高应力软岩大巷高强稳定性支护研究

牛永刚

(中煤科工集团 重庆研究院有限公司， 重庆 400037)

淮北某矿南一采区先期采用条带式开采，南翼主要开拓和准备巷道布置在主采煤层10煤的顶板岩层中。南翼轨道巷在掘进过程中及10煤开采前，巷道支护状况较好。10煤回采后，南翼轨道巷受10煤多个工作面的采动影响，巷道变形严重，因巷道布置和煤柱留设等因素，南翼轨道巷仍将长期承受护巷煤柱引起的支承压力影响，巷道变形会持续扩大。因此，有必要分析南翼轨道巷变形破坏机理，针对性开展高应力软岩巷道围岩控制的试验研究，以改善轨道大巷的维护状况，减少巷道失修率，为矿井的安全高效生产奠定基础。

1 试验巷道地质条件

南翼轨道大巷是南翼采区通风、运输和行人的咽喉通道，试验段巷道位于两个工作面之间，采用锚网索喷支护，由于受两次工作面回采引起的采动影响，该段巷道变形严重。

南翼轨道巷布置在10煤顶板岩层中，试验段巷道在G28—G31测点之间，巷道地质素描见图1. 通过G28测点后巷道围岩岩性由黑色泥岩逐渐过渡到岩浆岩，而通过G29测点后巷道围岩岩性又由岩浆岩逐渐过渡至泥岩，通过G30测点后巷道全断面处于泥岩中。从其物理力学性质测试结果看，巷道围岩强度较低，围岩性质软弱；从巷道围岩的组分分析上看，围岩具有一定的膨胀性。

图1 南翼轨道巷试验段地质素描图

2 巷道变形破坏原因分析

根据南翼采区实际地质采矿条件、巷道围岩变形破坏特征及现有开拓巷道锚网支护失效形式，结合理论分析结果可知，高应力软岩巷道围岩强烈变形的主要原因有以下几个方面：

1) 巷道围岩体强度较低。

南翼轨道大巷布置在10煤顶板岩层中，巷道所处岩性大多以泥岩或岩浆岩为主，由于围岩的物理力学性质较差，且岩体中节理裂隙较为发育，围岩强度不足以支撑较强的应力变化。

2) 工作面回采造成应力集中。

轨道大巷经受两次动压影响，围岩应力增幅较大，且长期承受护巷煤柱引起的支承压力影响，围岩发生应变软化，相应的围岩松动圈范围较大，极易失稳破坏[1-2].

3) 支护措施不合理。

南翼轨道巷为直墙半圆拱形巷道，巷道设计净断面尺寸为4.0 m×3.6 m，巷道采用锚网索支护，局部破碎区域采用注浆加固。在松软破碎围岩中，围岩本身的可锚性差，高强树脂锚杆的锚固性能难以发挥，特别是在围岩松动范围大、顶板围岩松散破碎的情况下，围岩本身的自稳能力较差，允许空顶时间较短，完全使用锚杆支护的效果并不好。

4) 底板无控底措施。

作为一个支护承载体，由于巷道未采取控底措施，高应力作用下底板先成为巷道变形、破坏的突破口，进一步加剧巷道顶板和两帮的变形。

因此，有必要针对南翼轨道大巷的支护工艺开展系统研究。根据巷道形态，针对性制定联合支护设计，从根本上改变巷道支护状况，改善围岩应力环境，保障轨道大巷的围岩稳定性，为巷道的长期使用营造良好条件。

3 南翼轨道巷支护设计思路

针对南翼轨道巷围岩体强度较低，长期受护巷煤柱引起的支承压力影响的特点，采用二次锚网索支护，在一次锚网索支护后，允许巷道有一定的让压空间，然后再实施高强度结构稳定型二次锚网索支护，利用较高的锚网支护强度控制围岩的塑性变形[3-4]. 同时施工底板锚网索控制底鼓，达到帮底互控的巷道围岩控制效果[5].

根据南翼轨道巷多次修复，巷道围岩松散破碎的特点，在锚网索支护的同时对围岩实施注浆加固，对松散破碎岩体实施胶结，以提高巷道围岩体的完整性及强度，有效控制此类巷道围岩的强烈变形。

4 南翼轨道大巷支护方案

针对原有锚网整体支护强度偏低的特点，为满足巷道使用断面要求，按要求扩巷后，采用锚网索二次支护技术进行施工，具体技术参数如下：

一次锚网索支护：选用d20 mm×3 000 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，所有锚杆尾部螺纹应使用滚丝机加工，减小锚杆强度损失。每个锚杆孔锚固长度1.5 m以上；采用电阻焊技术加工的自连网；沿巷道径向布置钢筋梯子梁，进一步提高护表效果和发挥锚网支护中锚杆的整体支护效果；为提高锚网支护承载结构的结构稳定性，采用小孔径高强预应力锚索实施结构补偿，不仅提高锚网基本支护形成组合拱结构的抗变形能力，提高浅部围岩的稳定性，而且能够有效发挥深部稳定岩体的承载能力；锚索选用d17.8 mm×6 500 mm 1860钢绞线，每个锚索孔锚固长度不小于2 m.

为提高巷道破碎围岩体的完整性及强度，同时为二次高强锚网支护顺利实施提供保障，一次锚网支护后，对围岩实施注浆加固。注浆锚杆间排距1.5 m×1.5 m，注浆材料水灰比以0.7左右为宜。

在一次锚网索支护基础上，根据巷道支护情况和现场施工条件，适时进行二次支护。如巷道出现片顶、片帮、浆皮炸开、网拉开、钢筋梯子梁内凸等矿压显现时，应及时进行二次支护，保证巷道的长期稳定，依据经验，可在扩巷迎头30 m后直接进行二次支护[6].

二次支护锚杆规格与一次支护锚杆相同；二次支护用钢带替换钢筋梯子梁，沿巷道轴向布置；二次支护断面和一次支护断面应错开半个排距。南翼轨道大巷锚网索支护布置图见图2.

图2 二次锚网索支护布置图

采用底板锚网索支护不仅能够有效控制层状岩体的强烈底鼓，而且减小卧底工程量。考虑到底板锚网索支护结构的稳定性，采用两种支护断面，即断面A和断面B相间布置。在底板锚网索支护方案中根据南翼轨道巷的跨度，在两排枕木之间布置底板锚杆(图3断面A)，同时采用底板锚索(图3断面B)进行结构补偿。

图3 南翼轨道巷底板锚网索支护方案图

5 支护效果考察

为检验支护效果，试验巷道内建立了多个观测站，对不同位置巷道围岩稳定性及支护承载性能进行了跟踪观测，1#测站表面位移与巷道修护时间的关系见图4.

由图4可以看出，在巷道二次加固结束后的50 d内，巷道表面位移逐步增加。此后随着修护影响的减弱，巷道两帮移近量增幅逐渐减小，然后趋于稳定。在巷道二次加固施工结束后50～140 d内对该段内约60 m巷道底板进行了治理，巷道底板加固结束前底鼓量仍然有较大幅度增加，但随着巷道底板加固结束，巷道底鼓量增幅明显降低，并逐步趋于稳定。

图4 1号测站表面位移变化图

巷道二次加固结束后67 d内，两帮移近量为109 mm，底鼓量为203 mm；随后对巷道底板进行了治理，至底板治理结束75 d，巷道两帮移近量增加73 mm，底鼓量增大109 mm. 后续观测结果表明，随着卧底影响的结束，巷道两帮位移量和底鼓量增幅均逐渐减缓，巷道两帮和底板逐步趋于稳定，采用结构稳定型底板锚网索支护技术后，底鼓和两帮内移均得到了有效控制。

6 结 论

现场工业性试验结果表明，采用高强稳定型支护方案修护后，随着时间的推移，顶底板和两帮围岩变形逐渐减小并趋于稳定，围岩移动变形得到有效控制。采用新型支护技术，有效保障了巷道使用断面，避免巷道进行多次扩修，实现矿井正常的采掘接替平衡，社会效益显著。