软岩大变形巷道维修支护技术研究及应用

王磊，王树明，唐洪，高智勇

(1.陕西彬长文家坡矿业有限公司，陕西 咸阳市 712000；2.陕西彬长矿业集团有限公司，陕西 咸阳市 712000)

巷道维修工程在矿井生产中占了很大一部分比重，有时甚至影响矿井正常生产，因此巷道维修支护质量的优劣直接影响矿井安全生产。巷道维修工程施工危险性高、施工机械化程度低、施工速度慢、劳动强度大，特别是软岩巷道经多次维修后，巷道围岩破碎、围岩松动圈扩大，传统锚网喷支护已难以有效发挥支护效果，即使勉强支护后，亦不能有效控制围岩的碎胀变形，后期巷道也将再次收敛变形、重复维修作业，极大加重了矿井安全隐患及生产成本投入。

1 工程概况

文家坡矿41 盘区一号回风巷已经过3 次维修，但后期巷道局部仍然变形严重，离层的顶板以及冒落的矸石压覆在3 根Ф630 mm 瓦斯抽放管上，存在极大安全隐患。

1.1 巷道围岩变形特点

（1）变形量大，巷道掘进1 年以后变形量就达到1000～2000 mm，巷道变形表现为喷浆层开裂吊包、局部冒顶、底鼓严重、底板裂缝大，巷道整体收敛变小。

（2）巷道掘进后1 年内变形速度较慢，但超过1 年后巷道变形速度加快，发生剧烈变形。

（3）变形持续时间长，有的巷道变形长达半年以上仍不稳定。

（4）破坏往往出现在局部软岩处，出现强烈底鼓、两帮移近、顶板破碎，若得不到有效控制，则可能造成巷道全断面破坏。

（5）普通锚杆支护难以凑效。

1.2 围岩组分分析

巷道围岩的矿物成分是决定其力学性能的根本因素，据此可分析巷道变形破坏原因，特对巷道围岩破碎严重区段取样，通过X 射线衍射试验分析巷道围岩矿物成分[1]，进而分析巷道围岩的力学性能，找出巷道变形严重的根本原因，为巷道维修支护方案的确定提供依据。

分别对41 盘区一号回风大巷中5 个取样点样品进行X 射线衍射试验，根据X 射线衍射图谱可知，巷道围岩成分主要包括：石英、高岭石和白云母，其中高岭石亲水性强，遇水膨胀，属于黏土类泥质膨胀岩[2]。而现场巷道围岩破碎、裂隙发育、孔隙较多[3]，局部巷道顶板有淋水、底板有积水，导致围岩中的高岭石遇水膨胀、碎裂。由于高岭石含量较高，且巷道围岩裂隙节理发育，分析认为此巷道属于软弱泥化巷道。

1.3 变形原因分析

（1）巷道埋深大。文家坡矿埋深约700 m，巷道围岩应力较大。

（2）受采空区影响大。41 盘区一号回风巷距离北侧的4105 工作面采空区549 m，距离南侧的相邻矿井火石咀矿采空区250 m，南北两侧采面的推采使围岩应力分布发生变化，导致底鼓及顶板变形。

（3）巷道围岩性质差。巷道局部围岩以泥岩、砂质泥岩为主[4]，并且根据X 射线衍射试验分析，巷道围岩组分含有高岭石成分，其吸水后体积膨胀，产生很大的膨胀力，使围岩强度降低或丧失。

（3）巷道围岩蠕变影响分析。根据围岩蠕变理论，巷道的失稳、破坏并非单纯的围岩强度不足引起的，而是由于围岩随时间推移发生了流变变形，进而导致围岩失稳、破坏[5]。41 盘区一号回风巷巷道掘进时并未出现较大变形，处于稳定蠕变阶段且支护强度满足要求，未发生蠕变，巷道也未剧烈变形；但是巷道掘进完1 年以后，稳定蠕变阶段进入加速蠕变阶段且巷道发生剧烈变形[6]。文家坡蠕变发生的原因，是高静载下长时蠕变对巷道周边围岩造成了能量积聚，在能量达到煤岩体破坏的最小势能后发生破坏。根据矿压观测结果和巷道维护状况，目前的锚网索喷支护满足文家坡生产需求但无法有效解决巷道蠕变问题，需要针对这种情况采取措施控制该类巷道围岩变形。

2 巷道维修支护方案

该巷道已修复多次，巷道围岩严重破碎、松动圈扩大，如采用传统锚杆支护，一是锚杆施工时因围岩破碎易造成锚杆大面积失效，二是支护的锚杆大多位于巷道围岩破碎区，难以达到设计的支护效果，因此巷道维修支护采用全锚索支护以加大锚固范围；同时考虑巷道成型差、废旧锚杆（索）较多，钢带难以架设，为了增加巷道护表支护强度，采用双层钢筋网支护。

（1）巷道维修区域实行全断面扩刷，采用先顶后帮施工顺序逐排进行。

（2）每排施工17 根Φ18.9 mm×3500 mm 短锚索，间排距700 mm×700 mm，每根短锚索使用1 卷MSZ23/60 和1 卷MSK23/35 型树脂药卷，短锚索锚固力应不低于110 kN，短锚索托盘采用150 mm×150 mm×12 mm 钢托盘，外露长度为150～250 mm；每排施工5 根Φ21.8 mm×7100 mm 锚索，间排距为1200 mm×700 mm，如图1 所示，每根锚索使用3 卷MSZ23/60 和1 卷MSK23/35 型树脂药卷，锚索锚固力不低于300 kN，Φ21.8 mm 锚索托板采用300 mm×300 mm×16 mm 碟形钢板；

图1 41 盘区一号回风巷巷修支护断面（单位：mm）

（3）钢筋网采用Φ6 mm 的Q235 金属网，网格为100 mm×100 mm，双层布置，上下层网片网格错位50 mm 布置、形成50 mm×50 mm 新网格，搭接长度为100 mm，相邻两片网片用16#铁丝连接、双排扣距为200 mm。

（4）锚网索支护结束后，喷射混凝土初喷50 mm 厚。

（5）注水泥浆加固破碎围岩。利用注浆可以有效充填破碎围岩孔隙，并且将破碎的岩体、孔隙胶结起来，胶结后的围岩在力学性能上会有显著提升[7]，提高围岩整体的力学性能，弱化破裂岩块之间的应力集中现象，使破碎围岩重新形成承载结构。为了加大注浆胶结范围、提高注浆充填效果，注浆分为浅部封孔注浆、深部加固注浆两部分，注浆参数分别如下。

浅部封孔注浆。巷道破碎围岩外围裂隙发育、孔隙较多，为了防止注浆时浆液沿破碎孔隙外泄，先用约1.0 MPa 的较小注浆压力对破碎围岩外围注浆胶结，形成“帷幕”效果。浅部注浆孔孔深1500 mm、孔径34 mm，按照间距2100 mm、排距1400 mm呈“878”布置，注浆管采用Φ32 mm×1000 mm 的注浆钢管，注浆压力为0.5～1.0 MPa，当注浆压力达到最大值时保持此压力20 min，可关闭阀门结束注浆。

深部加固注浆。深部注浆孔孔深5500 mm、孔径34 mm，按照间距1400 mm、排距1400 mm 呈“323”布置，注浆管采用Φ32 mm×3000 mm 的注浆钢管，注浆压力为1.0～3.0 MPa，当注浆压力达到最大值时保持此压力20 min，可关闭阀门结束注浆。

（6）对巷道围岩破碎严重区段，再架设29#U型棚支护，棚距为700 mm。

（7）以上支护加固完成后，再喷射混凝土复喷70 mm 厚。

3 数值模拟分析

应用FLAC3D有限元计算软件对巷道维修支护方案进行数值模拟分析，巷修支护参数数值模拟分析如图2 所示。

由图2 分析可得，巷道垂直即顶底板移近量为0.42 m，水平位移即两帮移近量为0.31 m；垂直应力为1.78 MPa，水平应力为16.4 MPa，巷道变形位移与围岩应力均较小，说明锚固承载体支护符合要求。

图2 41 盘区一号回风巷数值模拟

4 结论

实践证明，采用该巷道维修方案后，取得了较好的效果。为了监测巷道维修支护效果，巷道维修期间在41 盘区一号回风巷内布置了表面位移测站、锚索测力计测站和顶板离层仪，以此监测巷道顶底板移近量、两帮移近量、顶板离层大小和锚索受力大小。根据监测数据分析：巷道围岩收敛变形正常[8]，顶板无明显下沉，锚网注支护发挥显著支护作用，明显提高了巷道支护效果。