围岩受力特性和塑性区破坏范围，确定巷道支护重点在于控制巷道顶板变形，强化巷道帮部支护。在支护过程中强调支护体之间的协调作用、支护结构与围岩的耦合作用，降低围岩在复杂应力条件下由于支护结构局部失稳而引发巷道整体失稳垮落的风险[10-12]。巷道两帮除设置锚杆和钢带支护外，应施工锚索进一步控制帮部收敛变形，提高帮部围岩抵抗剪切破坏的能力。为此，提出一次支护采用“锚网索柔性耦合让压联合支护”方案，以高强预应力锚杆和锚索梁进行耦合强化支护，形成以高强、高预应力锚杆支护为基本支护体系，锚索为骨架的网状支护单元，在其有效长度范围内形成加固压缩区，使锚固体内岩土体的内聚力及围压得到提高从而使其横向抗压强度、抗弯强度以及沿弱面的抗剪强度等得到一定程度的提高，改变围岩受力状态，提高承载能力[13-18]。另外，在帮部增设预应力锚索加固区，特殊地段采用29#U型可缩钢支架进行柔性耦合让压支护，支护前期在围岩压力的作用下，可缩性钢支架通过压缩进行压力释放，实现支护体与巷道围岩之间的耦合，后期阻力逐步增大进而限制围岩变形，最后施工C25混凝土地坪，形成全封闭的支护体系；按照“预防为主、综合治理”的原则，提出“集中疏水泄压+注浆控制裂隙+喷浆封闭”的综合防治水措施，消除顶板裂隙水的影响。

4.1 柔性耦合让压联合支护

1) 锚杆与锚索耦合支护。 锚杆采用Φ20 mm×2 500 mm高强锚杆，配合使用280 mm×450 mm×5 mm W钢护板，全断面铺设Φ6.5 mm圆钢加工、网孔规格100 mm×100 mm的钢筋网。 每根锚杆使用2节Z2370型树脂药卷锚固，间排距800 mm×800 mm，矩形布置，预紧力矩不低于200 N·m，预紧力不低于35 kN，锚索采用Φ21.98 mm×8 300 mm钢绞线，间排距2 400 mm×1 600 mm，预紧力不低于160 kN，保证锚杆与锚索在强度上相互耦合[19]。

2) 帮部锚索补强支护。帮部采用Φ18 mm×2 000 mm的端头锚杆进行支护，间排距800 mm×800 mm，每根锚杆使用2节Z2335型树脂药卷锚固；在帮部增加护帮锚索梁进行补强支护，其中下帮增加一排锚索梁，打设在巷帮中部，上帮打设2排锚索梁，锚索采用Φ21.98 mm×4 300 mm钢绞线，锚索间排距2 000 mm×1 200 mm，锚索梁采用长度2 400 mm的14#槽钢。通过强化帮部支护强度，提高帮部围岩抵抗剪切破坏的能力，从而使巷道围岩与支护体在强度上相互耦合。

3) 注浆锚索强化支护。 中空注浆锚索按照长-短间隔的方式布置，短锚索规格Φ21.8 mm×4 300 mm；长锚索规格Φ21.8 mm×7 300 mm，锚索与锚杆隔排布置，间排距1 600 mm×1 600 mm，每根锚索使用1节Z2370型树脂药卷锚固。采用P.042.5R硅酸盐水泥对不同层位的围岩裂隙进行注浆封堵，强化围岩整体强度，使围岩与支护体强度相互耦合。

4) 喷浆封闭。注浆锚索施工完毕后喷射厚度100 mm，强度C20的混凝土封闭围岩，防止围岩风化，并有效封堵围岩表面裂隙，降低裂隙水对围岩泥化、弱化的影响，强化围岩整体强度并有效防止注浆过程中漏浆，保证支护体与围岩形成有机整体，从而提高围岩与支护体整体抗变形能力，巷道支护见图5。

图5 巷道支护图

4.2 特殊地段二次加强支护

在断层破碎区域15 m范围内，巷道采用锚网索喷一次支护后，采用架设29#U型可缩性钢支架进行二次加强支护，钢支架间距800 mm，支架之间采用连接杆进行连接。 钢支架柱脚垫板采用12 mm钢板制作，规格为240 mm×230 mm×12 mm；卡缆采用12 mm钢板制作，采用M22型高强螺栓紧固，滑动阻力不小于230 kN；帮顶均采用1 200 mm×200 mm×30 mm木板背实，通过可缩性钢支架的有限收缩让压与巷道围岩进行耦合，进而控制巷道围岩的变形。

4.3 集中疏水泄压

为有效缓解顶板含水层对巷道围岩的影响，在110207工作面运输巷共布置10个钻场，11个钻孔，钻孔单孔设计长度267～501 m，设计钻孔工程总量4 935 m。其中，FY5-1#孔实际深度387 m，最大出

表3 定向钻孔工程量表

水量120 m3/h，水压0.5 MPa；FY5-2#孔实际深度39 m，最大出水量为50 m3/h，水压0.48 MPa；FY5-3#孔实际深度29.5 m，最大出水量为4 m3/h，水压0.45 MPa，具体钻孔工程量见表3。

4.4 全断面封闭抗压

巷道在支护过程中通过锚索、锚索梁、高强锚杆等对巷道顶板、帮部围岩进行了有效支护，但对底板不进行封闭处理，开放式的支护导致巷道底鼓变形，并逐步诱发帮部、顶部变形失稳。因此采用厚度200 mm的C25混凝土对巷道底板进行封闭，最终形成全封闭的可靠支护体系。

4.5 应用效果分析

针对麦垛山煤矿井下巷道的变形情况，采用上述支护方案对110207工作面运输巷围岩变形进行控制，通过对支护锚索受力及巷道表面位移进行监测，锚索受力缓慢增加，在永久支护25 d后受力趋于稳定，顶板、帮部锚索最大受力分别达到200 kN、170 kN，说明锚索支护在稳定前与巷道围岩之间进行相互耦合，29#U型可缩性钢支架在围岩压力调整耦合的过程中通过搭接长度的变形让压并逐步稳定；巷道表面位移与锚索的受力周期也基本吻合，22 d后围岩变形基本稳定，变形速率降为0，顶板下沉量为25 mm时趋于稳定，两帮最大位移量为40 mm，底板局部出现裂缝，加固技术及支护强度能够满足巷道围岩变形压力，围岩位移变化见图6。

图6 围岩位移变化图

5 结 论

1) 在复杂围岩灾变条件下，巷道支护既要保证支护体之间相互协调也要保证支护结构与围岩之间相互耦合，从而使巷道围岩与支护体系达到最佳组合，降低因局部支护体的破坏而引发巷道整体失稳垮落的风险。

2) 巷道整体采用高强预应力锚杆和锚索梁进行强化支护，形成以锚索为骨架的网状支护单元，以高强、高预应力锚杆支护为基本支护体系，通过在围岩裂隙内注浆改变围岩结构特性和受力状态并提高承载能力，在帮部施工锚索梁提高帮部围岩抵抗剪切破坏的能力；特殊地段采用可缩性钢支架进行二次支护，通过可缩性钢支架的有限让压与巷道围岩相互耦合，进而控制巷道围岩变形，最后施工厚度200 mm、强度C25的混凝土地坪，形成全封闭可靠支护体系。