云盖山一矿穿多层倾斜软岩巷道锚注支护技术应用研究

陈召，李小军，张盛，朱磊，赵龙刚，王辉，王炎棕

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.河南永锦能源有限公司，河南 禹州 461670)

0 引 言

复杂地质构造给地层形成带来不同程度影响，当岩层走向和倾向都受地质构造影响发生倾斜时，岩层层位会出现错动现象。将巷道布置在此类倾斜岩层中时，掘进方向就会与岩层斜交，使巷道顶板沿岩层节理面破坏进而造成帮部变形、断面缩小和支护结构破坏等[1-3]。巷道布置在岩性强度差异明显的岩层时，不同的岩石强度特征和吸水软化特性对巷道稳定性影响不同，若采用相同的支护强度，局部软弱部位会先行破坏，先行破坏处将导致其他部位破坏变形，进而诱发巷道围岩整体失稳[4-5]。因此，掌握穿多层软岩巷道的变形规律，制定切实可行的围岩变形控制策略非常必要。

国内外学者对穿层巷道变形规律及其控制技术进行了理论和实践研究，如孙晓明等[6]确定了深部倾斜岩层巷道非对称变形破坏的关键部位，提出非对称耦合控制对策；王炯等[7]通过应力解除法对深部采区的地应力进行测量，分析地应力场分布特征对巷道设计与支护的影响；范明建等[8]通过地质力学测试和围岩变形破坏特征分析，提出深部大倾角复合岩层巷道全断面强力复合支护与巷道关键部位强化支护的设计理念；吴海等[9]采用UDEC数值模拟，提出非对称强化支护结合全断面锚索支护扩大围岩应力承载圈的技术保证围岩稳定；赵万里等[10]针对平煤一矿深部软岩巷道大变形问题，提出强力锚注支护技术，有效控制了深部巷道围岩变形；汪东海等[11]分析了复杂软岩巷道底鼓机制，提出“混凝土反底拱+注浆锚索”的底鼓控制对策；王琦等[12]研究得出不同粒径与水灰比充填体对破碎围岩空隙分布率和抗压强度的影响规律以及围岩破坏方式；魏夕合等[13]在复杂难支护巷道采用中空注浆锚杆、锚索和高强护表构件全锚注支护技术，结果表明，高强全锚注支护系统刚度提高了5.8倍，抗剪强度提高了50%～80%；王洪涛等[14]提出基于注浆加固技术的全长预应力锚注支护工艺，并提出贡献值概念及其理论计算公式，揭示了全长预应力锚注支护机理；黄耀光[15]系统研究了围岩破裂状态、围岩应力、注浆压力及时间、锚注钻孔布置形式对锚注浆液渗透扩散范围的影响规律，提出确定深部软岩巷道最佳锚注支护时机的方法；王连国等[16]提出内注浆锚杆为核心的锚注支护体系，并对注浆施工工艺的整个流程进行优化。

上述研究大多针对变形巷道修复，对于断面面积较大、服务年限较长，且穿多层倾斜软岩巷道的支护研究并不多。本文以云盖山一矿23采区泵房巷道为研究对象，结合地质条件，分析其破坏原因，提出巷道非对称变形支护控制思路和支护方案，进行分区围岩控制，并在现场进行应用研究。

1 研究区概况

1.1 工程概况

河南永锦能源有限公司云盖山一矿为云盖山井田西南部的一部分，井田面积约4.8 km2，矿井生产能力45万t/a，服务年限22 a，主采二1煤层，采用两立井一斜井综合开拓方式。

23采区泵房联络巷服务年限大于15 a，埋深约660 m，掘进方向地层倾角13°～24°，平均18.5°，巷道断面为直墙半圆拱形，巷道净宽5.0 m，净高4.3 m。巷道开口位置位于二1煤层中，掘进范围内二1煤普氏硬度系数f≤0.37，巷道掘进期间依次穿过二1煤层顶板上部砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩等岩层，巷道顶板以砂岩为主，夹粉砂岩，底板为砂质泥岩和粉砂岩，强度低且层理发育，属于典型的穿多层倾斜软岩巷道。巷道地层柱状图和穿层布置如图1～2所示，巷道掘进方向与岩层层理相交，导致巷道断面围岩呈非对称形状，图3为泵房联络巷51，83，112 m处的剖面图。

图1 巷道地层柱状图Fig.1 Column chart of roadway stratum

图2 倾斜穿层巷道布置平面图Fig.2 Plan layout of inclined roadway crossing multi-layer

图3 巷道不同断面岩层分布素描Fig.3 Sketch of strata distribution in different sections of roadway

1.2 巷道围岩地质特征

为了直观清晰地了解围岩的内部结构特征，在23采区泵房联络巷进行围岩岩性实地观察，并对顶、帮围岩钻孔取心，如图4所示。结果表明：巷道围岩节理发育，多呈层状节理；巷道大部分揭露岩层围岩强度较低，较破碎，局部呈破碎颗粒状。在巷道的软弱岩层中，如顺着岩层方向取心，整个取心段岩心较为破碎，相对完整岩心长宽不超过60 mm，RQD为0。

图4 现场岩性观察和顶板钻孔取心Fig.4 Lithology observation and roof drilling coring

围岩钻孔窥视结果如图5所示，巷道围岩呈现非对称破坏特征，浅部0～2 m内节理裂隙发育；中部2～4 m内出现较多的破碎带和松散带；深部4～7 m内较破碎，裂隙带与完整区交替出现，钻进速度明显变慢。

图5 围岩钻孔窥视结果Fig.5 Peeping results of surrounding rock drilling

1.3 巷道围岩矿物成分分析

为准确掌握23采区泵房联络巷复杂穿层段围岩的黏土和矿物组成，对地质异常段顶底板砂质泥岩样进行X射线衍射分析，确定样品中矿物种类和质量分数，矿物X射线衍射全岩分析结果如表1所示。

表1 矿物X射线衍射全岩分析结果Tab.1 X-ray diffraction analysis results of the whole rock mineral %

分析结果表明，底板砂质泥岩黏土矿物质量分数达到61.5%，主要包括高岭石族矿物，蒙皂石、伊利石、黏土级云母以及有关的混层结构矿物，由于黏土矿物粒径细小(<0.01 mm)，比表面积极大，并具有特殊的结构组成，因此它们对水分的侵入极为敏感，当与水体接触时，黏土矿物往往会发生膨胀，从而使岩层产生裂隙，甚至崩解，降低岩层的承载力。

2 巷道非对称变形破坏数值模拟分析

以23采区泵房联络巷50 m处地质赋存特征为例，采用FLAC3D数值模拟软件对巷道不同软硬岩层段的围岩应力分布和变形规律进行分析。由于穿层情况较多，仅选取已掘进区域内穿层较复杂、典型的顶板砂质泥岩和底板砂岩的巷道段，模型选取穿中粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩3种倾斜岩层巷道，如图6所示。

图6 穿倾斜岩层巷道模型示意Fig.6 Schematic diagram of roadway model crossing layer

2.1 数值计算模型

模型尺寸为50 m×50 m(宽×高)，岩层平均倾角25°，本构关系采用摩尔-库伦模型，左右边界限制水平方向位移，底部边界限制水平和竖直方向位移，上边界为应力边界，以巷道上覆岩层自重进行计算，取8.5 MPa，侧压系数取1.0。根据室内物理力学试验和相似工程经验，各岩层岩石力学参数见表2。

表2 各岩层岩石力学参数Tab.2 Rock physical and mechanical parameters

2.2 模拟结果分析

(1)由竖直应力分布云图(图7(a))可以看出，巷道开挖后，巷道周围均出现了不同程度的应力降低，其中顶底板出现了拉应力区，两帮也出现了应力集中区，“砂质泥岩+中粒砂岩”一侧的应力集中程度小于“中粒砂岩”一侧的，说明泥岩层岩性较弱，在较高支撑压力作用下会发生破坏，导致应力峰值向深部转移，自身破碎卸压，释放了围岩应力，使围岩中的应力集中程度降低。由水平应力分布云图(图7(b))可以看出，巷道上覆岩层和底板均出现了应力集中区，但顶底板的应力集中程度呈现明显的非对称。

图7 巷道围岩应力分布云图Fig.7 Stress distribution cloudy diagram of surrounding rock in roadway

(2)由位移分布云图(图8(a))可以看出，巷道围岩位移均呈现非对称分布特点，较大位移发生在左底角中粒砂岩与砂质泥岩岩层交汇处，以及底板位置，最大位移量可达812 mm。

(3)由塑性区分布云图(图8(b))可以看出，非对称分布特征明显，岩层倾斜对塑性区影响较大，影响较大的位置出现在巷道拱形右肩角浅部，以及底板中-深部，砂质泥岩层对巷道塑性区影响较大，其破坏后遇水会发生塑性流动，导致巷道其他部位发生连锁反应，依次破坏，最后导致巷道整体失稳。

图8 巷道围岩位移和塑性区分布云图Fig.8 Surrounding displacement and plastic zone distribution cloudy diagram in roadway

综上，由于巷道围岩岩性差异，巷道周围竖直应力和水平应力均有明显的非对称现象。竖直应力集中易造成帮部内挤；水平应力集中常导致挠曲性底鼓和顶板塑性破坏；砂质泥岩层为巷道破坏的关键薄弱层位，影响巷道整体的稳定性。

3 巷道非均匀变形控制思路

3.1 变形力学机制转化

软岩巷道变形机制类型与破坏特点如表3所示，围岩中含有较多的高岭石和伊/蒙混层等膨胀性矿物，自重应力和构造应力大，围岩节理裂隙发育。根据何满潮院士的软岩工程力学理论，结合表3可确定此巷道软岩属于高应力-节理化-膨胀性软岩类型，判断巷道变形力学机制为ⅠABⅡABⅢCE型，即吸水膨胀和胶体膨胀、易变形、节理化和穿层型复合变形力学机制[17]。

表3 软岩巷道变形机制类型与破坏特点Tab.3 Deformation types and failure characteristics of soft rock roadway

针对ⅠAB型变形力学机制，采取预留变形+柔性支护措施，利于膨胀变形能释放；对于ⅡAB型变形机制，适合锚网索耦合+底角锚杆控制技术抑制底板塑性滑移；对于ⅢCE型变形机制，利用围岩注浆、高强锚杆支护+锚索关键部位耦合支护技术[17]。通过以上3种转化过程，将变形力学机制由不稳定复合型转为稳定单一型，转化过程如图9所示。

图9 变形力学机制转化过程Fig.9 Transformation process of deformation mechanics

3.2 非对称支护控制思路

3.2.1 深-浅耦合全断面锚注加固机理

注浆作为一种有效增强软弱结构面的方法，在宏观上可以弱化非均匀的围岩赋存特征，保证破碎围岩的稳定；从微观看，注浆后关键参数得到改善，直接增强了围岩自承能力和稳定性。对于软弱破碎的围岩，通过注浆可以将其转化为弹性体，大大提高承载能力和稳定性，对于深部围岩的有效约束极为关键，可阻止其塑性区发育。

采用注浆锚杆为主、锚网喷等为辅的支护方法对巷道浅部破碎区岩体节理进行注浆加固，将浅部卸压区的破碎围岩胶结成一个整体，在浅部破碎带区内构成具有一定厚度、强度，胶结后较完整的注浆加固圈层，抑制巷道浅部围岩的进一步变形和破坏。对于巷道深部围岩，主要采用注浆锚索对不同层位岩层层理进行注浆加固，在一定范围内增强深部破碎围岩的胶结程度，提高岩体的局部承载能力，并且起到对浅部注浆加固体悬吊和承载的作用。通过“深-浅”耦合加固，达到巷道不同深度处的围岩都形成注浆加固体的目的，形成深-浅围岩互相支撑、互为承载体的耦合加固结构[18]，如图10所示。

图10 穿层巷道深-浅耦合锚注支护机理Fig.10 Mechanism of deep-shallow coupl bolting and grouting support in crossing layer roadway

3.2.2 穿层巷道围岩层理、节理强化机理

围岩岩性的不均匀性是穿层巷道的主要特点，穿层巷道围岩间黏结力较低，岩层整体性差，强度不均匀的岩层交界面易发生剪切变形破坏，导致交界面处存在大范围破碎裂隙带，引起围岩局部离层，而这些较大裂隙带的存在一方面会影响围岩的整体稳定性，另一方面会导致锚注浆液扩散，影响破碎岩体内部节理的胶结效果。

高强锚杆和注浆锚索对破碎围岩的内部节理有挤压组合作用，使破碎岩体内部节理间隙减小，有利于浅部浆液有效性渗透，抑制浆液随着岩层交界面裂隙带扩散更远，保证浆液对破碎围岩的有机黏结作用。

注浆锚索杆体长，抗拉强度高，对不同岩层间的层理有挤压组合作用，将其串联成一个整体，抑制了由于巷道开挖造成的塑性区发展，保证了穿层构造的原貌化，形成相互支撑、互为承载体的完整系统。

3.2.3 底板加固与超前抑制底板渗水

巷道底鼓实质是底板围岩内部裂隙宽度、长度和新裂隙数量的不断增长，底板浅部的离层或裂隙直接导致支护体的预紧力不能有效扩散。浅部采用注浆锚杆注浆，充填裂隙，恢复围岩结构完整性和连续状态；采用注浆锚索对深部围岩施加强力约束，改善锚固范围应力状态，增强其承载能力，进一步抑制底板围岩新裂隙的产生。另外，注浆层凝固对后期围岩渗水也有很好的抑制作用。

3.2.4 非对称支护策略

砂岩等强度较高的围岩比岩性强度稍低的围岩承载能力强，抗变形能力强。通过23采区泵房联络巷穿层构造分布可知，巷道全长范围内轴向岩性分布差异化明显，总体上呈现中部交替复杂、两翼单一的非均匀岩性产出状况。鉴于上述分析，决定针对强度较低的复杂穿层段和砂质泥岩段，以及强度略高的穿层段和粉砂岩段采取非对称支护方案，在保证支护强度的同时，适当加快巷道的掘进效率。

4 锚注支护控制方案与支护参数设计

4.1 注浆参数可行性分析

4.1.1 注浆材料

目前针对具有吸水膨胀的软岩巷道没有合适的注浆加固材料，对于此类巷道，注浆材料要满足注入能力强、凝结时间短、结石强度高等要求。选定CGM超细水泥材料，通过室内试验改变不同的水灰配比优化其初、终凝时间和析水量，最终确定合理的浆液水灰质量配比为0.5∶1。

4.1.2 注浆压力和时间

(1)帮、底：浅层注浆宜采取低压、低流量，目的主要是浅层堵漏和封孔，从而形成深层注浆的止浆层；深层注浆，配合中高压注浆压力，以渗透和劈裂注浆为主，高压可以扩大其注浆范围。注浆锚杆低压0.5～1.5 MPa，不超过2 MPa；注浆锚索高压3～5 MPa，不超过6 MPa；底板采用深浅间歇性注浆方式[19]。

(2)注浆时间：高应力软岩巷道开挖后围岩裂隙呈现先充分发育再闭合、渗透系数逐渐增至最大继而降低的规律，所以注浆时间应当选择在渗透系数较大的围岩变形阶段，采用滞后注浆更加合理[20]，考虑到穿层软岩巷道天然节理发育程度以及巷道的安全性等，注浆时间选择在滞后掘进工作面25 m时。

4.1.3 注浆孔深度L

合理的注浆孔深度应当保证不小于巷道围岩松动圈半径R，R计算式为[21]

(1)

式中：P为原岩应力；φ为围岩内摩擦角；C为围岩内聚力；r为巷道碹拱半径；PS为巷道支护反力。

数据计算结果结合巷道围岩钻孔窥视情况确定注浆孔深度L，为2.5 m。

4.1.4 单孔注浆量Q

巷道单孔注浆量Q计算式为

Q=πr′2Lα′β′n，

(2)

式中：r′为浆液有效扩散半径；n为围岩孔隙率；α′为有效填充系数；β′为浆液耗散系数。

由式(2)得浅部单孔注浆量Q≈0.26 m3；深部单孔注浆量Q≈0.79 m3。

4.2 注浆施工注意事项

4.2.1 顶帮区域

(1)注浆。采用间隙注浆，所有孔都注完后，等待第一注浆孔浆液初凝，未终凝前再次注浆，保证压力最大化。(2)跑、漏浆处理。停止注浆，采用黄泥或树脂锚固剂进行封堵，当邻孔开始出浆后，保持压力3～5 min，即可停止本孔注浆，改注相邻注浆孔。(3)喷浆要求。采用三次喷浆法，即巷道岩石揭露后初喷40 mm，及时封闭围岩，喷平围岩表面，保证锚杆托盘受力均匀；高强锚杆打设后复喷60 mm厚浆液，封堵一次喷浆层开口裂隙，防止浆液漏出，保证注浆给压；注浆锚杆注浆后终喷50 mm厚浆液，封堵注浆管尾孔缝隙，使巷道表面均匀平整。

4.2.2 底板区域

底板钻孔采用棉纱和水泥固定孔口管并封孔，竖直向下孔底有水，注浆锚杆/索必须等水泥浆固化后再施加预紧力，底板不平整时可垫加木块，剪去多余的锚杆或锚索外露长度，回填底板，做硬化层。具体施工流程如下。

卧底→钻锚杆孔→安装锚杆→封锚杆孔→浅部注浆→钻锚索孔→安装锚索→深部注浆→铺金属网→安放钢筋梯→给锚杆施加预紧力→张拉锚索→折弯全部底板钢筋并砸平→回填矸石喷射混凝土→硬化底板。

图11 注浆工艺流程Fig.11 Grouting craftsmanship process

4.3 巷道锚注支护参数设计

制定23采区泵房联络巷穿较软弱岩层段和穿软弱岩层段两种具有代表性巷道段非均匀变形控制方案，两种情况下的锚杆、注浆锚杆和注浆锚索布置的间排距不同，如图12所示。支护材料具体参数如下。

(1)锚杆和锚索支护参数。顶帮：高强锚杆,间排距800 mm×800 mm，注浆锚索1 400 mm×1 600 mm。顶板：注浆锚杆1 400 mm×1 600 mm。帮底：注浆锚杆1 400 mm×1 600 mm。底板：注浆锚索1 600 mm×1 600 mm。支护参数如图12所示。

图12 巷道分区域支护参数Fig.12 Support parameters in zone division of roadway

(2)预紧力。高强锚杆：扭矩大于等于200 N·m，锚固力大于等于105 kN。注浆锚杆：预紧扭矩250～300 N·m，锚固力大于等于150 kN。注浆锚索：张紧力≥大于等于36 MPa。

(3)支护配件。托盘：顶帮高强锚杆和注浆锚杆均搭配150 mm×150 mm×8 mm蝶形托盘，注浆锚索搭配350 mm×350 mm×20 mm蝶形托盘。底板注浆锚杆搭配150 mm×150 mm×12 mm拱形托盘，注浆锚索搭配300 mm×300 mm×16 mm拱形托盘。锚固剂：高强锚杆采用MSK2335型树脂锚固剂，注浆锚杆和注浆锚索均采用Z2350型树脂锚固剂。钢筋网：顶帮规格为800 mm×800 mm，底板为900 mm×1 700 mm。

(4)底板硬化。水泥硬化隔层用P·O42.5普通硅酸盐水泥，碎矸石填充层采用矿用废矸石、石子，防水隔层选用聚氨酯防水涂料。

5 工业性试验及效果分析

为了考察非对称支护技术的现场应用效果，在巷道内布置多组表面位移和顶板离层测站，选取50 m穿层岩性复杂处表面位移测站和巷道顶板离层测站的数据进行分析，结果如图13所示。由图13可以看出，控制方案实施后巷道经历了“变形缓慢→变形急速→趋于稳定”过程，巷道掘进之后发生了一定程度的底鼓、顶板下沉和帮部变形，其中，巷道顶板最大下沉量35 mm，底鼓最大量217 mm，两帮最大移近量160 mm，顶底板最大移近量252 mm；顶板浅部离层最大值20 mm，深部离层最大值8 mm。与同水平类似地质条件相比，巷道变形量减少约53%，巷道开挖65 d后变形基本趋于稳定，如图14所示。锚注非对称支护技术有效控制了倾斜穿多层软岩巷道的变形。

图13 巷道变形量与顶板离层量监测曲线Fig.13 Monitoring curves of relationship between roadway deformation or roof separation and time

图14 成巷效果图Fig.14 Photos of completed roadway

6 结 论

(1)巷道布置在倾斜软弱岩层内时，受岩体结构本身的非对称性质、巷道开挖卸荷和巷道可变形空间的影响，围岩产生节理、层理间剪切滑移变形岩体被挤出，导致差异性形变，这是穿层软岩巷道发生非对称变形破坏的主要原因。

(2)锚注浆液扩散会受破碎岩体内部节理特别是层理影响，不同层位之间岩层交叉面裂隙较大，浆液沿着这些层理面会渗透更远，导致浆液在层理面的有效胶结控制区域变大，但对于岩层节理浆液的渗透不充分，不利于破碎围岩的胶结，采用高强锚杆和注浆锚索可以破碎岩体内部的节理进行有效挤压组合，增强浆液对岩层的加固。

(3)设计了全断面注浆参数和施工工艺，确定了深浅高低压力和间歇性注浆时间，以及底板注浆锚索的封孔方法等，采用三次喷射混凝土方法，确保了巷道的注浆效果。

(4)提出一种在穿多层倾斜软岩巷道中应用的全断面非对称支护技术，顶帮采用“初喷+高强锚杆+复喷+注浆锚杆+注浆锚索+终喷”、底板采用注浆锚杆+注浆锚索+硬化底板”深浅耦合注浆的联合支护方式，在生产现场有效地控制了穿多层软岩巷道变形。