采动应力下巷道围岩变形特征及支护 控制措施分析

吴晓明

（陕煤集团铜川矿务局煤矿管理有限公司，陕西 铜川 727000）

相关研究数据表明，国内煤矿深部开采强度不断增加，浅部煤炭资源已经开采殆尽，煤矿向深部开采的延伸速度已经超过了每年15m。预计在未来10年，我国很多煤矿开采的深度将超过1100m。在煤矿进入到深部开采后，高地应力影响越来越明显，特别是开采扰动带来的影响越来越突出，巷道整体的矿压显现也会更加强烈，做好巷道支护工作的难度也随之提升。大量工程实践表明，传统的巷道支护方式在很多情况下已经不能适应深部巷道支护的需要。

1 工程概况

某煤矿运输巷道埋深在760m左右，巷道围岩以粉砂岩为主，裂隙发育较为明显，其中包含钙质结核、黄铁矿，其中存在厚度为0.4m的薄层泥岩，整体较软，容易出现破碎。根据现场的地应力测试来看，水平应力为最大主应力，大小达到了31.21MPa，方向为近南北方向。巷道上方及周边有回采工作面开采，受到的采动影响较为明显。巷道设计采用锚网索支护方式，在巷道支护后，围岩整体虽然较硬，但是出现了较为明显的变形破坏，表现出明显的工程软岩特征。

2 巷道围岩变形特征

从现场勘察情况来看，整个巷道出现了全断面变形的问题，巷道顶板和底板的相对移近量平均达到了2.5m，两帮的平均收敛量达到了1.8m。同时，在巷道两帮的下部出现了较大的涌水问题，围岩出现了明显的遇水弱化的情况。现场有较多的网兜，巷道顶板、两帮均有锚杆破断的问题发生，对巷道的正常使用带来了较大的影响。

3 巷道变形破坏原因

对巷道稳定性产生影响的因素相对较多，通过本次对巷道变形情况来看，导致巷道出现较大变形破坏的主要原因如下。

（1）采动影响因素较大。在巷道掘进和使用的过程中，周边有多个工作面正在开采和掘进，巷道围岩在掘进的过程中已经出现了明显的裂隙。在外界采动扰动下，围岩裂隙被进一步的延展和打通，导致巷道围岩变形破坏更为严重。因此，在返修支护过程中，必须针对性地强化提升巷道围岩支护结构的整体性，才能更好地保证巷道支护效果。

（2）地应力对巷道围岩稳定性影响较大。通过现场使用应力解除法，巷道所处位置的测压系统已经达到了1.4，这表明巷道整体处于较高的应力状态。在采动影响下，各种类型的应力出现了相互交织的情况，在巷道的拱顶位置也出现了较为明显的剪切破坏，很多地段有锚杆外移问题发生。这表明在高地应力、采动应力的影响下，巷道整体出现了碎胀蠕变的问题。

（3）巷道围岩性质相对较差。从巷道围岩来看，巷道所处层位主要是粉砂岩，虽然岩体本身强度相对较大，但是由于其中出现了较大的裂隙发育的问题，特别是其中还有泥岩夹层的存在，也含有膨胀性软岩成分，在高地应力、采动应力的影响下，容易出现较大的变形破坏问题。

（4）巷道原支护不够科学。从巷道原支护情况来看，设计采用的是在浅部巷道支护中较常采用的普通锚网索支护，支护的主要对象是巷道两帮和顶板，对巷道底板并没有支护，导致巷道底板成为了支护的薄弱环节，为应力释放提供了空间，并没有形成一个完整的支护结构，这也是巷道底板出现较大变形破坏的主要原因。

（5）水理作用影响明显。从现场勘察情况来看，在巷道的下部有较为明显的淋水问题。由于巷道围岩的变形，导致巷道排水受到了较大的影响，巷道围岩与水长时间的接触，自身的承载能力和支护强度被大量削弱，围岩中的膨胀性成分在水理作用下发生了较为突出的崩解问题。特别是其中的伊利石、蒙脱石，这些物质在遇水后，出现了较为明显的膨胀变形，巷道围岩呈现出了明显的破碎。

4 巷道返修支护方案

结合巷道所处地质条件及煤矿现有支护材料，本次设计采用“U型钢闭环+锚网索+注浆”的耦合支护方案。

首先，选择使用4段U型钢支架组成一个封闭的支护体，型钢在连接时选择使用卡兰进行连接，在U型钢接头的位置，支架的可缩量可以实现自行的变化，可以较好地适应不同方向的压力，尤其是在巷道在受力不均匀或者四角压力相对较大时，组成的封闭支架可以提供出较高的承载能力。如果支架上承受的压力相对较大时，支架自身有着较强的可缩性，发生屈服缩动，避免了在外界应力过大时，发生支架支护失效的问题。同时，随着支架不断被压缩，巷道围岩也会在可控的范围内出现一定的变形，实现了巷道围岩内部能量的有效释放。巷道压缩程度的提升可以提供出的支护压力也随之增加，实现进一步限制巷道围岩变形的效果，也就是达到了“高阻让压”支护的效果。由于形成了一个封闭的支护结构，巷道底板也得到了有效支护，底板围岩的应力状态也从双向应力状态转变为三向应力状态，有效提升了巷道底板围岩的承载极限。此外，由于环形支架的限制作用，若底板出现了较为明显的破坏后，环形支架也可以有效限制岩石向巷道空间中的挤出，最大限度地降低底板变形量。

其次，对巷道围岩进行了全断面的锚索网支护。通过在巷道两帮和顶板进行强度相对较高的锚索支护、锚杆支护，可以实现对巷道表层围岩的预紧压缩，巷道浅部围岩压力状态可以实现有效改善，浅部巷道围岩的承载能力也可以实现有效提升。同时，通过施加锚索支护的方式，可以将巷道深部稳定性相对较高的围岩的悬吊作用充分发挥出来，从而实现对巷道浅部围岩的变形量的有效控制。在铺网后，在巷道围岩中形成锚杆、锚索及围岩相互强化的支护结构，更好地保证巷道支护效果。

此外，针对巷道受到地下水带来的负面影响，本次选择使用对巷道底板进行注浆加固的方式实现对导水裂隙的有效填充、封堵，最大限度地控制水对围岩产生的侵蚀作用，实现对巷道底板围岩强度的有效提升，巷道底板围岩极限承载能力可以得到有效的强化，也在一定程度上有效限制了巷道底板的变形。

在本次返修的过程中，设计的长环形支架支护示意图如图1所示。巷道围岩采取的锚网索支护和底板注浆支护示意图如图2所示。

图1 长环形支架支护示意图

图2 巷道锚网索和底板注浆示意图

在本次巷道返修支护的过程中，为了更好地提升巷道支护效果，精准把握支护时机非常关键。本次在巷道采取锚网索支护后5~6d后，在进行长环形支架的施工，主要目的是将巷道围岩中的能量进一步的释放，在科学的范围内给巷道一定的变形空间，这不仅有助于降低巷道支护的难度，也有助于巷道围岩稳定性得到更好的控制。同时，注浆效果如何将直接关系到本次巷道底板支护的效果。本次注浆压力控制在5MPa左右，施工技术人员应在施工的过程中对底板是否出现跑浆进行及时观察，保证浆液可以将巷道底板围岩中的裂隙有效封闭，在巷道底板中形成一个完整的支护结构，提升巷道围岩的极限承载能力。

5 巷道返修支护效果分析

在对该煤矿巷道采取上述返修支护方案后，为了更好地、全面地掌握巷道变形情况，本次设置了多个观测断面，对巷道围岩变形情况进行了全面观察，得到的巷道返修后支护后围岩位移变形情况如图3所示。

图3 巷道返修支护后围岩位移变形情况图

从图3可看出，巷道在返修后，经历了剧烈变形阶段、缓慢变形阶段、趋于稳定阶段。不论的是巷道的两帮，还是顶底板，整体的变形量相对于返修之前均有了明显的下降。这表明，在返修后，返修支护方案有效实现了对巷道围岩的强化，提升了巷道围岩的承载能力，达到了控制巷道围岩变形的目的。此外，巷道从返修后到趋于稳定阶段，整个时间接近80d，这再次表明，在煤矿深部开采的过程中，传统的巷道支护方式已经不能适用于深部资源开采，特别是在开采扰动、高地应力条件下，围岩控制难度更高。

6 结语

综上分析，本次选择使用“U型钢闭环+锚网索+注浆”的耦合支护方案实现对采动影响较大的巷道变形情况的有效控制，取得了较好的支护效果。因此，在深部巷道支护的过程中，煤企必须切实转变传统的支护理念，从巷道所处地段的实际地质情况出发，最大限度地调动围岩的自我承载能力，全面提升各个支护体之间的耦合性，更好地保证巷道稳定，严禁采用传统的单一支护方式。大量实践已经表明，这种传统的支护方式已经不能满足实际需求。