大侧压条件下井巷工程支护技术应用

黄玉生，刘 活

(广西锡山矿业有限公司，广西 南宁 530022)

0 前 言

随着广西大新锰矿开采及基建深度的增加，大侧压条件下的软岩巷道将不断涌现，正在基建中的2号胶带巷的围岩变形呈现显著的软岩巷道变形特征，前期支护的巷道两帮在大侧压的作用下表现出较严重的回缩移位和开裂现象。

1 工程概况

2号胶带巷是南方锰业大新锰矿分公司100万t/a碳酸锰地下开拓扩能工程一部分，将来要承担160中段的全部出矿任务,由平巷段638 m和斜井段290 m组成，开挖断面为10.5 m2,支护断面0.8 m2，采用正掘和反掘两端同时相向开挖贯通。

1.1 工程地质条件

围岩主要岩性为风化硅质灰岩，夹黑亮的碳质泥岩，呈薄层状，岩层陡倾斜与巷道轴线成80(°)左右夹角，巷道与岩层成顺层掘进，岩层风化、氧化、泥化严重，遇水可膨化成泥状，容易出现片帮、冒顶情况，根据围岩特征分类，0～638 m为Ⅳ、Ⅴ弱稳定岩层，638～928 m为Ⅲ类中等稳定层。

1.2 水文地质条件

井筒正掘至40 m后顶板开始滴水，随着掘进的深入，滴水逐渐增大，两帮壁出现了涌水现象，从最初的1 m3/h至掘进到100 m后达到10 m3/h，根据处在同一地质岩层的220水平运输巷的揭露地质情况，可以推测，处在同一垂直方向下面的2号胶带巷一样将会穿过强含水层，涌水量较大的泥岩层，松软的流砂层等[1]。

1.3 作业方式的选择

在巷道施工上考虑到经济性、合理性，因此我们在2号胶带巷选用了全断面一次成巷的作业方式。而在其他基建作业面对巷道断面较大的地面辅助斜坡道，岩层情况较差，不易于全断面一次掘进，则采用台阶工作面先掘巷道上部、后掘下部的方式。对巷道岩层较好的副井斜坡道、东部至12号测量线的关键路线，则采用二次爆破的光爆方式，达到一次成巷的光爆效果。对副井斜坡道掘进探测遇到的溶蚀洞及涌水点，则执行注浆堵水后再光爆掘进的作业方式。

1.4 施工过程中发现存在的问题

在2号胶带巷施工中，发现岩层极其容易出现片帮和超挖冒顶，在0～40 m段,需要在超前支护前提下,才可以光爆放炮出渣，控顶的工作量大。在0～10 m特别破碎的地方需要临时支护，筑砼支护后或在锚网喷架前，顶板、边帮超挖部位需要废渣充实回填，填渣量大，难以充分回填，效果不理想。在40～100 m段，掌子面积水严重，泥浆水深达30 cm,没有形成有效的排水系统，增加了打钻及爆破难度。

已筑砼支护的40 m巷道，几乎全部出现两帮开裂，巷道内敛，最大处宽度由3.0 m缩小到2.9 m,位移量达到0.1 m左右，大部裂缝呈巷道轴向水平延伸开裂，裂缝错位最宽处达到0.05 m。显示出强大的侧压作用。筑砼段在筑砼过程中，受到潜水扰动的影响，墙基清底不够彻底，局部会有浮渣垫底的现象，且浮渣又会被水流冲刷，墙基出现下沉，也是形成裂缝的一个因素。

针对井巷施工中出现的以上问题，特别是大侧压的强烈表现，必须对其出现问题的成因进行探讨分析，以利科学有效地采用相应的支护措施。

2 井巷地压和侧压

2.1 井巷地压和侧压的成因

1)井巷地压

开挖前，任何一处的原生岩体受到前后、左右、上下三面六方压力的挤压，这种原始应力相互作用，大小相等，方向相反，互相牵制抵消，保持在平衡状态，在巷道开挖后，平衡受到破坏，巷道周围的岩石，都将发生变形和破坏[2]。围岩应力重新分布直至稳定为止，在逐渐形成自然平衡拱后，顶压全部传递至两帮岩石上，巷道侧压的产生示意见图1。

图1 巷道侧压的产生

两帮岩石所承受的压力没有超过岩石本身的强度时，则两帮岩石没有压坏，把压力传给底板。底板岩石不坚固时，底板将会鼓起，如两帮岩石不够坚固，承受不住上面传来的压力时，两帮岩石就要沿着图1所示的斜面垮落下来。这时由于巷道垮落后的宽度加大，平衡拱也将扩大，直到形成图1中虚线所示新的自然平衡拱为止。这种情况下，两帮向内位移、片帮、支柱弯曲或断裂，柱腿承受着岩帮垮落所产生的水平推力，这就是巷道的侧压。从上面分析可以知道，侧压和底压其实都是由顶压所引起的。

侧压力的大小，同顶板传递压力大小、两帮岩石的软弱破碎程度、巷道高度与宽度、两帮与顶板岩石性质、构造与爆破冲击力大小有关。若两帮岩石是软弱岩层，则出现破碎、膨胀等现象，产生了侧压的作用。这些压力主要来源于软弱岩体的变形传递，根源在于顶压，并与顶压正相关，因此防治的重点要放在控制顶压上，而顶压与巷道的掘进及支护密切相关。当巷道底板结构为软弱岩层时，底板在水平集中压力的作用下产生底鼓变形，即底压。当巷道积水，也会由于岩石膨胀而产生底鼓，严重时，可使巷道严重变形。因此对于底压严重的地方，需用带反底拱形状的断面支护巷道。

2)井巷侧压

2号胶带巷轴向与岩层顺层，层理几乎不胶结，结构离层松散，吸水膨胀极易成粉碎状，具有碎胀性及膨胀性软岩特征。岩层与巷道轴向成80(°)左右夹角，开挖后，两帮破碎膨出点刚好处在拱帮腰线部位，围岩横向压力直接作用于此，致帮位受压大于残余围岩强度，出现移位。根据理论得知：破碎松散岩层采动圈越大，顶压越大，软弱岩体的变形传递力就越大，所以该地段具备大侧压形成的地质条件。

2.2 井巷地压特征

原岩开挖后，应力集中系数发生变化，设巷道开挖前某一点的原岩应力为σ，开挖后该点的次生应力变为δ，他们的比值K=δ/σ，称为应力集中系数，可以用他来表示开挖前后应力的变化情况。若K>1,说明巷道开挖后次生应力增大了；反之，若K<1，说明巷道开挖后次生应力减小了。围岩应力变化的范围，就是采动影响范围。实践分析和理论研究证明，采动影响范围只限于巷道周围不大的区域以内。一般认为采动影响半径是巷道半径的3～5倍，2号胶带巷道为3.5 m,高3.4 m,采动范围在巷道周边3.5～7.0 m。称此采动范围内的岩体为围岩，在该范围外为原岩，围岩的次生应力状态与巷道的横断面形状及尺寸有关，曲线形巷道应力变化均匀，折线形巷道应力会在角隅处集中，常会表现出边帮松石之类。2号胶带巷横断面是三心拱弧形，在拱形范围内应力变化均匀分散。

2.3 井巷围岩应力与围岩强度之间的辩证关系

当围岩应力大于围岩强度时，井巷处于不稳定状态，出现位移变形；当两者相等或围岩应力小于围岩强度时，井巷处于稳定状态。所以必须采取光面爆破的开挖方式尽力使爆破对围岩的破坏程度达到最小值，以增加围岩的强度。

3 大侧压软岩巷道支护原理及原则

3.1 支护原理

由于大侧压的表现仅可能存在于软岩地质条件下的井巷之中，两侧围岩均处于破碎区和塑性区，需从强化两侧围岩的强度方面考虑措施。根据岩层不同属性、不同地压来源来分析地压活动基本规律，运用科学的设计方法，使支护结构和施工工艺不断适应围岩变形的活动状态，以达到控制围岩变形，维护巷道稳定的目的。从以下几个方面考虑：

1)必须改变传统的单纯提高支护刚度的思想，支护结构及强度应与加固围岩、提高围岩自承能力相结合，与围岩变形及强度相匹配，大量的事例证明，单纯提高支护刚度的方法是难以奏效的。

2)必须采取卸压、加固与支护相结合的方法，统筹考虑、合理安排，对高地应力区，要卸得充分，对大变形区，要让得适度，对松散破碎区，要注意整体加固，对巷道围岩整体要支护住。

3)进行围岩变形量测，准确地掌握围岩变形的活动状态，根据量测结果反馈的数据，确定二次支护结构的参数，确定补强时间、再次支护时间和封底时间。

4)根据松软岩层特征，巷道支护一般需分次进行，巷道开挖的围岩暴露后，需立即进行一次支护，及时封闭围岩，使围岩尽可能减少其强度损失，然后根据情况，适时进行二次或多次支护。

3.2 支护原则

从地压特征分析得出：井巷破坏的原因主要是围岩应力超过了岩体的强度，因此，井巷维护的基本原则是提高围岩强度，降低围岩应力，改善围岩应力状态，以便充分利用围岩的自承能力去支撑井巷地压。由此分析可以确定技术可行、经济合理的支护方案。目前广泛采用光爆锚喷的井巷施工技术，此技术主要根据光爆原理、锚杆的支护原理、喷射混凝土作用原理、网片的作用原理四者理论的有机结合的应用。

1)维护和保持围岩的残余强度的原则：采用光面爆破等技术，最大限度减少对围岩的破坏，在开巷后及时喷射混凝土以封闭岩面，防止围岩风化潮解，减少围岩强度损失。

2)恢复和提高围岩残余强度的原则：开巷后，尽快完成支护的主体结构，使围岩由2向应力转为3向应力状态；利用锚杆的锚固力将破碎围岩锚固起来；对破碎严重的岩体，进行注浆加固。

3)充分发挥围岩承载能力的原则：设计采用三心拱断面巷道，用锚喷网和U形钢可缩性支架全断面柔性支护，有必要时进行二次浇钢筋砼进行刚性支护成巷。

4)根据支护围岩共同作用关系曲线理论，开巷后应尽可能及时地完成支护的主体结构(可缩性支护)，使之在恒阻可缩或增阻可缩性让压的过程中，实现对围岩过度变形趋势的有效控制。要求支护时限尽可能在松动圈内围岩破裂缝过度碎胀，破裂岩块即将失去变形过程中的相互啮合力而出现松散冒落的状态点之前完成，以充分发挥巷道围岩的自承能力。

4 软岩巷道支护方法

1)地质条件为Ⅱ级以上坚固岩体的，井巷光爆掘进出空间后，均能安全稳定使用[3]。

2)Ⅲ级中等稳固岩层，在打锚杆时若有局部片帮现象时，则局部采用锚网喷架的加强支护方案，其余大部直接采用锚网喷支护，若大部顶板松石过多，则在锚网喷架基础上再增加超前杆支护。

3)Ⅳ级以上的软弱岩层中，则在超前支护架配合下进行短掘短支开挖，边掘边喷边支，及时封闭围岩，防止围岩继续氧化或破坏，再采用锚网喷架的永久支护方式。

4)在松软或流砂性岩层中掘进，必须在超前杆的支护下，严格按照短掘短支方法，小炮爆破后立即施行喷砼临时支护，永久支护至掘进工作面之间不超过2 m，并架设临时支护棚架或特殊支护，若有涌水，采取疏水引流措施后，马上施行浇筑C25钢筋混凝土永久支护，筑砼时，须考虑增加埋设金属架加强支护，并在拱脚增加锁脚锚杆，间隔距离为1 m或更小，局部地方或需增加梅花形锚杆加强支护。

5)对于碎胀型软岩，就是破碎严重的岩体，单纯依靠锚杆加固不能满足要求时，则考虑注浆加固，这是提高松散破碎围岩强度最有效的方法。注浆方式可以采用单独注浆或采用外锚内注的“锚注式”锚杆。

6)2号胶带巷采用长4 m的DN40钢管进行临时支护，沿顶板弧形轮廓线布置，管距小于0.5 m。并确保永久支架距工作面的距离不超过2 m,中途停止掘进时，支护必须紧跟至工作面。

5 大侧压条件下巷道断面形状的选择

当巷道的顶压、侧压和地压都很大时，为了使支架能承受四周的地压，往往开掘成圆形，但必须考虑到实用性和经济性。大新锰矿的扩能工程为160中段深巷工程，巷道普遍顶压较大，服务年限要求较长，关键路线都是主要运输或通风巷道，因此选用三心圆弧拱直墙形巷道，其优点是既降低了拱高，又避免了应力尖点的存在[4]。

6 支护方式

井巷的主要支护方式有：锚喷支护、锚网喷支护、锚网喷架支护、锚喷索支护、锚网索支护、锚梁网支护、锚网架支护、锚网桁支护、锚梁网喷注浆联合支护、可缩性金属支架、锚网喷碹联合支护[2]。目前发展趋势是以能主动加固围岩强度的锚喷支护为主的联合支护方式，在松软岩层巷道维护中，锚喷支护作为一次支护已被公认，二次支护可用锚网喷、锚网以及可缩性金属支架、锚索，还有采用整体混凝土支护。

实践证明：以锚喷为主的联合支护方式对松软岩层的维护有较好的适应性。

7 技术保障措施

7.1 排水系统的建立

利用在工作面附近左侧开挖一个适当大小的集水仓，把集水仓巷道以上的积水通过截水沟引流汇集后，由抽水机外排至井口地面。

7.2 光爆技术的应用

由于巷道围岩软弱，必须用光爆的施工方法短掘短支。

7.3 超前杆技术的应用

对围岩不能自承出现过多片帮冒顶的地段，则要考虑先行超前杆支护。超前小导管支护的技术性强，对工人素质要求高，难于操作，成本高，在非不得已时才考虑此种方式，所以我们可以考虑用DN40钢管作超前支护替代[5]。

7.4 以锚喷为主的联合优化支护技术应用

在松软破碎的岩层中进行喷锚作业，必须打超前锚杆预先护顶，在动压巷道中，必须采用喷锚加金属网联合支护；在有淋水的井巷中喷锚时，必须先做好隔水引流工作。在2#胶带巷已经支护完成的0～40 m段，因受到破碎围岩应力的作用，引起混凝土断面的变形、开裂、内敛现象，我们采取了以下优化组合方案：

1)巷道开挖→钢支架背网安装(必要时加锚杆支护)→初喷50 mm混凝土→后期初喷混凝土稳定性好，没有遭受到破坏→再喷100 mm混凝土，完成支护。

2)巷道开挖→钢支架背网安装(必要时加锚杆支护)→初喷50 mm混凝土→后期初喷混凝土稳定性差，遭受到破坏→浇筑200 mm钢筋混凝土，完成支护。改进后，节本保质，先柔后刚的支护方式比较适合这种有持续释放应力的围岩，柔性支护可以吸收围岩释放的应力，从而保护后期刚性支护，保证支护不受到破坏。

经过40～100 m段采用以上方案的实践，目前没有再出现开裂变形等现象，证明方案是可行的。

7.5 壁后注浆和锚杆补强技术的应用

对前期完工但出现开裂的0～40 m段，采用壁后注浆工艺后，再行锚杆加固技术，锚杆采用Ф20 mm×2 500 mm规格，用树脂型锚固剂，经测抗拨力达到120 KN,整改加固后，经后期6个月的观察，没有再发生位移现象，说明围岩加固后，足以抵消围岩应力。

以上的实践证明：以锚喷为主的联合支护体系对松软岩层的维护有较好的适应性。

8 胶带巷围岩变形特征和支护技术要点

1)井巷施工中，若围岩稳定性较差，存在岩层破碎，片帮冒顶现象，并伴有涌水的情况下，施工难度是相当大的。

2)2号胶带巷在基建开拓阶段施工中遇到风化硅质灰岩，从揭露的岩层看，围岩稳定性较差，顶板较不稳固，爆破后存在塌方、超挖、冒顶现象，顶板及两帮拌有少量涌水、滴水情况，巷道两帮塌方及涌水更甚些。

3)帮部超挖20～50 cm,特别是左侧巷道，薄层硅质岩易松动脱落形成边帮塌方，破碎松散度大，两帮具备大侧压产生的条件。

4)在前期的混凝土刚性支护后，通过对巷道的变形观测记录，发现巷道两帮逐渐内敛收缩，日位移量明显过大，加上顶板下沉量作用，至后期出现明显开裂变形，通过观测记录，得知此段巷道开挖稳定期约为60 d，说明巷道直接采用筑砼方式的支护结构不尽合理，认为是支护强度不够，于是全拱增加了钢筋制安后筑砼，但后期砼开裂现象依然存在，说明单纯提高支护刚度也是行不通的。

5)通过观察，变形移位仍在继续，没有得到根本性的改变，因此改变支护工艺，对全拱进行锚网喷架支护。通过40～100 m段的试验，后期没有发生开裂移位现象，说明方案是可行的。

6)开裂移位原因：①首先是初次支护的强度低，采用的是素砼结构，待到发现有巷道开裂时，才马上增加了钢筋成为钢筋砼的支护结构，由于边帮超挖，采用破碎松散废渣回填，大量的废渣空隙造成支护结构与周边的围岩体强度不耦合；②没有进行初次喷浆封闭，致巷道在氧化和水化侵蚀的作用，围岩强度变小，因此及时喷浆十分必要；③在采用钢筋砼支护方式后，发现侧压的作用力仍有较大的破坏作用，边帮回缩大于预期，因此我们必须改变单纯靠提高支护刚度的办法，在松渣回填边帮后采取锚网喷浆进行柔性支护卸压、钢拱架钢性加固；④锚杆按30(°)角度打入巷道底板锁拱脚，待压力稳定，后期再二次喷浆支护补强，在遇局部涌水地段，则采用导管引流后喷浆或直接筑砼加强支护。

9 结 论

由现场观测和分析可知，此大侧压力条件下，井巷围岩的控制方案：支护采用提高锚杆初次支护强度和让压支护原则，适当加大锚杆直径、长度和增加锚杆预紧力并适时滞后喷射混凝土，在提高围岩自承能力的同时，在巷道围岩剧烈变形期进行喷护。

1)不同地质岩层条件下，巷道失稳、破坏机理不同，巷道支护要在现场调研基础上进行针对性的支护设计。

2)及时喷浆对巷道防止水化，保障围岩的自承能力对高应力巷道的有效控制具有重要作用。

3)锁脚锚杆的使用对巷道拱脚内缩移位及防止巷道底鼓效果显著，应予以推广。

4)大侧压应力的条件下软岩巷道的控制机理仍然需要遵循支护结构与围岩体的耦合原则，2号胶带作为研究区域的初次支护强度过低，导致巷道后期维护困难。