软岩巷道围岩变形规律及支护方案研究

尚伟鹏

（郑州中兴集团郑兴煤业有限公司，河南 郑州 452370）

软岩巷道围岩强度低、结构完整性差，围岩易风化，在软岩巷道开挖后围岩变形速率快，变形量大，且随时间变化变形量会持续增加[1]，大大提高了矿井生产成本，增加安全隐患。许多学者针对不同情况下巷道围岩的破坏进行了稳定性研究[2-4]。本文以郑兴煤矿为研究背景，通过对马头门处巷道围岩变形进行观测分析，研究软岩巷道变形规律，确定合理的支护方案。

1 工程背景

郑兴煤业地层区划属华北地层区豫西地层分区之嵩箕小区，区域主要地层为奥陶系、石炭系上统、二叠系和第四系，其中石炭系和二叠系为主要含煤地层。构造位置为华北板块南部、嵩箕构造区北部的嵩山背斜北翼。矿区位于偃龙煤田上庄井田西端浅部，处于嵩箕构造区嵩山大背斜的北翼。偃龙煤田构造特点以高角度正断层为主，局部伴有小型褶曲；地层走向东西，倾角4°～18°；太原组菱铁质泥岩至砂锅窑砂岩底为主要含煤段；中下部由灰黑色泥岩、深灰色细粒砂岩及煤层组成，砂岩以硅泥质胶结为主，层理较发育，层面含大量白云母片和炭质；主要可采煤层为赋存于山西组下部的二1煤层（厚煤层）；顶部以浅灰色含紫斑或暗斑的泥岩为主，夹砂质泥岩和砂岩。

郑兴矿巷道围岩均为软岩，支护较为困难。软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性的特点，在压力的作用下，会产生不可逆的塑性形变，导致围岩强度较低，变形较大。因此，合理的支护方案对矿井安全生产、提高经济效益尤为重要。

2 试验概况

2.1 试样制备

为测试巷道围岩的力学特征，通过在巷道顶底板采取能够代表岩石特征的岩样，并在实验室制取成标准规格的岩石试样，其规格为两种：（1）细粒砂岩和砂质泥岩试样形状为圆柱体，制作成两种规格：Φ50 mm×100 mm、Φ50 mm×50 mm；（2）泥岩试样制作为立方体：50 mm×50 mm×100 mm、50 mm×50 mm×50 mm。

2.2 试验过程

围岩的基本力学参数是岩石分类的重要依据，是进行井巷工程支护设计的重要参数。因此，施工前进行围岩稳定性判定、巷道和采场支护设计必须先行获取围岩的基本力学参数，进行岩石分类。本次通过利用岩石力学伺服试验系统对试样进行单轴压缩、全应力-应变压缩、三轴压缩等试验，得到岩石的详细力学特征。

2.2.1 抗压强度测定

岩石抗压强度是岩石力学最常用的参数之一，本试验采用位移控制法进行单轴压缩试验。岩石抗压程度的指标用岩石的坚固性系数f 来表示，即单轴抗压强度除以10。经过试验测定（如图1），该矿井的岩石试样的单轴抗压强度最大为28 MPa，最低为16 MPa，固其坚固性系数最大为2.8，最小为1.6，坚固性系数平均值为2.2。根据试验结果可知岩石试样均属软岩。

岩石受压缩时的变形特征通常用弹性模量和变形模量等岩石变形参数来表示。从单轴压缩试验全应力-应变曲线可看出岩石应力和应变关系并非完全的线性关系，因此在不同阶段应用不同的参数进行表述。曲线直线段的斜率即为弹性模量，原点50%抗压强度点连线的斜率为变形模量。弹性模量Eτ、变形模量E50以及泊松比μ 之间的关系如下式：

式中：Eτ为弹性模量；E50为变形模量；Δ σ、Δ ε 为应力、应变增量；σ50为0.5 倍抗压强度处的应力值；ε50为σ50处的轴应变值；Δ σP、Δ εP为曲线上直线段应力、应变均值。

根据试验结果并将其代入上式可得，岩石试样的弹性模量平均值为11.7 GPa，变形模量平均值为8.6 GPa，泊松比平均值为0.26。

2.2.2 内聚力和内摩擦角测定

由于仅有巷道表面存在处于双向或者受力的情况，而深部岩体则均处于三轴受力状态，故本次试验须对岩石试样的三轴应力状态进行研究，采用普通三轴试验。由试验结果可知，在低围压条件下，其强度包络线近似为直线。试验采用位移控制法，围压加载速率为0.1 MPa，先加载围压直至达到预定值再加载轴压。部分试样莫尔应力圆参数如图2，经过计算岩石试样的内聚力约为12.72 MPa，内摩擦角约为29.3°。物理力学参数试验结果见表1。

图1 岩石单轴压缩试验

表1 物理力学参数试验结果汇总

3 现场工业试验及支护方案验证

为监测巷道围岩表面收敛量，确定巷道变形特征，选择合理的支护方式，验证支护方案的可行性。设置观测点对巷道变形量进行监测，根据巷道围岩条件及其力学特征[5]，巷道支护方式采用“锚网索喷+钢筋混凝土砌衬”支护。一次支护采用锚网索喷联合支护，喷射砼强度C20，厚80 mm；二次支护采用双层钢筋混凝土支护，壁厚500 mm。采用左螺旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，规格Φ22 mm×2400 mm，托板150 mm×150 mm×10 mm，间排距800 mm×800 mm。 采 用Φ21.6 mm×8300 mm 的 高强度预应力钢绞线锚索，间排距为1600 mm×800 mm。

在巷道断面布置5 个测点并布置5 个测线用于研究围岩内部变形情况，测点位置如图3，并将激光测距仪安置在1 测点至5 测点进行测距。

图2 莫尔—应力圆参数

图3 巷道围岩变形监测点和测线布置图

由图4 可知：（1）巷道围岩变形特征表现为明显的非对称、非均匀性。如在距巷道表面0 m 处，测线2、测线4 以及测线5 变形量均达到最大值，分别为26.2 mm、12.7 mm、18.8 mm；（2）随着距巷道表面距离的增大，巷道围岩变形量也在逐步减小。以测线1 为例，在距巷道表面0～3 m 左右，巷道围岩位移量由24.4 mm 急剧降低到6.67 mm，递减率平均5.91 mm/m；而在距巷道表面3 m 之后，其巷道围岩位移量逐渐趋于稳定。可见，巷道开挖对于浅部围岩的扰动要明显高于深部围岩。

图4 巷道围岩深部变形曲线图

支护完成后在巷道设置5 个测点，对巷道进行长期连续监测。由图5 中巷道断面收敛量可得到巷道围岩变形量及支护效果：

（1）在初期支护施工后，由于围岩内部应力及塑性变形得到释放，其围岩收敛位移量较大，变形速率可达0.41 mm/d；在观测40 d 之后，其变形速率开始逐渐降低；而在80～140 d 左右，巷道围岩收敛量虽略有增幅，但已基本趋于稳定。

（2）在马头门拱部收敛位移量要明显高于其他部位，测线5-3 收敛量最大可达20.5 mm，测线1-5则为19 mm，而测线1-4 仅为12 mm，其减小分别为8.5 mm、7 mm，减小率分别为31%、28.6%，相对收敛量均小于预警值，可见该支护方案能够有效控制巷道围岩变形，防止巷道顶底板及两帮破坏。

图5 监测断面收敛位移

4 结论

该矿巷道围岩属软岩，巷道围岩易变形，围岩强度低，围岩在长期应力作用下具有蠕变性，导致支护困难。通过研究分析得到巷道围岩变形规律，确定了锚网索喷的联合支护方案。根据监测数据，经过综合分析得到：

（1）巷道围岩变形特征表现为明显的非对称、非均匀性，随着距巷道表面距离的增大，巷道围岩变形量也在逐步减小；

（2）在初期支护施工后，由于围岩内部应力及塑性变形得到释放，其围岩收敛位移量较大，后期变形速率不断减小并趋于稳定；

（3）采用“锚网索喷”联合支护的方式巷道围岩完整性较好，可使巷道围岩变形量得到有效控制。采用该支护方式可以有效减少巷道变形，增加巷道服务年限。