深部高应力软岩条件下底抽巷支护技术优化及应用

孟冯超

（河南能源化工集团有限公司河南焦煤能源有限公司科学技术研究所，河南 焦作 454150）

随着焦作矿区各矿井开采深度逐步加深，深部高应力、软岩以及强采动影响下的底抽巷支护问题日益突出，原有底抽巷支护设计不能有效控制围岩变形，巷道变形量大，局部区域破坏严重，严重影响瓦斯抽采作业、施工进度及矿井整体的采掘接替进度，后期巷道返修和维护工作量大。本文结合国内底抽巷支护技术研究经验[1-8]，以焦作矿区九里山矿深部地区底抽巷为研究对象，综合采用现场调研、理论分析、数值模拟和井下试验等多种方法，对深入高应力软岩条件下底抽巷支护技术进行深入研究。

1 工程概况

九里山矿为焦作矿区本部主要生产矿井，矿井开采二1 煤层，为煤与瓦斯突出矿井，近年来随着矿井开采深度逐步加深，深部底抽巷围岩控制及支护问题日益突出。该矿16071 底抽巷位于16 采区东翼中部，巷道设计全长850 m，外段0～630 m 掘进后因生产地区调整密闭暂停掘进，一年后开启密闭恢复掘进时发现巷道变形破坏明显，局部区段变形失修严重甚至出现顶板小范围冒落，对外段进行近3 个月的修理维护后方才恢复掘进。

该巷外段0～630 m 净宽B=4000 mm，h=1400 mm，净高H=3400 mm，采用综掘方式掘进。原支护采用锚网支护，巷道顶部采用锚杆为Φ20 mm×2400 mm 高强树脂锚杆，两帮采用锚杆为Φ18 mm×1800 mm 螺纹钢等强锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm，2.4 m 锚杆扭矩不小于150 N·m，1.8 m 等强锚杆扭矩不小于120 N·m。

2 巷道变形破坏原因分析

对九里山矿以及焦作矿区其他煤与瓦斯突出矿井底抽巷调研，发现各矿井深部地区底抽巷变形失修情况较为普遍，自掘进后直至上部工作面回采结束，巷道需要进行多次的返修维护。底抽巷围岩失稳变形破坏主要有两个阶段，一是掘进后巷道围岩失稳变形破坏阶段；二是工作面采动对底抽巷围岩变形破坏影响阶段。

（1）深部地应力大、围岩强度低且易风化破碎。随着矿井开采深度的增加，地应力逐步增高，围岩强度降低且易风化破碎，巷道围岩裂隙破碎区增大，尤其是综掘未喷浆仅锚网支护巷道风化破碎情况更为严重。

（2）巷道整体支护强度低。巷道整体支护强度不够，甚至锚固范围小于围岩破碎松动范围，导致深部高应力条件下支护体不能有效控制围岩的变形，造成巷道逐步失稳变形。

（3）工作面采动影响。当底抽巷距离上部工作面较近时，工作面回采将对底抽巷造成明显的采动影响，直至工作面推进过后逐步恢复稳定。

3 联合支护技术研究

底抽巷原有锚网支护方式支护强度低、支护设计不合理是导致深部地区底抽巷围岩逐步失稳变形破坏的一个重要原因。因此，通过研究相关锚网索支护理论，针对原有底抽巷支护存在的问题，提出了深部底抽巷“高预紧力锚网索喷+注浆”联合支护技术。（1）顶板及帮部均使用高强锚杆；（2）帮部打短锚索加强支护；（3）顶板及时打设点锚索加强支护；（4）增加锚杆、锚索预紧力；（5）综掘巷道喷浆封闭巷道；（6）喷浆后进行壁后注浆加固；（7）采用高强锚杆锚索托盘垫板。

为验证对比高预应力锚网索联合支护的效果，以九里山矿地质和工程技术条件为背景，分别对底抽巷在无支护、原支护以及优化支护三种方案下的破坏变形情况进行数值模拟研究。如图1～图3。

图1 无支护围岩塑性破坏区域

图2 原支护围岩塑性破坏区域

图3 联合支护方案围岩塑性破坏区域

通过数值模拟结果表明：巷道掘出后无支护状态下围岩塑性破坏范围最大，总体呈“蝶形”分布，以剪切破坏为主，破坏最深位置位于顶板两肩角处，破坏深度达到4～5 m，两底角处破坏深度达到2～3 m，巷道帮部破坏深度为1～2 m；巷道掘进后按原支护方案进行支护，围岩塑性破坏范围较无支护时大幅度减小，破坏最深处仍位于巷道肩角和底角，破坏深度达2～3 m；高预应力锚网索联合支护方案巷道只有在肩角和底板存在塑性破坏，且破坏深度不足1 m。由此表明高预应力锚网索支护方案能够有效降低巷道围岩的塑性破坏，方案具有较高可行性。

4 联合支护技术方案

底抽巷巷道采用直墙半圆拱断面，断面规格为4.4 m（宽）×3.4 m（高），支护断面图如图4。

图4 支护设计断面图（mm）

锚杆选用Ф20 mm×2400 mm 无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆，，除底脚锚杆外，其他锚杆间排距为800 mm×800 mm；顶板打设Φ17.8 mm×6300 mm点锚索补强支护，间排距1600 mm×1600 mm，一排三根；帮部打设Φ17.8 mm×4300 mm 短锚索加强支护，间排距1400 mm×1600 mm，一排4 根（每侧帮部2 根）；锚杆预紧扭矩不低于300 N·m，顶板及帮部短锚索预紧力不小于200 kN。

2.扩充了会计信息含量及核算范围。按新的会计准则，在资产与负债项目中增加了许多科目，全面核算医院的各类资产，反映医院承担的现实义务。例如：增加了“研发支出”科目，专门核算无形资产达到预定可使用状态前的费用，准确反映自行开发无形资产的成本；按来源将净资产分为累计盈余和专用基金，对专用基金的管理更加明确与规范化。与此同时，新会计制度将原来基建会计单独建账、核算后再并入财务大账的流程简化成统一进行会计核算取消基建单独建账，大大简化了基建的会计核算，既节省了医院的人力资源又提高了会计信息的完整性。

岩巷采用综掘方式施工时，在锚网后喷射一次混凝土封闭巷道，喷射混凝土厚度20～50 mm。

岩巷采用炮掘方式施工时，按传统方式进行两次混凝土喷射，锚网前初喷厚度40 mm，锚网后复喷厚度20～50 mm。

壁后注浆加固：采用注浆管进行注浆加固，注浆管为直径25.4 mm 钢管，注浆管长度800～2000 mm，注浆孔孔深2400 mm，间距1800～2000 mm，排距2400 mm，每排布置5 个注浆孔（巷道正中顶板一个，两侧肩窝及两侧底角各一个）。注浆使用P.O32.5R 普通硅酸盐水泥，浆液水灰比为1:0.7～1.0，注浆压力不小于3.0 MPa。注浆断面图如图5。

图5 注浆断面图（mm）

5 现场应用

为检验高预应力+注浆加固联合支护技术的实际效果，在九里山矿16071 底抽巷里段220 m 巷道进行了现场工业性试验，与外段原支护效果进行对比验证。

在16071 底抽巷试验段共建立5 个测点，分别位于通尺650 m、680 m、710 m、750 m、810 m。其中通尺650 m、680 m 测点为低预紧力锚网索+喷浆+注浆段；通尺710 m 为高预应力锚网索+喷浆+注浆段，通尺750 m、810 m 为高预应力锚网索+帮锚索+喷浆+注浆段。

通过图6、图7 的观测数据及曲线图可以得出：

图6 帮部变形与掘进时间对比曲线

图7 帮部日均变形速率与掘进时间对比曲线

（1）6 个月后，1#～5#测点巷道变形量及变形速率均已基本稳定。1#（650 m）、2#（680 m）测点每半个月帮部变形量在2～3 mm，日均变形速率0.13～0.2 mm/d；3#（710 m）、4#（750 m）、5#（810 m）测点每半个月帮部变形量极小（0～1 mm），日均变形速率0～0.07 mm/d。

（2）1#、2#测点采用锚网索（低预紧力）+喷浆+注浆支护方式，巷道掘进180 d 后帮部累计变形量在62～72 mm，顶板累计下沉量在18～20 mm，变形量明显大于采用高预应力锚网索支护方式的3#、4#、5#测点，由此说明高预应力支护可以有效提高巷道主动锚网支护的强度，减小巷道变形量。

（3）采用高预应力锚网索支护的3#～5#测点，4#（750 m）、5#（810 m）测点打设帮部短锚索，巷道掘进180 d 后帮部累计变形量9 mm，明显小于3#测点（710 m）未打设帮锚索段（20 mm）。说明增加帮部短锚索能够增强巷道帮部支护效果，配合壁后注浆加固后巷道变形量控制在了极小范围。

（4）1#、2#测点采用低预紧力支护段巷道掘进180 d 后帮部变形量虽然在62～72 mm，但该段在进行喷浆及注浆后，巷道变形量相比较16071 外段（0～630 m）未喷浆注浆段明显变小（外段未喷浆注浆段掘进180 d 帮部变形量在250～350 mm，封闭半年后失修变形严重）。说明巷道进行壁后注浆加固后，能够明显改善巷道围岩条件，提高围岩的整体性，注浆加固效果显著。

通过近9 个多月的现场实施及现场观测，九里山矿16071 底抽巷采用高预应力锚网索+帮锚索+喷浆+注浆方式支护取得了良好的支护效果。

6 结论

（1）焦作矿区原有底抽巷变形破坏主要原因有3 个：① 深部地应力大、围岩强度低且易风化破碎。② 巷道整体支护强度低。③ 工作面采动影响。

（2）通过研究锚网索联合支护技术及围岩注浆加固技术，提出了焦作矿区深部高应力软岩条件下底抽巷围岩控制的理念，制定了焦作矿区深部底抽巷高预应力锚网索喷+注浆加固联合支护技术方案，有效解决了焦作矿区深部底抽巷变形破坏严重的问题。

（3）高预应力锚网索喷+注浆联合支护技术方案通过高预应力锚网索支护及增加帮部短锚索提高了巷道主动锚网支护的强度，通过喷浆封闭减小了巷道围岩风化破坏，通过壁后注浆加固提高了巷道围岩的整体性，现场应用效果良好。