软岩巷道变形破坏特征及锚注一体化支护技术

魏世明，靳梦帆，禄鑫琰，张泽升

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000；3.平顶山天安煤业股份有限公司十矿，河南 平顶山 467000)

随着煤矿开采深度的不断增加，各种工程灾害也日趋增多，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁[1-3]。深部巷道具有地应力高、围岩松软破碎、变形速度大、变形量大等明显特征[4，5]，为支护设计带来严重困难，特别是对于服务年限较长的煤矿基建硐室，其断面尺寸相对较大，若支护设计不合理，其围岩变形甚至可使硐室完全闭合[6，7]。针对于深部软岩支护的工程问题，采用常规锚杆、锚索或U型钢棚、O型棚等被动支护[8，9]，已经无法满足围岩控制的要求，巷道变形破坏严重，维护成本高，甚至出现前掘后修的情况，严重制约了矿区高产高效的发展[10，11]。对此，研究人员提出了采用高强锚注一体化支护技术来解决复杂困难条件下的巷道支护问题[12-18]。

但针对不同的地质条件，围岩变形特征不同，支护方案、锚注参数等均有较大差别，因此，针对特定条件下的软岩巷道进行围岩变形特征分析及锚注技术的应用研究很有必要。平顶山天安煤业股份有限公司十矿(以下简称“平煤十矿”)-320m第二变电所位于-320m水平东、西大巷交汇处的三角地带，巷道全长79m，布置在戊8煤层顶板的砂质泥岩中。近年来由于矿压显现，巷道底板、两帮出现大变形，顶、帮裂隙明显，虽已对巷道进行了多次大规模维修或局部挑顶，但并不能从根本上控制围岩变形，给矿井的安全生产带来了极大的隐患[19]。本文研究高强锚注一体化支护技术在该类巷道中的应用，以从根本上实现软弱、破碎围岩巷道难以支护和破坏深度大的问题。

1 平煤十矿-320m第二变电所变形破坏特征

该巷道原采用锚网喷联合支护，采用∅20mm×2200mm等强树脂锚杆，间排距700m×700m，挂网使用900mm×2900mm冷拔丝金属网，喷层厚度100mm。巷道受采动影响较大，已历经多次翻修，如扩帮、拉底恢复等。经打钻测定，巷道围岩松动圈大于3m，锚杆长度小于松动圈范围，导致巷道原支护完全失去效果。由现场观测可知，巷道各区段位置变形差别较大，这是岩性不同所导致，虽然个别区域变形较小，但大部分区域变形严重，底板、两帮出现了大变形，拱形顶和肩的位置出现裂隙，最宽达50mm。为进一步准确掌握变电所顶板围岩裂隙发育的程度，利用钻孔窥视仪对各深度岩层裂隙发育状况进行了观测。

观测结果表明，-320m第二变电所围岩裂隙发育较多，且垂直于岩壁发育，纵向裂隙较少。0～2.4m之间裂隙较少，仅个别处出现裂隙，呈现细长条状，这是由于原支护所采用的长度为2.2m的锚杆维护了巷道浅层围岩的完整性；2.5～5.8m 之间裂隙明显增多，岩体较破碎，裂隙粗且长，这是由于原支护中的锚杆长度不足导致围岩受压出现裂隙，且压力向里层传递，使裂隙逐渐发育；6.2～6.9m裂隙发育程度明显降低，围岩压力向里传递时层层减弱，至6.2m的深度后压力已不足以破坏岩体。

对-320m第二变电所软弱围岩变形破坏特征、大变形破坏机理进行总结分析：

1)掉块。巷道本身处于砂质泥岩中，强度较低且巷道围岩中存在大量裂隙，其受掘进影响后裂隙进一步发育，受重力、水或相邻作业扰动影响，岩体完整性趋向于不良发育，岩体或岩屑松动、掉落。

2)膨胀破坏。砂质泥岩中含有大量遇水膨胀的成分，巷道掘进后应力重新分布，裂隙进一步发育，导致巷道与水接触。围岩遇水膨胀，强度降低，从而产生膨胀性破坏，进而导致巷道向内收敛，断面变小，锚喷网支护的喷网层产生破坏，外部喷层受岩壁挤压影响从岩壁剥离。

3)底板稳定性差。由于对-320m第二变电所进行支护设计时未对巷道底角和底板采取任何支护措施，因此，当巷道拱顶受压的荷载向两帮和底板传递时，直接导致了巷道底板和底角处的应力集中现象，从而引发巷道底板底鼓、底角破坏，巷道底板失稳后两帮和拱顶的压力进一步增大，产生恶性循环，最终导致巷道支护结构全面破坏。个别区域的巷道底鼓量甚至达到1000mm。

4)原支护方式与围岩变形特征不匹配。-320m第二变电所原支护采用的为锚网喷支护，锚杆尺寸为∅20mm×2200mm等强树脂锚杆，端头锚固型。从支护机理而言，该类型锚杆与巷道围岩的破碎软弱特性不相匹配，特别是当围岩变形量高于400mm时锚杆就会失去锚固力。而当个别锚杆失去锚固力时就会使支护跨度增大，进而导致周边锚杆受力增加并破坏，进而导致该区域围岩变形加剧，并最终造成巷道整体支护系统的毁灭性破坏。

根据上述分析，为解决平煤十矿-320m第二变电所支护困难的问题，首先就是要提高该区域破碎、软弱岩体的残余强度，并对底板和底角进行加固处理，改变该巷道围岩的变形破坏规律，因此，适合采用高强锚注一体化支护技术。

2 锚注一体化支护方案数值模拟分析

利用FLAC3D模拟软件与原支护效果进行对比分析，以验证锚注支护参数的可行性。模型尺寸为79m×30m×90m(长×宽×高)，变电所为直墙半圆拱，断面尺寸为6m×4m。结合实际地质情况，煤岩物理力学参数见表1。模型的四周侧面和底部固定，按实际埋深480m施加应力，上覆岩层容重取25kN/m3。

表1 煤岩力学参数

模拟时选择原支护与高强锚注一体化支护方案相对比。对原支护方式进行模拟时，选择与现场相一致的支护方案，即采用∅20mm×2200mm的等强树脂锚杆，间排距为700mm×700mm，未对巷道底板进行处理，单排锚杆数量为15根。采用高强锚注一体化支护时，具体参数为：选择高强树脂锚杆，参数为∅20mm×2000mm，间排距为700mm×700mm，底板布置无高强锚杆，单排锚杆数量为15根；注浆锚杆的参数为∅25mm×2600mm，间排距为1400mm×700mm，注浆锚索的参数为∅22mm×7300mm，间排距为1400mm×700mm，注浆锚杆、锚索交替布置于高强锚杆每排的中间，单排注浆锚杆9根，注浆锚索8根；底板使用∅25mm×2600mm注浆锚杆，间排距为1000mm×700mm，单排底板注浆锚杆5根。通过提高注浆区域部分强度参数以实现注浆过程的模拟[20，21]，提高后的力学参数为：密度2400kg/m3，剪切模量3.42GPa，体积模量7.0GPa，抗拉强度1.3MPa，内聚力2.3MPa，内摩擦角20°。

垂直应力分布的模拟结果如图1所示。由图1(a)可知，在原支护条件下，巷道周围应力集中明显且应力影响范围较广；由图1(b)可知，在采取高强锚注一体化支护时，应力影响范围明显缩小，但巷道周围的应力集中程度反而有所增大，这主要是由于原支护时，根据钻孔窥视结果，锚杆承载范围以内的围岩较完整，所以应力集中明显，但承载范围以外的围岩破碎严重，难以形成有效的承载体，故应力集中程度较低，而锚注一体化支护由于使用了锚索且对两帮及底板进行了注浆加固，加固能力强且加固范围广，大幅度提高了围岩的承载力，所以应力影响范围小但应力集中程度有所增大，但总体而言，数值模拟结果表明锚注一体化支护对变电所周围受力有明显的改善作用。

图1 垂直应力分布

塑性区的分布如图2所示。由图2可知，在原支护条件下，塑性区分布范围大，尤其是底板处最为严重，扩散深度达6m以上，在采取锚注一体化技术修复后，围岩塑性区范围较为均匀，扩散深度仅2m，较原支护减少了66.7%，且深部岩体未发现明显裂隙分布，底板状况得到明显改善，巷道呈现出均匀受压的状态。

图2 塑性区分布

3 锚注一体化支护技术实际应用与效果分析

3.1 高强锚注一体化支护技术应用

-320m第二变电所按设计断面扩修后，分别选取两段各30m长巷道进行锚喷支护和高强锚注一体化支护的对比试验，如果锚注一体化效果明显，则对全巷采取锚注施工[19]。根据数值模拟的结果，高强锚注一体化支护主要分3个阶段：①采用锚网喷支护，选用∅20mm×2000mm高强树脂锚杆，间排距为700mm×700mm，采用2900mm×900mm的∅4mm钢筋网护表，对扩帮刷顶后的巷道进行喷浆，初喷厚度不低于100mm，强度C20；②采用锚注一体化支护，对巷道进行二次补强加固。采用∅25mm×2600mm中空注浆锚杆和∅22mm×7300mm中空注浆锚索对围岩进行注浆永久支护，间排距为1400mm×700mm，注浆锚杆与注浆锚索位于高强树脂锚杆排距中间交替布置。中空注浆锚杆预紧力不低于180kN，中空注浆锚索张拉预紧力不低于120kN，采用2900mm×900mm的∅4mm钢筋网护表，复喷喷浆厚度不低于50mm，强度C20。注浆材料为P.O42.5水泥浆液，注浆水灰比为1∶2，并添加8%(质量比)ACZ-I型水泥注浆添加剂，注浆压力顶板及两帮控制在2～3MPa，底板控制在4～6MPa；二次注浆水灰比为1∶1，并添加8%(质量比)ACZ-I型水泥注浆添加剂，注浆压力控制在4～6MPa；③清理底板后采用混凝土层封闭底板。底板采用∅25mm×2600mm中空注浆锚杆，间排距为1000mm×700mm，待施工完成后对底板打地坪，混凝土厚度300mm，强度C30。高强锚注一体化技术支护方案如图3所示。

图3 高强锚注一体化支护方案(mm)

3.2 支护效果

对非锚注段和高强锚注一体化支护段巷道的顶底板及两帮收敛值进行监测，结果如图4所示。由图可知，非锚注段在两个月内收敛值达到了近300mm，并且从趋势看仍呈近似线性增长，50d后仍未稳定，而采用高强锚注一体化支护段巷道在40d以后即趋于稳定，两帮及顶底板基本无变形，变化量仅在23mm左右，因此，采用高强锚注一体化支护段巷道稳定性远大于非锚注段。现场扩修后对-320m第二变电所再采用高强锚注一体化技术修复后效果明显。

图4 -320m第二变电所两帮、顶底板收敛值对比

4 结 论

1)平煤十矿-320m第二变电所处在砂质泥岩中，围岩强度低、裂隙发育、遇水膨胀，属典型的软岩巷道，且由于该巷道现有支护方式不能与围岩变形相适应，因此经常性地出现底脚破坏、底鼓严重、两帮移近明显等破坏特征，因此，对巷道采用高强锚注一体化支护进行彻底修复显得尤为必要。

2)数值模拟结果表明，采用高强锚注一体化支护后，应力影响范围、顶板下沉、底鼓及两帮移近量与原支护相比均有明显的下降，底板塑性区深度也由原支护的6m降低为2m左右，数值模拟结果验证了高强锚注一体化支护技术的有效性。

3)实际采用高强锚注一体化支护技术后，巷道在40d左右即达到稳定，两帮及顶底板基本不再变形，维持在23mm左右，而非锚注段巷道60d后变形量达到300mm左右且仍呈线性增加，表明在该条件下采用高强锚注一体化支护技术具有明显的效果。