深部开采软岩巷道过应力集中带围岩控制技术研究

梁 杰

（汾西矿业集团高阳煤矿，山西 孝义 032300）

深部矿井回采时控制围岩变形是巷道掘进及围岩支护时需要重点解决问题，深部矿井巷道掘进面临条件复杂、围岩承载力不足、地应力及构造应力集中等问题，而采用单一一种巷道围岩控制方式往往难以取得有效围岩控制效果[1-3]。山西某矿采深为680 m，已进入深部开采，矿井1506巷在掘进过程通过应力集中带时围岩出现变形量大问题，随后续对巷道进行修复，但是间隔6个月期间围岩断面仍缩小至原断面1/3，给巷道使用带来较大安全威胁，同时频繁修复巷道也存在经济投入高、占用人力资源等问题。为此，文中在分析1506巷围岩变形量大原因基础上，提出针对性围岩支护技术方案并进行工程应用，现场应用后可为巷道使用创造了良好条件。

1 工程概况

山西某矿1506巷为直墙半圆拱形，深度超过680 m，巷道为岩巷，采用EBZ260（H）综掘机掘进，锚网索喷、U型钢架棚方式控制围岩变形。1506巷上部为砂质泥岩，颜色呈深灰色，内有白云母碎片；巷道下部为泥岩，中间夹杂白色次生矿物。1506巷设计掘进长度为1 209 m，巷道掘进至575 m时遇到地质条件复杂带，在该范围内存在地层缺失，断层发育以及岩层厚度变化较大。1506巷在此范围内围岩出现较大变形，具体表现为顶板下沉、底鼓、支护结构破断等，给巷道使用带来胶带影响。具体现场巷道断面图如图1所示。从图1中看出巷道原采用的支护方式难以满足围岩控制需要。

图1 巷道断面

2 巷道围岩变形原因分析

1506巷埋深超过680 m，现场实测发现巷道围岩实际垂直应力达到理论垂直应力的1.15~1.75倍，实际水平应力达到理论水平应力的2.2~3.5倍；同时巷道围岩在地质构造作用下存在较高的剪切应力。巷道埋深大、应力高以及围岩自身承载能力差等是导致1506巷围岩出现大变形的主要原因。

1506巷围围岩以砂质泥岩、泥岩为主，围岩内部裂隙发育、承载能力较差，巷道掘进后围岩自稳时间长、容易出现掉顶问题。在巷道内采用钻孔窥视仪（YTJ-20）探测，发现巷道掘进后围岩松动范围为2.5~3.7 m，超过支护用锚杆支护范围，锚杆难以有效控制浅部围岩位移。巷道在575~670 m区间范围内，地质构造发育、存在有应力集中带，围岩内裂隙、软弱结构面等发育。巷道原采用的支护方式也存在一定程度的施工质量不佳、支护强度较低等现象，现场观察发现巷道顶板及巷帮锚杆均存在一定高程度不接顶、帮问题[4-7]。

3 应力集中带围岩控制设计

3.1 围岩控制方案

文中提出采用改善巷道支护质量、提高围岩支护强度、注浆加固以及改进巷道支护参数等方式对应力集中带围岩进行控制。根据1506巷围岩特征、埋深情况，提出设计方案为：

1）待巷道掘进完成后及时进行初喷并对巷道表层围岩裂隙进行封堵，从而在巷道表层形成平成的混凝土层，提高围岩强度；

2）支护完成后及时进行锚杆支护，减少围岩裸露时间，从而降低空气、水等围岩强度影响；

3）对锚杆受力以及围岩变形进行监测，当锚杆受力在15 t左右、围岩变形在80 mm左右时立刻采用锚索对围岩进行补强加固，在锚杆索共同作用下控制围岩变形；

4）在滞后掘进迎头约50 m位置通过注浆方式提高围岩强度，并为巷道支护体系提供可靠的支撑点。具体在应力集中带巷道支护设计如图2所示。

图2 应力集中带巷道支护断面图（mm）

支护采用MSGLW500螺纹钢锚杆（长2 400 mm、杆径22 mm），间排距均为700 mm，配套使用规格150 mm×150 mm×10 mm扭矩螺母。采用的锚索为延伸率3.5%~7.0%、抗拉强度1 860 MPa以上的钢绞线，间距、排距分别为1 000 mm、1 400 mm，配套规格300 mm×300 mm×14 mm蝶形托盘。中空注浆锚索规格为长度7 250 mm、杆径21.6 mm，一排布置7根，间距、排距均为1 400 mm。注浆材料选择使用水灰质量比1∶2~1∶6水泥单液浆，注浆压力控制在2~5 MPa。单个注浆锚索注浆量控制在0.072 m3左右。

3.2 围岩控制效果

采用上述方案支护后，按照20 m间距布置若干测站监测巷道顶底板、巷帮变形。在监测60 d时间内，巷道顶板累积下沉量为75 mm、底鼓量为35 mm、巷帮收敛量为89 mm，巷道断面保持较好，可满足巷道后续通风、运输以及行人等需求。具体支护完成的巷道断面图如图3所示。

图3 支护完成的巷道断面图

4 结论

1506巷为典型的深部开采巷道，巷道原采用锚杆索、U型钢组合方式对围岩进行控制，但是受到局部围岩应力集中、围岩承载能力差等因素影响，巷道围岩变形量较大，难以满足后续使用需要。在对1506巷原支护方案、巷道岩性以及围岩应力等分析基础上，提出综合使用锚梁网索、注浆锚索方式控制围岩变形，巷道支护体系中巷道表层初喷、锚杆支护、锚索支护以及注浆锚索等有机耦合，实现围岩有层次、及时强化，降低浅部岩体位移对围岩变形量同时提高深部岩体稳定性。在1506巷过应力集中带期间采用文中所提围岩支护方案后，巷道围岩变形得以有效控制，其中顶板、底板以及巷帮在监测6个月时间内最大变形量分别为75 mm、35 mm、89 mm以内，为巷道后续使用提供了安全保障。