基于内外承载结构的软岩巷道围岩控制技术研究

唐世界

(河南能源焦煤公司赵固二矿，河南 新乡 453000)

我国煤矿进入深部开采后面临着愈加复杂的开采条件，需要解决的生产难题愈加棘手，其中软岩巷道支护一直是矿井生产工作中的重难点问题。煤系地层以沉积岩为主，围岩属性包含砂岩、泥岩、砂岩砂质泥岩等，巷道需布置在泥岩等软弱岩层当中，但受采掘扰动影响软岩巷道易发生显著变形，常常需要经历多次返修以控制巷道断面尺寸，严重影响采面正常回采工作，亟需提出有效的变形控制措施。

针对软岩巷道变形显著的问题，专家学者已开展了大量的工作研究软岩巷道围岩破坏失稳机理及变形控制机制，并取得了丰富的理论和实践成果。袁亮等[1]提出了深井岩巷围岩稳定性控制理论及技术体系；康红普等[2]提出采取锚注联合支护对围岩加固以控制巷道围岩变形；李为腾等[3]研究得出高应力环境下软岩巷道支护体系作用机制，提出采用拱架支护避免巷道围岩失稳；余伟健等[4]研究了高应力软岩巷道围岩的变形机理；王襄禹等[5]提出了锚注结构承载力的计算公式以预测锚注支护软岩巷道变形情况；张广超等[6]为解决顾桥煤矿-780 m轨道大巷破碎软弱围岩支护难题，基于支护机制分析提出了多层次耦合控制技术，实现了对深井软岩巷道围岩变形的有效控制；刘泉声等[7]提出了分步联合支护理念并取得了较为理想的围岩控制效果；李学华等[8]提出了分阶段、分区域围岩控制技术，经过工业性试验证明该技术可有效控制软岩的变形破坏，保障巷道围岩结构稳定。

专家学者[9-12]在软岩巷道围岩变形控制方面已取得了丰富的研究成果，笔者在前人研究的基础上，针对采动软岩回采巷道围岩变形显著问题，分析了开采扰动下围岩变形破坏规律，研究了软岩巷道围岩破坏机理与控制对策，并针对巷道实际条件提出了软岩巷道主动式围岩加固控制技术，现场实践表明该技术对围岩变形控制有良好成效，能保障工作面回采期间的巷道安全。

1 工程概况

赵固二矿14030工作面回风巷承担工作面的回风、行人、辅助运输及设备列车停放等任务，由于工作面走向长度较大、推进速度较慢，导致回风巷服务周期较长。自掘进开始至服务结束期间，14030工作面回风巷承受掘进施工、上区段工作面开采、本工作面开采及施工钻孔等多重扰动影响。因巷道围岩主要为泥岩、砂质泥岩，在重复扰动下力学性能不断劣化，逐渐丧失承载能力，巷道围岩变形显著；同时，巷道一次支护强度不够，后期补强支护不合理，经多次返修，密集的锚杆索钻孔破坏了巷道围岩结构完整性，巷道多处出现顶板破碎、顶板网兜、片帮等支护失效现象，严重威胁工作面生产安全。

1.1 研究区域概况

矿井主采二叠系山西组二1煤层，该煤层为单一近水平煤层，煤层倾角为4°～10°，厚度为4.73～6.77 m，平均厚度6.16 m。煤层直接顶由灰黑色砂质泥岩和灰色泥岩组成，老顶为大占砂岩；煤层直接底为灰黑色砂质泥岩和灰色泥岩，老底为L9灰岩。

14030工作面位于四盘区，地面标高+75.3～+77.8 m，井下标高-662.73～-731.63 m。煤层厚度4.8～6.1 m，平均煤层厚度为5.9 m，采高4.5～6.1 m，煤层倾角4°～6°，煤层硬度f=1.25～2.01，工作面位于二1煤层，东北侧为14021工作面采空区，南邻F18断层，西南侧为未开采区域，北邻西轨道底抽巷等三条大巷。从工作面掘进期间揭露的地质资料分析，地质条件较复杂，14030工作面内共7条断层，14030工作面综合柱状如图1所示。

图1 14030工作面综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of 14030 working face

14030回风巷位于矿井四盘区中部，设计顶板标高-673.0～-765.2 m，沿二1煤层顶板掘进，总工程量为2 109.5 m，东北侧为未开采的14021工作面进风巷，西南侧为14030工作面，西北接西胶带大巷，如图2所示。

图2 14030工作面回风巷位置示意图Fig.2 Location of 14030 working face return air lane

1.2 14030回风巷原支护设计

14030工作面回风巷长度为2 109.5 m，断面为矩形，净高3 200 mm，净宽4 600 mm(图3)。

图3 14030工作面回风巷原设计支护断面图Fig.3 Original design support cross section of 14030 working face return air lane

1)顶板锚杆规格：Φ20 mm×2 400 mm，间排距为800 mm×1 000 mm，锚杆托盘为δ10 mm×150 mm×150 mm。槽钢梁锚索规格：Φ21.6 mm×8 250 mm，间排距为1 300 mm×2 000 mm(长槽钢梁锚索)和1 350 mm×2 000 mm(短槽钢梁锚索)，托盘规格为4 200 mm和3 000 mm的16#槽钢梁与δ12 mm×80 mm×80 mm、δ12 mm×120 mm×120 mm铁垫板配合使用，锚索预紧力不低于350 kN，张拉泵压力表读数不小于49.5 MPa。

2)帮锚索规格：Φ17.8 mm×4 250 mm，间排距为900 mm×1 000 mm，托盘规格δ12 mm×200 mm×200 mm铁垫板，锚索预紧力不低于150 kN。

2 采动软岩巷道围岩破坏规律研究

2.1 巷道围岩变形破坏规律

在14030工作面回风巷布置钻孔窥视观察点，采用ZKXG100矿用钻孔成像轨迹检测装置探测扰动作用下巷道顶板围岩结构特征，共进行了2次窥视，钻孔窥视结果见图4和图5。

窥视钻孔1#位于工作面超前200 m处，钻孔全长11.5 m，从图4和图5可以看出，该孔孔口至1.8 m以下部分孔壁略微破碎，1.8 m处发育有离层裂隙，1.8 m以上孔壁基本完整，4.74 m处发育有离层裂隙，4.74 m以上直至孔底孔壁光滑完整。

图4 1#钻孔窥视结果Fig.4 Peep results of 1# borehole

图5 2#钻孔窥视结果Fig.5 Peep results of 2# borehole

窥视钻孔2#位于工作面超前30 m处，钻孔全长10.6 m，根据钻孔窥视结果，该孔2.18 m以下部分孔壁破碎粗糙，2.18 m以上至5 m段孔壁基本完整，5 m处发育有离层裂隙，5 m以上直至孔底孔壁光滑完整。

通过将窥视钻孔1#和窥视钻孔2#进行对比可以发现，随着扰动次数和程度的增加，巷道围岩破碎区范围不断扩大，同时围岩离层裂隙发育高度不断增高。窥视钻孔1#处巷道围岩仅经历掘进扰动和临近采面开采扰动共两次扰动，在扰动作用下巷道围岩出现1.8 m的塑性破坏区，该区域岩石略微破碎，顶板离层裂隙发育至4.74 m；窥视钻孔2#处巷道围岩在经历掘进和临近采面开采2次扰动后，还需承受本工作面超前集中应力作用，巷道围岩破坏程度进一步加深，塑性破坏区范围增加至2.18 m，顶板离层裂隙发育高度增加至5 m。

从巷道围岩结构观测结构可以发现，经历多次扰动后，浅部围岩发生变形破坏，岩体较为松散破碎，单一的锚杆索支护无法发挥预紧力作用，不能取得理想的锚固效果，未能形成有效的承载结构；深部围岩已产生离层裂隙，随着扰动程度的增加，浅部围岩的松散破碎范围进一步加深，为深部围岩提供离层变形空间，顶板岩层无法在锚杆索支护的作用下形成组合承载结构，难以发挥出主动式支护优势。

2.2 采动软岩巷道围岩控制对策

14030工作面回风巷从巷道开挖至服务结束期间，应力环境不断发生改变直至达到新的平衡状态，巷道围岩在扰动作用下沿径向由内而外形成破碎区、塑性区和弹性区。对巷道采取支护措施后，根据在支护-围岩系统承载状态的区别，可将巷道围岩大致分为浅部围岩的内承载结构和深部围岩的外承载结构，如图6所示。外承载结构即应力峰值区附近弹塑性煤岩体，包括小部分塑性区和弹性区的围岩；内承载结构即巷道浅部以锚固体、注浆体及支架等为主的支护结构，包括破碎区和大部分塑性区的围岩。

图6 软岩巷道承载结构示意Fig.6 Bearing structure of soft rock roadway

根据弹塑性区应力连续方程可计算得出巷道的塑性区及破碎区半径见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Rs为破碎区半径；R0为巷道半径；Rp为塑性区半径；σRp为弹塑性区交界面处的应力；C为岩体内聚力；φ为内摩擦角；Q为岩体强度软化模量；η为塑性软化区围岩扩容梯度。

14030工作面回风巷开挖后，软弱围岩初始应力平衡状态发生改变，使围岩应力由三向受力转变为二向受力。巷道围岩以泥岩和砂质泥岩为主，岩体承载能力和抗扰动能力较差，且遇水易泥化膨胀。在14030工作面回风巷掘成至服务结束期间，经历了掘进扰动、邻近工作面开采扰动、本工作面开采扰动及密集的锚杆索施工钻孔扰动影响，同时巷道平均埋深700 m，围岩承受着较高的原岩应力，在重复扰动作用下，巷道围岩发生塑性变形，出现巷道顶板下沉、帮鼓和底鼓等现象。结合巷道现场情况对式(1)和式(2)分析可知，原支护方案下围岩变形显著的根本原因是复杂应力环境下泥岩破坏严重，而普通的锚杆索支护难以有效发挥锚固作用、形成围岩承载结构，使得巷道围岩变形破坏程度难以遏制。

假设外承载结构承担着巷道围岩一半的应力增大载荷，同时以塑性区切向应力为1.1倍原岩应力处为外承载结构内半径，因此外承载结构内、外半径可由式(3)得到。

(3)

由式(3)可知，当扰动下巷道围岩保留较好承载性能，仍具有较大的内聚力和内摩擦角时，此时塑性区范围发育较小，浅部围岩起主要承载作用，巷道容易维护。若扰动作用下围岩松散破碎，塑性区发育显著，则外承载结构远离巷道，不利于巷道维护工作。

基于采动软岩巷道围岩结构变形破坏规律，结合软岩巷道围岩破坏机理和围岩内外承载结构变化特征，认为采动软岩回采巷道变形控制应从提升浅部围岩的承载能力出发，通过增强内承载结构的支护强度及围岩自身抗扰动能力，从而发挥出内外承载结构和支护体共同作用下的围岩变形控制作用。

3 软岩巷道主动式围岩加固技术

3.1 注浆锚索主动式围岩注浆加固技术

根据采动软岩巷道围岩变形破坏规律，结合软岩巷道围岩劣化机理与控制对策，提出在14030工作面回风巷采用注浆锚索主动式围岩注浆加固技术以加强对巷道围岩变形控制，该技术具有以下5个优点。①提高围岩强度。巷道受重复扰动作用变形破坏，围岩结构完整和力学性能均被弱化，采用注浆锚索支护可加强巷道围岩整体的刚度和抗剪强度，改善围岩的抗变形能力，保证重复扰动下巷道围岩的稳定。②浆液黏结围岩裂隙。注浆锚索的注浆浆液可对采动裂隙及破碎岩体进行有效黏结，还可将巷道掘进前岩体内原生裂隙封堵，提升巷道围岩整体性承载能力。③减小围岩松动圈。巷道围岩承受的集中应力超过其承载能力发生变形破坏，形成围岩松动圈，通过注浆加固巷道围岩，可提升巷道浅部围岩承载能力，减小围岩松动圈的范围，增强巷道承载结构的稳定性。④防止岩层风化。注浆液充满岩层裂隙后，可将裂隙中附存的空气和水排出，隔绝内部岩体同外界的环境接触，可有效抑制巷道围岩内部发生风化破坏。⑤变被动支护为主动支护。同普通的锚杆索支护相比，注浆锚索在可施加预紧力的基础上还能够对围岩注浆加固，将围岩自身承载能力作为支护系统的一部分，使其与原岩形成一个整体，以实现主动支护效果，巷道结构板稳定且不易被破坏。

3.2 不同支护参数围岩控制效果

1)模型建立及模拟方案。基于赵固二矿14030工作面回风巷地质条件，采用FLAC3D软件，变换初始支护参数(注浆锚索长度、预紧力)，研究支护参数变化对围岩控制效果的影响，从而对比得出合适的注浆锚索支护支护参数。

顶板注浆锚索模拟方案：①模拟注浆锚索预紧力分别为50 kN、150 kN、250 kN、350 kN时的支护效果；②模拟注浆锚索长度分别为5 m、6 m、7 m、8 m时的支护效果。根据14030工作面回风巷地质条件建立了数值计算模型，图7为FLAC3D模型图。模型在空间上分x、y、z三个方向，与实际的开采情况比较，工作面推进方向在模型中为x方向，工作面走向方向为y方向，竖直方向为z方向，整个模型在空间尺寸上x方向为104.8 m，y方向为50 m(x方向和y方向组成水平面)，z方向为62.4 m。模型计算采用摩尔-库仑准则计算。数值模拟计算所需的岩体力学参数见表1。

表1 数值模拟计算岩体力学参数表Table 1 Rock mechanics parameters for numerical simulation

图7 14030工作面回风巷数值计算模型图Fig.7 Numerical calculation model of 14030 working face return air roadway

2)模拟结果。对各数值模拟方案的结果数据进行整理，不同支护参数下巷道围岩变形如图8所示。由图8(a)可知，当注浆锚索预紧力由50 kN增加至350 kN时，巷道顶底板移近量和两帮移近量均显著降低，顶底板移近量峰值由1 118 mm降至241 mm，降低了78.4%；两帮移近量峰值由1 049 mm降至217 mm，降低了79.3%。表明在锚索力学性能允许承受载荷范围内，适当提高预紧力可有效改善巷道围岩变形控制效果。由图8(b)可知，当注浆锚索长度由5 m增加至8 m时，巷道顶底板移近量和两帮移近量均显著降低，顶底板移近量峰值由1 681 mm降至241 mm，降低了85.7%；两帮移近量峰值由1 613 mm降至217 mm，降低了86.5%。表明适当加长注浆锚索长度可显著改善巷道围岩变形控制效果。

图8 不同支护参数下巷道围岩变形曲线Fig.8 Deformation curve of roadway surrounding rock under different support parameters

3.3 注浆锚索支护方案

根据不同支护参数下巷道变形特征，结合14030工作面回风巷地质条件及现场实际设计了注浆锚索支护参数。

1)支护参数。顶板注浆锚索呈“三-四”交错布置，锚索规格：Φ22 mm×8 250 mm，间排距为1 400 mm×1 600 mm；两帮每排各布置三根注浆锚索；锚索规格：Φ22 mm×4 250 mm，间排距1 300 mm×1 600 mm；底板每排布置3根注浆锚索，注浆锚索规格：Φ22 mm×4 250 mm，间排距为1 600 mm×1 600 mm。

2)锚索预紧力要求。Φ22 mm×8 250 mm注浆锚索初次预紧力设定100 kN，注浆后二次紧固预紧力不小于350 kN；Φ22 mm×4 250 mm注浆锚索预紧力设定150 kN。

3)注浆参数。巷道注浆为全断面注浆，采用注浆锚索进行注浆。顶板注浆锚索要求施加低预紧力初次预紧后进行注浆，待浆液凝固后(凝固期3 d)，对注浆锚索进行二次紧固；帮部和底板注浆锚索直接注浆锚固，不再进行初次预紧。巷道注浆终压不小于3 MPa，注浆水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，浆液配合比为水∶水泥=1∶0.6～0.8。14030工作面回风巷注浆锚索补强支护方案见图9。

图9 14030工作面注浆锚索补强支护设计Fig.9 Design of grouting anchor cable reinforcement support in 14030 working face

4 现场应用情况

为验证注浆锚索补强支护技术围岩控制效果，在14030工作面回风巷安设表面位移测站，共布置4个测站，各测站间隔20 m，采用“十”字观测法测定巷道顶底板、两帮移近量，回采期间巷道围岩相对变形量随时间的变化情况见图10。

由图10可知，巷道的顶底板移近量、两帮移近量随距工作面距离的减小不断增加，当距工作面降至25 m时，巷道围岩的变形量增长趋势显著。采用注浆锚索进行补强支护后，巷道进入超前支护段后，顶底板移近量最大可达160～190 mm，顶底板移近速率平均为30 mm/d，两帮移近量最大可达180～230 mm，两帮移近速率平均为35 mm/d；当测点距工作面距离为25 m时，注浆锚索超前支护段顶底板移近量平均为65 mm，两帮移近量平均为95 mm。同原支护方案相比，巷道围岩变形量平均值及最大值均显著降低，围岩变形速率较小，表明采取注浆锚索补强支护后，围岩变形控制效果显著，能保障工作面回采期间的巷道安全。

图10 巷道变形量曲线Fig.10 Deformation curve of roadway

5 结 论

1)针对14030工作面回风巷变形显著的问题，通过钻孔窥视得出开采扰动下围岩结构变形规律。经历多次扰动后，浅部围岩变形破坏，岩体松散破碎，难以形成有效的承载结构，深部围岩产生离层裂隙。随着扰动程度加深，浅部围岩的松散破碎范围进一步扩大，深部围岩离层裂隙发育高度增高。

2)分析研究了采动软岩巷道围岩破坏机理与控制对策，提出应从提升浅部围岩的承载能力出发，通过增强内承载结构的支护强度及围岩自身抗扰动能力，从而发挥出内外承载结构和支护体共同作用下的围岩变形控制作用。

3)利用FLAC3D软件研究了不同支护参数下巷道围岩变形情况，发现在锚索力学性能允许承受载荷范围内，适当提高预紧力及加长注浆锚索长度改善巷道围岩变形控制效果；并针对14030工作面回风巷地质条件和现场实际设计了注浆锚索支护参数。

4)现场观测结果显示，采取主动式围岩注浆加固技术后，超前支承压力影响范围内顶底板移近量最大可达160～190 mm，两帮移近量最大可达180～230 mm，巷道变形量不影响采面正常生产。表明注浆锚索主动式围岩加固控制技术的应用，能有效控制采动软岩回采巷道变形显著问题，降低了巷道返修工程量，提高了工作面回采速度，保障巷道服务期间的正常使用。