破碎围岩巷道变形因素分析及支护优化设计

韩世栋

（山西高平科兴米山煤业有限公司，山西 米山 048400）

锚杆支护是现代煤矿巷道经济性高、可靠有效的支护方式。与支架支护相比，锚杆（索）支护方式较大程度上提高了巷道支护效果，改善了作业环境，安全生产得到保障[1-4]。目前，我国煤矿企业已普遍使用锚杆支护技术，并基于越来越复杂的围岩地质条件，向全方位深层次联合支护方式发展，如高压注浆+强力锚索支护方式，在极大程度上实现高产高效安全生产。

破碎围岩巷道变形剧烈，巷道维稳难度大，为有效解决这一问题，国内外众多学者对破碎围岩巷道展开了大量的研究工作，研究方向包含软弱围岩体物力、水理、力学性质等，取得了大量理论方面和现场支护技术方面的应用成果[5-10]。然而，从米山煤业辅助运输石门现场调研来看，巷道收缩达到了1～2 m，巷道围岩仍未稳定，严重威胁了现场设备和工人的安全。

1 工程概况

米山煤业主采为太原组的15号煤层，煤层厚度平均为2.96 m，一般不含夹矸，煤层顶板多为灰岩、泥岩，底板为泥岩、铝土质泥岩和砂质泥岩。巷道的破坏变形有如下特点：①巷道的变形主要表现为顶部下沉、底鼓和两帮回缩。②巷道维修时围岩压力并未释放结束，维修后的围岩变形仍在继续，围岩支护结构仍然未能保持巷道围岩的稳固。③部分区域巷道围岩中受水侵蚀，产生岩体泥化、流变现象，致使该区域变形破坏更加严重，围岩的力学特性明显减弱，严重破坏了围岩整体支护结构的稳定性。

2 巷道围岩与锚杆支护作用机理

2.1 锚杆支护作用分析

结合围岩强度、围岩结构和围岩应力这三个基本要素，总结归纳出锚杆支护的作用有以下几点：

（1）锚杆支护影响围岩强度。经过大量的实验室试验研究，发现软弱岩石的基本力学参数，在锚固作用下各个参数均有增大的趋势。能够显著影响其强度和变形，甚至改变塑性屈服后的力学性质。

（2）锚杆支护影响围岩结构。由于巷道开挖破坏了围岩的整体性，会产生诸多不连续的弱面，包括节理、裂隙等结构面，这些不连续面的增大会降低煤岩体强度。通常情况下，锚杆对于软弱结构面的作用主要是通过锚杆的轴力和剪力来提高不连续面的煤岩体的强度和整体性，抑制沿不连续面的移动和扩展，即核心在于提高结构面的强度，最终实现提高煤岩体的整体强度与稳定性。

（3）锚杆支护影响围岩应力分布状态。巷道的开挖打破了原岩应力状态，应力场重新分布，之前处于三向受压的会出现拉和剪应力。锚杆的轴向拉力可以抑制围岩向临空面的移动，相当于提供一定的径向压应力，使围岩的围压升高，减小应力差；而受剪可以通过产生的压应力而提高结构面之间的摩擦力，提高破碎围岩抗剪能力，最终实现了对围岩应力状态的改善。

2.2 破碎围岩巷道锚杆支护作用机理分析

（1）深部巷道围岩变形的主要影响因素

①地应力。深部巷道围岩变形和破坏的根本原因就是较高的高地应力所致。

②围岩力学性质。根据基本理论分析可知，巷道变形与围岩表征力学特性的参数呈反比。根据井下对不同单轴抗压强度的巷道的变形实测结果：当围岩强度提高时，巷道顶底板移近量减小。顶底板移近量与围岩强度有很大关系，顶底板移近量对于强度高于某一值，（如50 MPa）时，强度变化变对移近量影响较小，而当强度低于某一值，（如30 MPa）时，随岩强度的降低而急剧增加。

③围岩结构。煤岩体由结构体和结构面组成，其间存在诸多层理等节理裂隙，直接影响着巷道围岩的整体性以及强度。如果结构面越多，则结构面的强度越低，围岩在这种情况下极易发生沿结构面的滑移和结构体的回转、离层、滑动、导致围岩变形大、松动范围大、稳定性降低。

④采动影响。不同程度的采动影响剧烈程度和临近采掘工作面与该巷道在时间和空间的关系有关。对于已经稳定的采空区边缘掘进巷道和未稳定的采空区边缘掘进巷道，前者的变形程度明显小于后者，这是从时间上来说；在空间方面来说，最好的例子就是护巷煤柱的尺寸，多次采动影响的巷道比受一次采动影响的巷道变形大。

⑤巷道断面形状与尺寸。巷道稳定性与巷道断面尺寸有关，断面大的稳定性比断面小的要差很多。如果巷道都处于相同的地应力环境中，巷道的高宽比也对巷道的稳定性有影响。由于高宽比不同，导致围岩中产生不同的应力场。在椭圆形巷道的周边会形成一个均匀的切向压应力圈，该种情况下巷道最稳定；当宽度/高度＞侧压系数时，侧帮将会出现较大集中切向压应力。

⑥巷道支护形式与参数。不合理的支护参数对支护巷道的效果较差，不能够有效控制围岩变形甚至破坏，支护成本也高，合理的巷道支护设计，能够维持巷道的稳定性。

（2）深井巷道围岩变形与破坏特征

通过实测数据分析，米山煤业巷道围岩变形特点如下：

①巷道围岩变形量大。根据井下实测数据，埋深达到700 m后，巷道围岩变形普遍较大，一般为500～1 500 mm，最大可达2 000 mm以上。如辅助进风石门落平段200 m，采用锚网支护，顶板下沉达1 000 mm以上，两帮向内回缩高达1 600 mm，巷道遭到严重破坏。

②巷道初期变形量大。深井巷道围岩原始应力高，且形变压力较显著，开挖后卸荷非常迅猛，来压速度快，巷道掘进过后2-3个月开始产生大面积严重变形，故大埋深高应力软岩巷道初始变形速率较大。如辅助运输石门，采用锚网支护，巷道掘进后两帮向内回缩达1 600 mm，速度达16.34 mm/天；顶底板移近量为500 mm，速度为7.75 mm/天；底鼓1 500 mm，见图1。

图1 辅运石门表面位移观测

③巷道围岩变形持续时间长。深部高应力岩体显现出明显的流变性质，故其变形特点具有时效性，并且在时间上可分成三个阶段：剧烈变形阶段、缓慢变形阶段和稳定变形阶段。一般情况下第一阶段持续的时间较短，第二个阶段持续的时间较长。稳定变形阶段，围岩变形仍然会保持一定的变形速度，特殊情况下还会出现新的不稳定形态。

④巷道围岩变形易受扰动性。围岩变形对应力变化情况具有很高的敏感性，震动、邻近巷道掘进影响等因素都会使围岩变形程度明显增加。

（3）巷道锚杆支护机理分析

就目前的工程及理论而言，常常将二次支护理论应用于复杂的、支护较困难的巷道。所谓的二次支护就是巷道整体的支护是有两部分构成，第一次支护的目的是先释放掉集中于围岩内的形变势能，经过一段时间后，积聚在内部的变形势能得到释放，作用在支护结构上的里也相对减小。可是，该理论遇到高地应力环境、软弱破碎围岩以及受强烈动压影响时表现出显著的不足，二次支护仍控制不了巷道变形，甚至三次、四次支护的效果也不理想，支护工作翻来覆去，但是围岩变形长期得不到有效控制。如何能有效解决上述软岩巷道支护的难题？ 是否存在有效的支护技术，能够实现一次支护，并取得良好效果，该技术的关键是什么？ 诸多问题接踵而至。通过大量的理论研究、数值模拟试验及井下现场试验逐渐形成了提高锚杆、锚索预应力及其扩散效果的软岩巷道支护理论。

全长锚固和加长锚固，可以有效地防治离层的产生和岩层间错动。锚杆预应力作用在顶板上产生的垂直应力分布见图2。

图2 锚杆预应力作用在顶板上产生的垂直应力分布

压应力从托盘端至岩层内部的锚杆末端逐渐减小，而且在锚杆中部附近的范围其压应力稍大于0.04 MPa，有效压应力区扩散范围增大，应力趋于0的区域范围逐渐缩小；在杆长的1/5附近，压应力减小至0.12 MPa；锚杆的端部产生的拉伸应力区域的应力值不大，整体来看，临近锚杆之间相互形成整体且区域相连的有效压应力，应力趋于近零的区域基本消失。从另一种角度分析，锚杆之间形成的“拱”效应和整体的锚固结构，提高锚杆的预紧力，意味着横向约束作用力增大，这是围岩形成锚固结构的必要条件。

3 破碎围岩注浆加固优化

3.1 围岩中浆液扩散机理

受到掘进扰动和原岩应力的影响，巷道围岩塑性区增大，变形通常较大。如果单独采用锚杆和锚索进行控制，通常难以维持围岩稳定，且破碎围岩锚固力低，锚杆和锚索无法有效承载，从而导致深部破碎围岩巷道变形严重； 若受到采动的影响，巷道破坏范围会进一步增大，最终巷道失稳破坏。目前，很多矿井对深部破碎围岩通常采用二次加固进行控制，由于二次加固不能协调承载，很难达到很好的支护效果。

基于此，本文提出了锚网索和注浆加固联合支护技术，两个支护技术是解决深部破碎围岩巷道失稳破坏的有效方法。针对永久工程加固，需严格控制破碎围岩进一步变形的要求，在使用固结强度高、抗变形能力强的水泥浆液作为主要浆液进行注浆的基础上，专门开发了低粘度、强渗透、高粘结力和高固结强度的不饱和聚酯注浆新材料。利用化学浆和水泥浆相结合的注浆加固技术，解决了水泥浆与围岩粘结力低、微裂隙渗透困难、重新开挖易造成围岩二次开裂的问题，使破碎围岩整体性增强，大大提高了围岩整体强度。水泥浆液的注浆参数对巷道围岩的注浆效果影响很大，只有详细分析注浆参数对围岩稳定性的影响，才能更好的进行注浆加固设计。并且水泥注浆是浅孔注浆，如果参数和操作不当的话，可能造成大范围劈裂漏浆，使围岩破碎状况恶化，甚至导致大面积冒顶、底鼓事故。影响围岩稳定性的参数通常有注浆材料、注浆孔间排距、注浆压力等参数。利用离散元数值模拟软件，对注浆参数对巷道围岩稳定性的影响进行研究。

3.2 模拟结果分析

（1）水泥浆液在围岩中扩散形态

图3为注浆压力保持在3 MPa，水灰比分别为0.5：1及1：1情况下，水泥浆液的扩散分布规律。当注浆压力相同时，水灰比越小，浆液浓度越大，浆液扩散距离越小；相反，当水灰比增大时，浆液扩散范围明显增大，这说明水泥浆液在扩散过程中，水具有很好的输送水泥颗粒的作用。

图3 浆液浓度对其扩散范围的影响

实践证明：水泥浆液在煤岩体裂隙中的扩散机理非常复杂，浆液在裂隙中的扩散具有很大的随机性，难以进行人工控制。当注浆压力较低时，裂隙没有发生劈裂，浆液基本是按照钻孔向四周进行扩散，距钻孔越远的位置，浆液分布越少。当注浆压力一定时，在围岩比较破碎的区域浆液扩散的范围更大，这说明裂隙、节理发育更有利于浆液的流动，尤其是巷道围岩浅部破坏严重。现场试验发现，围岩表层漏浆严重，注浆之前，最好表层进行喷浆处理，防止注浆时浆液漏浆。

（2）注浆参数对浆液扩散范围的影响

浆液扩散范围的不同对注浆效果影响很大，必须严格按照浆液扩散范围进行设计注浆钻孔的间排距。目前，通常采用理论计算的方法来确定注浆钻孔的间排距，由于地质条件的影响，理论计算与现场实际通常相差较大。基于实际的工程地质条件，对注浆参数与浆液的扩散范围的关系进行研究，可以更好的确定浆液的有效扩散半径，从而更科学的指导注浆加固设计。

从图4中可以看出，在注浆压力为1 MPa时，水分和水泥的比例达到0.7时，水泥浆液沿着巷道围岩切向和径向的渗透半径分别为0.91 m和0.42 m；而当浆液压力升高至2 MPa时，水泥浆液沿着巷道围岩切向和径向的渗透半径达到了1.41 m和1.21 m；而当浆液压力升高至3 MPa时，水泥浆液沿着巷道围岩切向和径向的渗透半径达到了1.71 m和1.62 m；浆液压力从1 MPa增大至3 MPa时，浆液扩散半径增加了55.6%、200%。

图4 注浆参数对水泥浆液扩散范围的影响

（3）注浆对围岩应力的影响

从图5可以看出，对注浆加固后的围岩进行锚网索支护，支护后的巷道表层围岩的变形量明显降低，并且巷道表层应力得到了显著改善，这说明围岩浅部破碎的围岩得到了加固，避免了围岩进一步向内部破碎，提高了围岩的完整性和整体强度，这从另一个方面也说明了注浆起到了很好的加固效果。

图5 支护方式对围岩应力的影响

4 工程实践

在分析巷道变形破坏原因的基础上，米山煤业针对辅助运输石门提出了初次高强支护+高压注浆加固联合支护方案，见图6。

图6 辅助运输石门断面支护

巷道往前掘进100 m后，在后方巷道进行高压注浆。采用高压力注浆是将已经变形破坏的围岩从内部裂隙着手进行充填、消弭，使其成为一个整体，增强其围岩的承载能力，来保证支护锚杆（索）锚固力的传递，提高支护质量，增强加固效果。支护后巷道变形监测见图7。巷道围岩稳定后，底鼓量仅6 mm左右，两帮移近量也不超过15 mm，加固效果良好。

图7 巷道变形位移监测

5 结语

水泥浆液可以有效固结破碎煤岩体，从而使破碎的煤岩体固结为强度更高、整体性更好的结实体，并且水泥浆液还可以充填、密实煤岩体的裂隙，提高煤岩体的强度。在注浆加固后的煤岩体上进行锚索支护，可以提高锚索的锚固力，有效传递锚索预应力至围岩深部，提高了锚索对围岩的支护作用，大大降低了巷道围岩的变形量和破坏。