强构造应力影响区复合软岩地层巷道补强支护设计研究

黄 衡

(山西煤炭进出口集团 蒲县万家庄煤业有限公司,山西 蒲县 041204)

巷道作为煤矿井下开采运输、通风及行人的重要通道，其稳定性在煤矿安全中具有重要的作用[1-3]。如遇到断层时，巷道围岩会表现出应力高、围岩破碎的情况，极易造成巷道失稳，严重影响井下工作面的安全开采。所以巷道过断层构造时采取针对性的支护措施显得尤为重要[4]。本文针对万家庄煤业北翼区段回风巷提出了补强支护技术方案与参数。

1 工程概况

1.1 煤层及顶底板地质条件

万家庄煤业位于山西省临汾市。北翼区段回风巷为2号煤层一采区，北翼区段回风巷东侧为F7正断层，南侧为运输大巷，西侧为北翼区段运输巷、北侧为实体煤。北翼区段回风巷平面位置如图1所示。

图1 巷道平面布置示意

北翼区段回风巷为矩形断面，沿2号煤层顶板掘进。煤层平均厚度1.46 m。煤层顶板10 m范围内无稳定的关键承载层，主要由泥岩、砂质泥岩、细砂岩、泥岩、煤等软弱薄层构成复合软岩顶板，煤层柱状图如图2所示。煤层底板3 m范围内也无稳定的关键承载层，主要由泥岩、煤等构成复合软岩底板。因此，回风巷处于典型的复合软岩地层中。巷道掘进宽度4.2 m，掘进高度3.1 m，掘进断面13.02 m2。

图2 煤层柱状图

1.2 地质构造情况

2号煤层赋存稳定，不受冲击地压威胁，无煤与瓦斯突出危险性，煤层赋存稳定。但是，北翼区段回风巷近似平行于1条F7/H=25.7 m/∠70°大断层(正断层)掘进，保护煤柱45 m左右，如图3所示。

图3 北翼区段回风巷受强构造影响情况图

北翼区段回风巷位于该大断层的上盘，因此巷道处于强烈的构造应力影响区，最大水平构造应力可以达到垂直应力的1.5～2.0倍，约20～27 MPa。在强构造应力场作用下，巷道掘进过程中的矿压显现十分剧烈。

1.3 巷道现有支护情况

1) 顶部支护：采用间排距为800 mm×800 mm的D20 mm×2 200 mm左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，采用间排距1 600 mm×1 600 mm的D21.8 mm×8 000 mm的钢绞线，铺设D6 mm的钢筋网、网格100 mm×100 mm。

2) 帮部支护：采用间排距为800 mm×800 mm的D20 mm×2 200 mm左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，铺设D6 mm钢筋网，网格100 mm×100 mm。

顶帮锚网索支护完毕后，最后集中喷浆，喷浆混凝土强度为C20，喷射厚度100 mm，现有支护如图4所示。

图4 北翼区段回风巷现有支护断面图(mm)

1.4 巷道破坏情况现场调研

回风巷属于强构造应力影响区复合软岩地层巷道，最大水平应力为20～27 MPa，围岩平均强度约30 MPa，围岩应力强度比为0.67～0.90，属于不稳定围岩(根据《水利水电工程地质勘查规范》，当围岩强度应力比<2时，为V类围岩，属于不稳定围岩)。通过现场调研发现，万家庄煤业北翼区段回风巷表现为顶板剪切错动变形、巷帮移近、底板鼓出等强烈矿压显现特征(图5)，锚杆锚索破断现象多，巷道安全可靠性差。所以提出了北翼区段回风巷的补强支护技术方案。

图5 北翼区段回风巷变形破坏情况图

2 回风巷巷道受断层构造影响机理分析

该正断层在巷道东侧45～150 m，巷道在此断层的上盘，由于断层带附近煤岩体一般较为破碎，再加上巷道掘出后围岩应力状态恶化，使围岩变得更为破碎，围岩强度也进一步降低，极易发生巷道坍塌垮落破坏。影响构造破碎区内巷道围岩变形破坏的关键因素主要有：

1) 围岩应力高。由于受断层构造影响明显，使得构造破碎区附近往往存在较大的构造应力，巷道开挖后，在构造应力作用下岩块沿结构面剪切滑移，破碎围岩容易进一步破坏。

2) 应变软化特性。岩石超出峰值应力后仍具有一定承载能力，而这一承载能力随着应变增大而逐渐减小，表现出明显的应变软化现象。

3) 体积膨胀特性。控制断层破碎区巷道围岩变形即为控制围岩破碎后的体积膨胀。

4) 节理化围岩。构造破碎区中巷道围岩节理裂隙发育，极易在构造应力和开挖扰动作用下发生较大的变形和破坏，从而影响巷道的稳定性[5]。

3 北翼区段回风巷补强支护方案初步设计

3.1 巷道支护原则

回风巷属于高构造应力复合软岩地层巷道，在巷道掘进过程中，巷道顶底板和两帮在强烈构造应力(水平应力)影响下将发生剧烈的剪切滑移变形，进而导致顶板变形、巷帮鼓出以及底鼓，因此必须要通过锚杆(索)主动提供高强度的轴向与横向抗力，阻止不连续面的滑移与张开，提高围岩的抗剪强度。

3.2 巷道补强支护形式选择

根据现场探测结果，考虑到万家庄煤业北翼区段回风巷属于强构造应力影响区复合软岩地层巷道，巷道顶板和两帮0～3 m范围内围岩裂隙十分发育，围岩剪涨扩容变形十分剧烈，普通锚杆锚索发生“拉-剪”破断现象十分普遍。针对这一变形破坏特征，必须要通过围岩注浆改性加固等手段，来提高巷道顶板和两帮0～3 m范围内围岩的抗剪强度，增强围岩的承载能力。为此，回风巷采用“超高强锚-管-注一体化协同支护+U型钢棚”联合补强支护方式，巷道支护方案如图6所示。

3.3 巷道补强支护参数设计

1) 顶板补强支护参数。为提高巷道顶板复合岩层整体抗剪承载能力，采用超高强锚-管-注一体化协同补强支护形式，具体参数如下：顶板使用规格为D21.8 mm×4 300 mm的高强度低松弛预应力钢绞线锚索(1×19股)，极限破断拉力不低于607 kN，最大力总延伸率不低于7%.采用300 mm×300 mm×14 mm的高强度可调心托板及配套高强度锁具，托板材质为Q235钢。锚索配合采用D40 mm×2 500 mm抗弯剪-注浆一体化支护装置，该支护装置为特制的组合螺纹钢管结构，兼有抗弯剪支护和注浆功能。

图6 回风巷超高强锚-管-注一体化

根据浆液扩散特征，建议顶板补强锚索间距为1 500 mm，排距为1 600 mm；锚索钻孔采用大小孔嵌套方式，大孔直径45 mm，长度为3 000 mm；小孔直径29 mm，长度为1 000 mm。每根补强锚索采用1卷MSK2335和1卷 MSZ2360 树脂药卷锚固；锚索预张力250 kN，损失后不低于200 kN。

2) 两帮和底角补强支护参数。为确保对巷帮和底板的有效控制，两帮使用规格为D21.8 mm×4 300 mm的高强度低松弛预应力钢绞线锚索(1×19股)，配合采用D40 mm×2 500 mm抗弯剪-注浆一体化支护装置，间距为1 100 mm，排距为1 600 mm。其余参数同顶板。底角使用规格为D21.8 mm×6 300 mm的高强度低松弛预应力钢绞线锚索(1×19股)，配合采用D40 mm×4 000 mm抗弯剪-注浆一体化支护装置，排距为1 600 mm。底角锚索与水平面夹角为45°。其余参数同顶板。

3) U型钢架支护参数。在上述超高强锚-管-注一体化协同支护补强的基础上，建议进一步采用平顶U型钢棚支护来提高巷道的安全性与可靠性。建议棚距为800 mm，支架搭接长度500 mm，搭接处使用2副限位卡缆紧固，限位卡缆螺母扭矩不小于300 N·m。每棚间采用金属支拉杆连接，每个断面共3根，中顶(偏上帮100 mm)1根、搭接处下限位卡缆位置各1根。支架应垂直顶底板，支架前倾后仰不大于1°，倾斜巷道每增加5～8°，支架迎山角增加1°，淋肩不大于40 mm，支架梁扭矩不大于50 mm。顶梁采用铁背板腰背，顶梁以下采用铁背板，间距为300 mm。铁背板规格为900 mm×50 mm，腰背要平、直，每块铁背板两头用14号铁丝与铁丝网联牢，使壁后充填严实。

4) 喷浆支护参数。北翼区段回风巷在注浆之前，必须对巷道表面进行喷浆处理。喷射混凝土强度等级C20，喷层厚度建议50～100 mm。

5) 高性能浆液注浆加固参数。通过组合螺纹钢管的注浆装置向顶板和两帮锚索注浆，注浆材料采用425号普通硅酸盐水泥，配合高性能纳米改性添加剂，浆液水灰比为0.5～0.6，添加剂用量为10%～15%.注浆压力根据以往经验，注浆压力为3.0～5.0 MPa，最大注浆压力为5.0 MPa。一般单孔注浆时间为3～5 min。

4 回风巷补强支护效果分析

采用如上支护方式进行补强支护后，为验证支护效果，在巷道表面布置测点，对巷道顶底板移近量及两帮移近量进行分析，观测周期为60 d。提取数据并处理后得到巷道表面围岩变形曲线，如图7所示。

图7 巷道围岩位移变形图

监测结果显示，巷道顶底板移近量为121 mm，巷道两帮最大收敛量104 mm，均在可控范围之内，可以满足巷道的安全使用要求，巷道变形得到了有效的控制，此支护方式效果良好。

5 结 语

1) 巷道受断层构造影响，在巷道掘进过程中，巷道顶底板和两帮在强烈构造应力(水平应力)影响下将发生剧烈的剪切滑移变形，进而导致顶板变形、巷帮鼓出以及底鼓，必须要通过锚杆(索)主动提供高强度的轴向与横向抗力，阻止不连续面的滑移与张开，提高围岩的抗剪强度；

2) 通过理论分析，发现需要通过围岩注浆改性加固等手段，来提高巷道顶板和两帮0～3 m范围内围岩的抗剪强度，增强围岩的承载能力。因此提出采用“超高强锚-管-注一体化协同支护+U型钢棚”联合补强支护方式，并确定了具体的补强支护参数。